01 政策及產業(yè)環(huán)境情況

       隨著高速公路網(wǎng)絡的不斷拓展和交通流量的持續(xù)增加，高邊坡的養(yǎng)護與監(jiān)測工作得到了各級政府及交通主管部門的高度重視。

       2021年3月11日，十三屆全國人大四次會議表決通過了《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，綱要中指出“強化數(shù)字技術在公共衛(wèi)生、自然災害、事故災難、社會安全等突發(fā)公共事件應對中的運用，全面提升預警和應急處置能力”，“建立公共安全隱患排查和安全預防控制體系”，“開展災害事故風險隱患排查治理，實施公共基礎設施安全加固和自然災害防治能力提升工程，提升洪澇干旱、森林草原火災、地質災害、氣象災害、地震等自然災害防御工程標準。”

       2019年9月19日，中共中央和國務院印發(fā)《交通強國建設綱要》，明確了“持續(xù)加大基礎設施安全防護投入，提升關鍵基礎設施安全防護能力?！焙汀巴晟浦伪Ｕ象w系，加強安全設施建設。建立自然災害交通防治體系，提高交通防災抗災能力。”并指出了要完善科技創(chuàng)新機制，提出要“建立以企業(yè)為主體、產學研用深度融合的技術創(chuàng)新機制，鼓勵交通行業(yè)各類創(chuàng)新主體建立創(chuàng)新聯(lián)盟，建立關鍵核心技術攻關機制?！?br data-filtered="filtered" style="padding: 0px; margin: 0px; outline: none; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); box-sizing: border-box;"/>

       2022年03月25日，交通運輸部、科學技術部聯(lián)合制定了《交通領域科技創(chuàng)新中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（2021—2035年）》，綱要中指出“開展韌性交通系統(tǒng)理論與技術研究，掌握交通基礎設施韌性評估與風險防控基礎理論方法，突破交通基礎設施韌性提升”，“開展跨江越海通道、西部陸海新通道、運河連通工程等重大基礎設施建設技術研究，突破長大穿山隧道、超大跨徑橋梁、懸浮隧道等關鍵技術，提升復雜地質、水文、氣候等自然環(huán)境條件下交通基礎設施可靠性設計和智能建造技術水平?！?/p>

       綜合交通基礎設施建設現(xiàn)在是穩(wěn)就業(yè)、穩(wěn)投資、穩(wěn)增長的重要抓手，將來也是廣西全面高質量發(fā)展的重要基礎。廣西壯族自治區(qū)交通運輸廳《廣西綜合交通運輸發(fā)展“十四五”規(guī)劃》及《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2018—2030年）》文件要求，“十四五”期間全區(qū)高速公路總里程將突破1.2萬公里，到2030年，高速公路將達到1.5萬公里，100%普通國道達到二級及以上等級，80%普通國省道將達到二級及以上等級，100%普通省道達到三級及以上等級，公路總里程將達到14萬公里。

       隨著公路交通事業(yè)跨越式發(fā)展，全區(qū)公路的總體建設規(guī)模逐年擴大，并呈逐年增加趨勢，全區(qū)在役及在建公路規(guī)模都將在未來幾年內大幅增加。其中，大部分新建公路，尤其是高速公路均位于桂西、桂北等與其他省份交界處，或位于尚未通高速公路的區(qū)域，這些區(qū)域山巒疊嶂，地形地質條件復雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，公路工程建設難度將大幅提升。但另一方面，中國公路工程建設和運營管養(yǎng)技術水平并未出現(xiàn)跨越式的發(fā)展，傳統(tǒng)技術現(xiàn)狀難以全面支撐復雜地形、地質條件公路工程建設和運營管養(yǎng)的安全、經濟和工期要求，這將導致工程本質安全水平不高。

       2021年11月11日，廣西壯族自治區(qū)人民政府發(fā)布《廣西科技創(chuàng)新“十四五”規(guī)劃》，規(guī)劃中指出“推進交通基礎設施建管養(yǎng)技術、交通綠色循環(huán)發(fā)展技術、交通安全與應急保障技術等研發(fā)與應用，在生態(tài)環(huán)保筑路材料、綜合交通運輸治理等領域實施一批科技示范項目”。2021年11月12日，廣西壯族自治區(qū)人民政府發(fā)布《廣西綜合交通運輸發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，提出“提升交通基礎設施網(wǎng)絡的安全性和可靠性，提高應對自然災害和突發(fā)事件保障能力?！保凹哟罂萍紕?chuàng)新轉化力度，加強交通運輸先進裝備、設備研發(fā)。推廣自動駕駛、智能航運、無人機、建筑信息模型       （BIM）等新技術在交通運輸行業(yè)的研究與應用，實施一批科技示范工程。在重點橋梁、隧道、樞紐等工程領域實現(xiàn)遠程監(jiān)測和安全預警”。

       國家及地方政府、相關部門通過制定一系列政策文件，規(guī)范了高邊坡養(yǎng)護監(jiān)測和災害預警的工作流程和標準，有效推動了監(jiān)測預警體系的建立與完善，也給相關技術的發(fā)展提供了有力的支撐。

       02 存在的問題與挑戰(zhàn)

       當前，公路建設面臨的形式是，一方面在役及在建公路規(guī)模都將在未來幾年內大幅增加，而且建設難度越來越大，另一方面，公路工程建設和運營管養(yǎng)技術水平并未出現(xiàn)跨越式的發(fā)展。這導致公路工程本質安全水平不高，建設和運營管養(yǎng)風險較大。如何有效提高公路工程建設和運營管養(yǎng)技術水平，是行業(yè)目前面臨的重大技術難題。

       在邊坡、橋梁邊坡、隧道邊仰坡領域，由于廣西地區(qū)地質結構復雜、環(huán)境脆弱，受中、南亞熱帶季風氣候影響，滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻發(fā)，據(jù)2018年地質災害調查評價結果，廣西陸地面積96.65%均屬地質災害易發(fā)區(qū)，其中地質災害高、中易發(fā)區(qū)達42.3%。加之通常重大地質災害隱患多具有隱蔽性、突發(fā)性、不確定性等復雜特點，在這些區(qū)域的公路建設和運營管養(yǎng)安全風險很高，主動防范和監(jiān)測預警的難度很大。

       傳統(tǒng)的土災害智能監(jiān)測預警主要通過人員定期進行現(xiàn)場調查，高風險點采用GPS、水準儀、全站儀、近景攝影測量和位移計等人工監(jiān)測手段，不僅工作強度大，而且僅靠肉眼識別早期地質災害難度較大、工作效率很低，一些滑坡、泥石流等災害產出地地質環(huán)境惡劣甚至人工難以到達。另外，監(jiān)測數(shù)據(jù)處理計算工作量較大，不易快速得出結果實現(xiàn)及時預警，也無法獲得監(jiān)測區(qū)域連續(xù)的地表形變信息，所得結果偏離散性，空間分辨率低，難以達到預警效果，不能形成體系。

       高邊坡監(jiān)測預警技術的研究旨在通過在路基邊坡、橋梁邊坡、隧道邊仰坡實施全面空、天、地、深綜合的監(jiān)測，在隧道施工中實施地質災害動態(tài)監(jiān)測，在生態(tài)敏感路段實施危化品車輛、污水和污染物監(jiān)測，建立公路工程陸域全生命期地質環(huán)境災害監(jiān)測體系，在此基礎上實現(xiàn)地質環(huán)境災害的全面管控及應急處治，保障公路工程建設及運營管養(yǎng)的安全，提高公路工程建設質量和運營管養(yǎng)水平，助推公路建設高質量發(fā)展，切實保障人民群眾生命財產安全。

       03 應用情況

       團隊通過產研結合，大力開展監(jiān)測預警系統(tǒng)及先進裝備的研發(fā)，建立了公路邊坡自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，開發(fā)了“基于三維GIS的多源數(shù)據(jù)監(jiān)測預警平臺”以及公路領域常用的智能監(jiān)測預警設備，取得了良好的效果，在廣西地區(qū)內以及交通行業(yè)內處于領先水平。大力推廣實時監(jiān)測預警、施工期運營期長期監(jiān)測的永臨結合的監(jiān)測理念，在多條高速上推廣了高風險路基的自動化監(jiān)測，采用了北斗位移、深部位移、視頻監(jiān)控、降雨量、地下水位等多種自動化監(jiān)測方法，使用智能管理平臺自動進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理與預警，實現(xiàn)了地質災害防治的自動化與智能化。

圖1  監(jiān)測預警平臺

圖2  航測設備 

圖3  高清監(jiān)測攝像頭

       當前，已實施自動化監(jiān)測項目 50余項，包含：蒙象路白石古滑坡、吳圩至隆安高速公路、樂業(yè)至百色高速公路、都安至巴馬高速公路、柳州經合山至南寧高速公路、田林至西林高速公路、天峨龍灘特大橋、平陸運河、南寧軌道交通等重大工程項目。

       項目組開展了大量公路邊坡監(jiān)測與災害防治工作，使用的監(jiān)測技術及裝置有：固定式測斜儀、北斗系統(tǒng)監(jiān)測、裂縫計、靜力水準儀、錨索計、錨桿計、混凝土應變計、雨量計、地下水位計、視頻監(jiān)控等。

       公路邊坡災害監(jiān)測預警關鍵技術的實施保障了工程建設安全，廣西葛洲壩田西高速公路有限公司對央達隧道邊坡和田西高速公路K178+580-K178+780段右側深挖路塹邊坡，K130+740-K130+950段左側深挖路邊坡，K71+845-K72+245段右側深挖路塹邊坡三個典型邊坡，采用本項目成果中的自動化安全監(jiān)控管理平臺進行施工期安全監(jiān)控，形成了完整的深部位移、裂縫計監(jiān)測、地表位移、雨量、水位、應力等監(jiān)測數(shù)據(jù)。應用單位認為：該項目成果的應用為災害處治方案的提出及精準實施提供了重要依據(jù)，保證了施工安全，避免了因持續(xù)變化導致失穩(wěn)，造成生命財產損失。 

圖4  微動監(jiān)測在都巴高速公路的應用 

圖5  微變雷達云圖

       通過這些工程監(jiān)測項目，項目組積累了大量的巖土工程災害監(jiān)測與防治經驗。已完成及正在開展的落地應用工作，為相關科研平臺的建設、人才培養(yǎng)、科技成果的良性轉化、優(yōu)秀團隊的建設提供了重要支撐。同時，項目組圍繞科技成果轉化及產業(yè)化事宜開展相關工作，通過向社會提供技術服務來實現(xiàn)科技成果轉化及產業(yè)化，截止目前共提供技術服務 32 項，受益單位達 50 余個，受益群體人數(shù)達到 200 萬人，實現(xiàn)成果轉化效益合計約13000萬元。

       04 技術創(chuàng)新及發(fā)展趨勢

       本項目的技術成果具有監(jiān)測設備集成化、智能化與自動化水平高，數(shù)據(jù)可集中管理和高效處理，專家系統(tǒng)與人工智能的融合等優(yōu)勢，契合廣西地區(qū)的應用需求，同時依托廣西交通設計集團有限公司在廣西區(qū)深厚的技術沉淀和積累，以及產品服務的優(yōu)勢，必將在廣西公路邊坡災害識-警-控成套技術和裝備市場競爭中占據(jù)主要地位。項目組建立的公路多源立體邊坡災害觀測體系達到國際先進水平；基于物聯(lián)網(wǎng)的地災實時智能監(jiān)測預警系統(tǒng)及裝備達到國內領先水平；基于地災性能實時狀態(tài)智能識別的災害防治技術達到國內領先水平。

       項目組提出的技術所具有的創(chuàng)新點如下：

     （1）搭建大范圍、高效、低成本的地災隱患識別普查體系。利用 SAR 數(shù)據(jù)監(jiān)測范圍廣，監(jiān)測效率高，不受天氣影響等優(yōu)點，以多時相 InSAR 測量結果作為基礎，速地對監(jiān)測區(qū)域進行大范圍地質災害隱患點普查，圈定地質災害隱患點的范圍，克服傳統(tǒng)手段工作效率低，監(jiān)測范圍有限的缺點；

     （2）針對廣西地區(qū)地形起伏多變，氣候變化大的特點，采用最新的 GACOS 系統(tǒng)對流層延遲產品對干涉對進行有效的改正，提高多時相InSAR 產品精度；

     （3）基于 InSAR 技術的建立地質災害自動化監(jiān)測體系和易發(fā)性風險快速評估體系研究；

     （4）基于數(shù)值模擬、大型試驗、監(jiān)測數(shù)據(jù)的公路邊坡災害防治技術和實施手段；

     （5）建立的多源數(shù)據(jù)監(jiān)測預警平臺，具有如下明顯優(yōu)勢：高頻率數(shù)據(jù)實時采集，實時感知邊坡變化；現(xiàn)場傳感器根據(jù)指令自動采集數(shù)據(jù)，采集頻率可達到幾分鐘一次；數(shù)據(jù)采集進入平臺后，基于自主研發(fā)的預警模型對平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)代入預警模型進行分析，自動將結果通過手機APP、短信、電話等方式發(fā)送至指定人員，保障了公路邊坡施工與運營的安全；軟件平臺可從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成圖、出報表全過程自動化，有效提高了技術員的工作效率。

       根據(jù)目前查閱文獻及了解資料情況來看，目前地質災害調查、監(jiān)測手段較為單一，鮮有將空-天-地多種方法相結合進行深度融合使用的研究。其次，多源遙感數(shù)據(jù)解譯成果與地質災害機理缺乏系統(tǒng)總結分析，公路建設亟需地面調查與遙感技術融合建立新型的快速評價體系。災害體外部的形變和形態(tài)特征都暗示著災害的地質演變過程及階段，目前缺乏遙感數(shù)據(jù)信息綜合應用，尤其是與災害機理融合分析與快速評價體系的建立。同時，相關技術開展公路沿線地質災害一體化空間觀測、監(jiān)測、管理和防治等工作，目前應用案例還相對較少，還未完全形成完整的技術體系，尤其如何綜合應用三維空間數(shù)據(jù)開展總體穩(wěn)定性、風險評估還需深入研究。

       為了更好解決復雜山區(qū)公路邊坡災害高風險區(qū)重大地質災害監(jiān)測與防治的難題，亟需要結合光學遙感、InSAR技術、航空攝影測量、機載LiDAR技術和地面調查手段，搭建空天地一體化巖土災害識別、監(jiān)測、管理與防治技術全套技術流程，這不僅是公路建設發(fā)展的實際需求，也是國家基礎建設信息化進程發(fā)展需要，更是新技術融合創(chuàng)新的重要突破。

       在未來，項目組擬針對以下幾個方面開展技術研究和攻關：

     （1）構建天空地一體化的公路多源立體巖土災害觀測體系

       基于星載平臺的合成孔徑雷達InSAR技術結合光學遙感技術，采用機器學習方法，建立地質災害自動識別體系，實現(xiàn)地質災害普查；基于機載平臺三維激光雷達技術結合傾斜攝影技術，研發(fā)坡度陡峭、植被茂密復雜地形點云數(shù)據(jù)濾波算法技術、地質災害識別技術，實現(xiàn)地質災害詳查；建立專業(yè)的巡查表格，對現(xiàn)場情況進行巡查，將現(xiàn)場地質情況與普查、詳查數(shù)據(jù)進行深入分析，驗證與補充普查與詳查結果，優(yōu)化普查與詳查算法。利用空天地一體化技術，建立多源立體觀測體系，進行地質災害風險識別與劃分。

圖6  巖土災害識-警-控立體觀測體系

     （2）研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的地災實時智能監(jiān)測預警系統(tǒng)及裝備

       基于三維GIS的多源數(shù)據(jù)監(jiān)測預警平臺開發(fā)和升級，集成多源數(shù)據(jù)與高精度預警算法；基于MEMS的深部位移測斜陣列開發(fā)；北斗-MEMS緊耦合定位設備與解算算法的開發(fā)和應用。

     （3）研發(fā)基于地災性能實時狀態(tài)智能識別的災害防治技術

       選取沿線典型地質災害巖土體試樣，開展三軸試驗，提出地質災害巖土體變形失穩(wěn)的理論判別準則；開展地質災害穩(wěn)定性離心模型試驗，得到地質災害失穩(wěn)破壞區(qū)域觸發(fā)、演化全過程，揭示地質災害破壞機理；結合數(shù)值模擬、物理實驗與監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地質災害支檔結構進行優(yōu)化設計，使得災害治理更經濟安全、綠色環(huán)保。

     （4）基于平臺應用創(chuàng)新巖土災害防治裝備和技術

       綜合利用地表及地下深層點位變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效識別地質災害失穩(wěn)破壞模式，提出不同滑坡階段地質災害的處治方案，提高地質災害對復雜工況變化的應對能力。針對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可能超過災害預警值的軟巖地質災害進行預加固防護，對已超過災害預警值的地質災害進行應急搶險治理。前期采用性價比高的錨筋樁、鋼管樁或鋼輕軌等小型快速搶險方法治理，后期結合數(shù)智化壓力型囊式錨桿技術和施工設備、裝配式框架梁錨桿（索）技術、錨桿擋墻、抗滑樁等進行處治，形成預防為主、防治結合、緊急搶險、綜合治理的思路。對地質災害支檔結構進行優(yōu)化設計，結合現(xiàn)場監(jiān)控所得錨桿、抗滑樁等支擋結構的應力變形數(shù)據(jù)，開展數(shù)值模擬分析，進行不同工況下的支擋結構類型、尺寸、配筋等優(yōu)化設計，使得地質災害治理更經濟安全、綠色環(huán)保。

       05 總結及展望

       公路邊坡災害的識別、監(jiān)測、預警和控制技術與裝備的研發(fā)與應用，是當前公共安全和防災減災領域的重要研究方向，也是項目組所在公司的重要業(yè)務版塊，經過近10年科技研發(fā)、技術積累、團隊和平臺建設，目前已具備產業(yè)化條件，產業(yè)化進展顯著，不僅在技術研發(fā)和裝備制造上取得了突破，而且在實際應用和產業(yè)化推廣方面也取得了積極成效。通過政府的支持和科研機構、高校以及企業(yè)的共同努力，這些技術正在逐步轉化為實際的防災減災能力，為社會經濟發(fā)展和人民生命財產安全提供了有力保障。

       本項技術成果對提升廣西地質災害及環(huán)境、工程建設、隧道建設安全及管控水平具有重要意義。項目成果可廣泛應用于廣西公路、市政、水運工程施工和運營管養(yǎng)，助力數(shù)字化轉型及應用，滿足公路施工安全防控、質量管理與安全環(huán)保的迫切需要，促進西部陸海新通道高水平建設，推動向海經濟大力發(fā)展，帶動上下游產業(yè)的發(fā)展；同時項目成果可以從“更快更嚴”的高速場景向“較慢”的普通公路及城市道路場景演進推廣，在北部灣城市群、交通樞紐的重要節(jié)點中應用等；隨著“一帶一路”、陸海新通道的建設以及我單位東盟業(yè)務的發(fā)展，可打造面向東盟國家的產業(yè)輸出。

*本文來源于《2024中國高速公路智能監(jiān)測預警產品技術與案例》