道路高邊坡精確開挖施工控制技術(shù)

史鵬磊 劉 超 鐘 山

中國(guó)建筑第七工程局有限公司 河南 鄭州 450004

在道路邊坡工程中，各專家學(xué)者都很重視高邊坡開挖過程中安全性、邊坡開挖完成后穩(wěn)定性的研究[1-4]。通常進(jìn)行邊坡開挖的方法有單坡漸近法、準(zhǔn)確橫斷面測(cè)量法等。這些方法雖然簡(jiǎn)單快捷，但對(duì)于高邊坡放樣往往難以實(shí)施或達(dá)不到施工要求的準(zhǔn)確度，而利用坐標(biāo)斷面坡度線法雖可以達(dá)到要求[5-6]，但需要測(cè)量員不斷進(jìn)行試坡點(diǎn)的測(cè)量和計(jì)算，增加了復(fù)核的時(shí)間。

同時(shí)，既有的高邊坡開挖施工存在邊坡上口線確定時(shí)未充分考慮實(shí)際地形、計(jì)算方法簡(jiǎn)陋、施工效率低、施工過程中的質(zhì)量控制主要依靠測(cè)量員在挖機(jī)作業(yè)半徑內(nèi)進(jìn)行復(fù)測(cè)、安全隱患大等不足。針對(duì)以上不足，本文以湖北襄陽(yáng)中國(guó)有機(jī)谷二期道路高邊坡開挖為例，采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備對(duì)以往施工方法進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)施結(jié)果表明，該方法合理、有效，做到了精確開挖，為高邊坡精確開挖施工技術(shù)提供了一些建議。

1 工程概況

湖北襄陽(yáng)中國(guó)有機(jī)谷二期道路沿線部分已進(jìn)行了開挖，大部分未開挖到位，道路橫斷面寬度為7.0 m，道路沿線兩側(cè)分設(shè)雨水和污水排放系統(tǒng)。擬建線路場(chǎng)地地貌單元處于低丘坡麓地帶，出露地層上部為素填土、第四系全新統(tǒng)（Q4al）沖積的粉質(zhì)黏土，下部為白堊系（K）強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)砂巖層。在擬建道路長(zhǎng)度范圍內(nèi)，山體呈北南走向，地勢(shì)起伏較大，高差為11～20 m，高程在123.51～142.51 m。在邊坡設(shè)計(jì)中采取坡率法，即從道路外邊偏移3 m，1∶1向上放坡開挖。

2 高邊坡上口線的確定

目前在邊坡開挖工程中，最繁瑣、最重要的工作就是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形和設(shè)計(jì)的邊坡坡度確定邊坡開挖的上口線。邊坡上口線確定的準(zhǔn)確程度直接影響土方開挖成本及邊坡的安全和質(zhì)量?，F(xiàn)如今，施工單位大多根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形圖等間距進(jìn)行手工計(jì)算來確定邊坡上口線，從而完成深化設(shè)計(jì)，但工作量巨大，而且等間距進(jìn)行計(jì)算時(shí)，部分地勢(shì)較緩或者高差較大的位置如果被忽略掉，則在施工時(shí)極易出現(xiàn)超挖和少挖現(xiàn)象。本工程使用南方Cass9.0軟件并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地形圖計(jì)算邊坡上口線，采樣間距盡可能地小，確保和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形相符。

1）測(cè)繪工程師使用全站儀對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行地形測(cè)量，并繪制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形圖。

2）根據(jù)開挖前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)，使用南方Cass9.0軟件對(duì)其進(jìn)行邊坡土方開挖計(jì)算：在Cass9.0工程應(yīng)用選項(xiàng)卡里選擇DTM法土方計(jì)算→根據(jù)坐標(biāo)文件→選擇已經(jīng)繪制好的道路及坡底開挖范圍→選擇實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)文件→在彈出的DTM土方計(jì)算參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中填寫相應(yīng)參數(shù)，并注意填寫邊坡設(shè)置參數(shù)（圖1）。

3）根據(jù)生成的dtmtf.log文件及邊坡開挖計(jì)算結(jié)果（圖2）繪制邊坡開挖上口線（圖3）。

圖1 DTM土方計(jì)算參數(shù)設(shè)置

圖2 邊坡開挖計(jì)算結(jié)果

圖3 繪制邊坡開挖上口線

4）根據(jù)繪制的邊坡開挖上口線，用Cass9.0提取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，使用全站儀進(jìn)行測(cè)設(shè)。

3 施工方法的優(yōu)化

本工程邊坡頂部至中部土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，開挖難度較小。邊坡中部以下多為中風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)砂巖，開挖難度較大。通常對(duì)于此類高邊坡開挖，多數(shù)施工單位采取坡頂挖機(jī)修坡、往下甩土，坡底挖機(jī)在側(cè)后方安全距離內(nèi)往渣土車上裝土的方式進(jìn)行施工。以往的施工方法施工效率較低，存在一定的安全隱患。

本工程通過對(duì)道橫斷面圖的分析，找到一個(gè)施工效率較高、安全系數(shù)大的施工方法。

3.1 分析道路橫斷面圖

使用南方Cass9.0軟件繪制道路斷面圖，并對(duì)待開挖山體部位的道路橫斷面圖進(jìn)行分析。本文以該工程CK0＋200～CK0＋560道路橫斷面圖分析為例（圖4）。

圖4 道路斷面圖分析

圖4中的陰影區(qū)域?yàn)閺牡缆吠膺呥^來3 m后采取45°放坡需要開挖的土方，綜合CK0＋200～CK0＋560道路斷面圖可以看出，邊坡任何一個(gè)道路剖面需要開挖的地方都是上面較窄，下面較寬，中間寬度大致一樣（大都在8～10 m）。

3.2 邊坡開挖施工方法

通過對(duì)道路橫斷面圖及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的分析，道路邊坡工程開挖采用分層分段、由上而下的順序進(jìn)行，每開挖一層修一層平臺(tái)供挖機(jī)、渣土車安全作業(yè)。CK0＋240～CK0＋340段可以設(shè)計(jì)一條坡度約為10%，從坡底至邊坡中部供渣土車、挖掘機(jī)上下山坡的出土道路。挖掘機(jī)從CK0＋240由北向南、由下往上開挖一條寬6 m的單車道上坡路，行至邊坡中部（高程為130 m附近）位置時(shí)，挖機(jī)從山坡上口線往下一層一層開挖，邊開挖邊修一條貫穿南北、寬度為6 m的平臺(tái)，挖一層修一層（圖5）。

圖5 邊坡開挖示意

渣土車行進(jìn)至10%上坡路段時(shí)，上坡車一定要讓下坡車先行，等山坡上邊平臺(tái)有空位時(shí)上坡車才可以上坡，安排專人負(fù)責(zé)車輛調(diào)度。

CK0＋391.116～CK0＋580路段的山體開挖時(shí)，挖機(jī)從CK0＋580路段開挖一條坡度為10%、寬度大于6 m的上坡行車路。采用同樣的方法，先在高程為130 m處修一條寬度大于6 m的平臺(tái)，分層開挖，開挖一層往下修一層平臺(tái)，直至在坡底挖機(jī)臂長(zhǎng)可以觸及所修平臺(tái)為止。然后，挖機(jī)在坡腳從最后所修平臺(tái)處直接修坡至設(shè)計(jì)位置。

該施工方法克服了坡頂、坡底挖機(jī)上下同時(shí)作業(yè)，坡頂挖機(jī)只負(fù)責(zé)修坡、坡底挖機(jī)只負(fù)責(zé)裝土以及施工效率較低的缺點(diǎn)，確保了施工安全，節(jié)省了施工成本。

4 施工過程中的坡度控制

在高邊坡施工過程中，要及時(shí)檢查開挖面坡度。在每層開挖過程中，每隔5 m使用坡度測(cè)量?jī)x指導(dǎo)挖機(jī)先做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)開挖面，然后參照該開挖面進(jìn)行開挖。

每開挖完成一層，使用全站儀檢查成型的邊坡坡度，偏差過大的及時(shí)進(jìn)行修整，控制好坡度，避免超挖、少挖的現(xiàn)象發(fā)生。

4.1 坡度測(cè)量尺優(yōu)化

在開挖過程中，要及時(shí)使用坡度測(cè)量尺檢查開挖面坡度。而目前市場(chǎng)上的坡度測(cè)量尺或手持坡度測(cè)量?jī)x長(zhǎng)度太短，一次測(cè)量只能測(cè)得開挖坡面上某個(gè)點(diǎn)位的坡度，不適合高邊坡開挖的坡度測(cè)量。

挖機(jī)從上往下分層開挖，每層開挖高度約為2 m，為了在每層開挖時(shí)指導(dǎo)挖機(jī)做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的45°開挖面，項(xiàng)目管理人員將坡度測(cè)量?jī)x安裝在工程檢測(cè)尺上，制作了一個(gè)長(zhǎng)度2 m的坡度測(cè)量尺（圖6）。

圖6 長(zhǎng)2 m的坡度測(cè)量尺

4.2 自制單片機(jī)坡度測(cè)量?jī)x

測(cè)量人員在挖機(jī)工作半徑內(nèi)進(jìn)行測(cè)量工作，存在極大的安全隱患。為了保證安全，項(xiàng)目部管理人員使用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了挖機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)開挖坡度的功能。

該單片機(jī)坡度測(cè)量?jī)x分2個(gè)模塊，即數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送模塊以及數(shù)據(jù)接收和顯示模塊。

4.2.1 數(shù)據(jù)采集、處理和無線接口模塊

單片機(jī)IC芯片屬于STC89C52RC-40I-PDIP40直插型集成電路，數(shù)據(jù)采集使用ADXL345傳感器，數(shù)據(jù)的發(fā)送使用nRF24L01無線接口模塊。該模塊制作完成后需要安裝在挖機(jī)的挖斗外側(cè)面上，并與挖斗下口平行。為防止挖機(jī)工作時(shí)土石的碰撞，造成元器件的損壞，需要在元器件外側(cè)焊接防護(hù)裝置（圖7）。

圖7 數(shù)據(jù)采集、處理和無線接口模塊

4.2.2 數(shù)據(jù)顯示和無線接口模塊

數(shù)據(jù)顯示采用LCD1602顯示屏，可以直觀地顯示度數(shù)和字符，非常形象。數(shù)據(jù)的接收使用nRF24L01無線接口模塊（圖8）。

圖8 數(shù)據(jù)顯示和無線接口模塊

5 結(jié)語(yǔ)

在湖北襄陽(yáng)中國(guó)有機(jī)谷二期道路高邊坡工程中，分別從使用南方Cass9.0軟件根據(jù)實(shí)際地形尋找邊坡上口線、結(jié)合地質(zhì)勘察資料優(yōu)化施工方法、在每臺(tái)挖機(jī)上安裝自制的單片機(jī)坡度測(cè)量?jī)x以實(shí)時(shí)檢測(cè)開挖坡度等3個(gè)方面對(duì)以往施工方法進(jìn)行了改進(jìn)，從而保質(zhì)保量地完成了項(xiàng)目履約，得到了監(jiān)理、設(shè)計(jì)、業(yè)主等單位的一致好評(píng)。同時(shí)，上述技術(shù)對(duì)類似高邊坡工程施工都具有很好的參考價(jià)值。

此外，該技術(shù)中還有需要改進(jìn)的地方。挖機(jī)上安裝的自制單片機(jī)坡度測(cè)量?jī)x還比較簡(jiǎn)陋，只能測(cè)量開挖面的坡度，減少測(cè)量員復(fù)核的工作量，但不能采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)，每開挖完一層還需要測(cè)量員使用全站儀或者GPS（RTK模式）進(jìn)行坐標(biāo)復(fù)測(cè)。想要徹底地解決該問題，可以在施工場(chǎng)區(qū)布置GPS測(cè)量基站，并在每個(gè)挖機(jī)上安裝GPS移動(dòng)接收機(jī)，將挖機(jī)上GPS接收點(diǎn)的坐標(biāo)與挖機(jī)大臂、挖斗之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終得到開挖面坡度值及實(shí)測(cè)坐標(biāo)。該問題的難點(diǎn)在于求解挖機(jī)上GPS接收點(diǎn)的坐標(biāo)與挖機(jī)大臂、挖斗之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方程式。我們?cè)谧鲞@方面的努力，希望早日求解到該方程。只有得到該轉(zhuǎn)換方程式，才能應(yīng)用BIM、GIS等技術(shù)先建立開挖模型，挖機(jī)使用該方程得到開挖時(shí)實(shí)測(cè)坐標(biāo)值，并與開挖模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)而提示挖機(jī)超挖或者少挖。