蘭州鹽什公路工程機(jī)械自動(dòng)化高邊坡開挖支護(hù)研究

摘要：為將機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)有效運(yùn)用到高邊坡開挖支護(hù)施工過程中，提升施工質(zhì)量和施工效率，從機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的角度，分析了高邊坡開挖支護(hù)工程的施工特點(diǎn)和參數(shù)、工藝優(yōu)化，探討了機(jī)械自動(dòng)化在高邊坡開挖支護(hù)過程中的應(yīng)用，提出了機(jī)械自動(dòng)化高邊坡開挖支護(hù)的優(yōu)化策略。研究成果可為高邊坡開挖支護(hù)施工技術(shù)的提升提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械自動(dòng)化; 高邊坡; 開挖支護(hù)技術(shù); 蘭州鹽什公路

中圖法分類號(hào)：TV52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.009

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）S1 - 0029 - 03

0 引 言

高邊坡開挖支護(hù)工程是土木工程和水利水電工程中的重要組成部分之一。高邊坡通常指高度20 m以上的土質(zhì)邊坡，或高度30 m以上的巖質(zhì)邊坡，因其本身具有高度較高、施工難的特點(diǎn)，如果處置不當(dāng)，將會(huì)給后續(xù)工程帶來安全隱患。有關(guān)研究表明：高邊坡變形的主要原因有地層巖性變?nèi)酢r層之間的構(gòu)造出現(xiàn)斷裂、水文地質(zhì)條件發(fā)生變化、河流沖刷、地震等;此外，在施工過程中，施工技術(shù)運(yùn)用不當(dāng)?shù)热藶橐蛩匾彩侵苯釉斐筛哌吰绿闹饕蛑籟1]。如果出現(xiàn)滑坡、坍塌、地震崩塌、裂縫等問題，將會(huì)對(duì)施工成本造成影響。因此，施工單位在高邊坡施工的過程中，不僅需要綜合考慮前期的地質(zhì)、水文等條件，還需要不斷加強(qiáng)施工技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)前，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在高邊坡開挖支護(hù)施工中已經(jīng)得到了較為成熟的應(yīng)用，例如GPS技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、大型鉆機(jī)等，不僅能夠提升整體施工進(jìn)度，還能有效提升施工質(zhì)量。本文將重點(diǎn)分析機(jī)械自動(dòng)化在高邊坡開挖支護(hù)施工中的應(yīng)用，為提升高邊坡開挖支護(hù)施工的安全性提供有效策略。

1 工程概況

本文以蘭州鹽什公路工程為研究分析對(duì)象，蘭州北繞城東段高速公路連接線位于蘭州市東北側(cè)，地處隴西黃土高原的西部，是青藏高原向黃土高原的過渡帶;隴西黃土高原與青藏高原、內(nèi)蒙古高原于此交會(huì)，起止樁號(hào)為k0+000～k19+075，全長18.612 km，主線深挖路基共28處，最大邊坡高度112 m，中樁最大挖深53.6 m。該工程邊坡高，上層為黃土，易坍塌;下層以白堊系砂巖為主，較堅(jiān)硬，需要爆破處理;施工段山體陡峭，路塹挖放量大，土石方調(diào)配難度大;多處高邊坡施工緊鄰老鹽什路，需要安全管制，現(xiàn)場管理難度大，施工周期長;施工作業(yè)面狹小，施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)出效率低下，不可預(yù)見的施工風(fēng)險(xiǎn)多。此外，該地區(qū)最高邊坡達(dá)112 m，施工難度大;高邊坡施工為高處作業(yè)，可能存在高處墜落、物體打擊的風(fēng)險(xiǎn);施工機(jī)械在高處作業(yè)時(shí)存在機(jī)械傷害、設(shè)備事故的風(fēng)險(xiǎn);高邊坡施工需進(jìn)行爆破作業(yè)，存在爆破事故風(fēng)險(xiǎn);邊坡高，如遇強(qiáng)降雨則可能發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

2 高邊坡開挖支護(hù)

2.1 施工特點(diǎn)

（1） 臨時(shí)性。高邊坡開挖支護(hù)工程的支護(hù)建設(shè)通常在臨時(shí)搭建的施工環(huán)境中實(shí)施，給深基坑施工帶來了一定的安全隱患[2]，因此，施工單位需要重視整體施工環(huán)境，以免出現(xiàn)安全問題;此外，還應(yīng)重視施工過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的管理和控制工作，通過建立相應(yīng)的管控機(jī)制和安全防范措施，為施工人員提供安全保障。

（2） 不穩(wěn)定性。高邊坡的高度較大，在土方開挖過程中，一旦土體失穩(wěn)就會(huì)塌方。邊坡支護(hù)施工是將地質(zhì)體的一部分改造成人為工程設(shè)施，因此，其穩(wěn)定性取決于自然山坡的穩(wěn)定狀況（穩(wěn)定、不穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)）、地質(zhì)條件（地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、坡體結(jié)構(gòu)、巖體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、風(fēng)化程度等）和人為改造的程度（開挖深度、坡形、坡率等）。在自然坡體的應(yīng)力調(diào)整過程中：強(qiáng)度低的軟弱巖層調(diào)整較快，常在施工期就發(fā)生變形;強(qiáng)度高的堅(jiān)硬巖層調(diào)整較慢，可保持自身穩(wěn)定或在1～3 a后發(fā)生變形。高邊坡開挖支護(hù)施工本身對(duì)技術(shù)有著嚴(yán)格的要求，施工單位需要具備先進(jìn)的施工技術(shù)和對(duì)施工現(xiàn)場的嚴(yán)格管理[3]，但往往由于現(xiàn)場管理難度大，導(dǎo)致施工周期變長、機(jī)械設(shè)備進(jìn)出效率低下等問題，直接影響了高邊坡開挖支護(hù)施工的進(jìn)程，給施工工作帶來了一定的困難和風(fēng)險(xiǎn)。

（3） 制約性。在實(shí)施過程中，高邊坡開挖支護(hù)工程周圍其他建筑環(huán)境、地面抗性等因素都會(huì)因施工操作技術(shù)產(chǎn)生一定程度的制約作用。因此，施工單位需要結(jié)合周圍環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的勘測，并結(jié)合勘測所得各項(xiàng)數(shù)據(jù)選擇和制定出適宜的施工方案。例如：在蘭州鹽什公路高邊坡開挖支護(hù)施工過程中，施工單位在實(shí)施作業(yè)的過程中不僅需要綜合考慮蘭州地區(qū)的氣候和地理因素，還需要考慮最大邊坡高度因素，減少因施工高度過高造成的各種墜落事件;同時(shí)，因施工中需要進(jìn)行爆破作業(yè)，存在發(fā)生爆破事故的風(fēng)險(xiǎn)，施工單位應(yīng)當(dāng)對(duì)此制定和完善相應(yīng)的施工方案。

2.2 施工參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 爆破參數(shù)優(yōu)化

爆破施工是高邊坡施工過程中必不可少的一項(xiàng)措施，能夠減少因人工鑿壁出現(xiàn)的各種施工難問題[4]。在該工程的爆破參數(shù)選擇中，以梯段爆破為主，需要結(jié)合不同階段的爆破需求進(jìn)行參數(shù)的選擇，在此基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整不同類別土質(zhì)砂巖的爆破炸藥耗費(fèi)量，以使用盡可能少的炸藥量、減少爆破對(duì)高邊坡的影響。在蘭州鹽什公路高邊坡開挖支護(hù)施工過程中，需要結(jié)合實(shí)際的高邊坡的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以露天潛孔臺(tái)階爆破方式為主，將整個(gè)高邊坡按每4 m的高度劃分一級(jí)，采用光面爆破、預(yù)裂爆破的方式對(duì)整個(gè)高邊坡進(jìn)行爆破工作，具體參數(shù)取值參考《高邊坡開挖與支護(hù)專項(xiàng)安全施工方案》及蘭州鹽什公路石方爆破專項(xiàng)安全方案。為了提升整個(gè)爆破施工的效率，在爆破施工的過程中還需要結(jié)合工程實(shí)際的振動(dòng)速度，對(duì)各個(gè)階段的振動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，選擇適宜的振動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而提升爆破的效果，使其達(dá)到與預(yù)期相符的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 施工工藝優(yōu)化

施工工藝的優(yōu)化流程是整個(gè)高邊坡開挖支護(hù)工程中最為重要的一個(gè)步驟。對(duì)于高邊坡開挖支護(hù)，需要嚴(yán)格按照相應(yīng)的施工程序開展施工，以確保施工質(zhì)量在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)提升施工的效率[5]。蘭州鹽什公路高邊坡開挖支護(hù)施工工藝的具體流程如圖1所示。在具體施工的同時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際對(duì)其進(jìn)行不斷調(diào)整和優(yōu)化，并運(yùn)用各種先進(jìn)的自動(dòng)化機(jī)械技術(shù)提升施工效率和質(zhì)量。

3 機(jī)械自動(dòng)化在高邊坡開挖支護(hù)施工中的應(yīng)用

3.1 GPS技術(shù)

GPS主要是在全球定位系統(tǒng)內(nèi)發(fā)射相應(yīng)數(shù)量的無線電信號(hào)，并通過相應(yīng)方程求解以確定接收器的精確位置以及真實(shí)時(shí)間的偏差。GPS在工程測量中的應(yīng)用能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工測量的不足，且能夠測量多種不同的地形，具有定位精度高、測量效率高、易于操作、連續(xù)工作能力強(qiáng)等優(yōu)勢[6];對(duì)于各種地物、地貌和地下的地質(zhì)構(gòu)造、水文、礦藏，如山川、河流、房屋、道路、植被等，其測量范圍并不受影響和限制，在不同的地方和區(qū)域都可測量，這有利于在一些復(fù)雜的地形中進(jìn)行測量工作、提升測量的精準(zhǔn)度并優(yōu)化工作效率。在高邊坡開挖支護(hù)施工中使用GPS技術(shù)，不僅能夠較好地解決傳統(tǒng)測量方式中存在的不足，同時(shí)還能提升測量工作的效率。測量得出的復(fù)雜數(shù)據(jù)可以直接通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出最終的數(shù)值，進(jìn)而科學(xué)合理地布置方案。因此，在實(shí)際測量工程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程需要選擇適宜的方案進(jìn)行測量。

3.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。三維激光掃描技術(shù)是利用激光測距的原理，輔以高清同軸相機(jī)，通過記錄被測物體表面反射點(diǎn)的坐標(biāo)、反射率、色彩和紋理等信息形成三維點(diǎn)云（同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)集合）數(shù)據(jù)，具有非接觸性、穿透性、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化等特點(diǎn)，能夠較好地解決傳統(tǒng)信息技術(shù)實(shí)施過程中出現(xiàn)的各種技術(shù)瓶頸，是快速實(shí)現(xiàn)物體三維重現(xiàn)的一種全新的技術(shù)手段。在高邊坡開挖支護(hù)工程中使用三維激光掃描技術(shù)，能夠直接將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為完整的幾何結(jié)構(gòu)和色彩信息，結(jié)合傳感器實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的搭建應(yīng)用，并利用CAD逆向繪制得到建筑平面、剖面、立面圖，作為改造設(shè)計(jì)依據(jù)[7-8]。

3.3 大型鉆機(jī)

高邊坡開挖支護(hù)施工中最常見的大型鉆機(jī)以護(hù)坡錨固鉆機(jī)、高邊坡支護(hù)鉆機(jī)、基坑支護(hù)鉆機(jī)為主。護(hù)坡錨固鉆機(jī)結(jié)構(gòu)新穎、穩(wěn)定可靠，具有效率高、移動(dòng)方便、低能耗、成本低等優(yōu)點(diǎn)[9]。在施工中能夠有效減少后期的工程維護(hù)，起到較好的支護(hù)作用，提高建筑的承載力、穩(wěn)定性和安全性。此外，高邊坡支護(hù)鉆機(jī)和基坑支護(hù)鉆機(jī)也受到很多施工單位的青睞，其中高邊坡支護(hù)鉆機(jī)本身鉆臂的高度可以達(dá)到5～20 m，每天可以鉆孔400～600 m，減少了人工成本，且操作簡單、安全系數(shù)更高。鹽什公路高邊坡開挖支護(hù)施工的斷面處理方式為以爆破開挖為主，中樁的最大開挖深度為53.6 m，最大邊坡高度為112 m，將以上幾種大型鉆機(jī)應(yīng)用于開挖過程中能夠更好地提升施工質(zhì)量[10]。

4 機(jī)械自動(dòng)化高邊坡開挖支護(hù)優(yōu)化策略

在高邊坡開挖支護(hù)施工工程中使用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)不僅能夠解決傳統(tǒng)人工施工帶來的不便，同時(shí)還能有效提升施工質(zhì)量、提升工作效率。在施工過程中，施工單位還需要不斷對(duì)高邊坡開挖支護(hù)施工進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更好的施工效果，促進(jìn)施工單位可持續(xù)發(fā)展。因此，在施工作業(yè)過程中，首先需要根據(jù)工程本身的整體發(fā)展特征，結(jié)合不同的工程類型選擇相應(yīng)的開挖支護(hù)施工技術(shù)，以確保施工達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，減少安全隱患[11]。其次施工單位需要重視日常管理工作，通過建立、健全相應(yīng)的管理機(jī)制和安全防范措施以保障施工的進(jìn)行。施工技術(shù)人員在實(shí)施相應(yīng)技術(shù)的同時(shí)，需要按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行，避免因主觀意識(shí)操作帶來的安全隱患，減少后期工程的維護(hù)。通過運(yùn)用不斷完善的技術(shù)，能夠?yàn)楣こ烫峁┍Ｕ?，進(jìn)而推動(dòng)建筑施工行業(yè)的發(fā)展，為建設(shè)出更加優(yōu)質(zhì)的建筑和推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，施工單位需要加強(qiáng)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用，將當(dāng)前先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用在施工當(dāng)中;通過自動(dòng)化信息技術(shù)勘察和測量的數(shù)據(jù)，制定相應(yīng)的施工方案，交由專門工作人員審批之后方可實(shí)施，并且按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定進(jìn)行作業(yè)，保證切實(shí)可行之后再進(jìn)行施工。通過以上幾種方式，不僅能夠降低建筑施工安全事故發(fā)生的概率，同時(shí)還能提升整體施工質(zhì)量，促進(jìn)施工單位可持續(xù)發(fā)展[12]。

5 結(jié) 語

在各類建筑施工中，使用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)不僅能夠降低施工成本，同時(shí)還能有效減少安全事故的發(fā)生概率，減少因施工操作難、施工成本高出現(xiàn)的各類影響。因此，在高邊坡開挖支護(hù)工程中，施工單位需要在施工前結(jié)合周邊環(huán)境，制定相應(yīng)的施工方案，確保工程能夠在安全、可靠、穩(wěn)定的環(huán)境下實(shí)施，避免造成施工隱患。根據(jù)不同類型使用開挖支護(hù)技術(shù)、不斷完善施工技術(shù)、適當(dāng)應(yīng)用自動(dòng)化機(jī)械技術(shù)，并按照相關(guān)的制度和操作要求實(shí)施工程，確保工程按照預(yù)期效果及進(jìn)度完成，更好地服務(wù)于工程建設(shè)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 方竟宇，占浩，翟琪，等.仙居抽水蓄能電站高邊坡自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警布置方法[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2020，43（增2）：28-32.

[2] 陳洋.自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)在廣東某高速公路邊坡工程中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2021（3）：69-72.

[3] 榮美，黎付安，滿新耀.GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在高速路邊坡表面位移監(jiān)測中的應(yīng)用[J].西部交通科技，2020（2）：22-26.

[4] 王玉峰，程謙恭，黃英儒.不同支護(hù)模式下黃土高邊坡開挖變形離心模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（5）：1032-1046.

[5] 金國華，張龍.水利工程施工中高邊坡支護(hù)與開挖技術(shù)的運(yùn)用研究[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)（理論版），2019（13）：237.

[6] 崔凱，葛玉寧，王軍.施工期水庫岸邊坡安全監(jiān)測自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究[J].土木工程，2021，10（11）：1123-1128.

[7] 董秀軍，黃潤秋.三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（增2）：3629-3635.

[8] 謝雄耀，盧曉智，田海洋，等.基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道全斷面變形測量方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（11）：2214-2224.

[9] 遲明全，王德智.土建基礎(chǔ)施工中深基坑支護(hù)施工技術(shù)的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（9）：314.

[10] 王樂廣.長韶婁高速公路互通段高邊坡在線監(jiān)測設(shè)計(jì)與監(jiān)測研究[J].中國水運(yùn)（下半月），2020（7）：124-126.

[11] 龐華誠，楊建沖.基于北斗系統(tǒng)的高邊坡變形監(jiān)測技術(shù)在船閘工程的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)（下半月），2020（5）：64-66.

[12] 王玉峰，程謙恭，黃英儒.不同支護(hù)模式下黃土高邊坡開挖變形離心模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（5）：1032-1046.

（編輯：高小雲(yún)）