某公路項目高邊坡開挖機械自動化技術(shù)分析

陳 翔

（貴州橋梁建設(shè)集團有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

高邊坡主要是指高度超過20 m 的土質(zhì)邊坡，或高度超過30 m 的巖石邊坡，導(dǎo)致其變形、坍塌的因素較多，具體包括地質(zhì)變化、巖層構(gòu)造運動、雨水侵蝕、河流沖刷、自然災(zāi)害等[1]。此外，施工時技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)、質(zhì)量把控不嚴(yán)等人為因素也在一定程度上加劇了變形的產(chǎn)生。一旦出現(xiàn)變形、坍塌等質(zhì)量病害，勢必會造成不可估量的經(jīng)濟損失[2]。因此，高邊坡施工時，應(yīng)全面結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)、水文等自然條件，采取切實可行的施工技術(shù)。鑒于此，該文結(jié)合實際工程案例，針對高邊坡開挖機械自動化技術(shù)展開綜合分析，詳細(xì)論述了GPS 技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、大型鉆機等所具有的優(yōu)勢，總結(jié)了機械自動化高邊坡開挖支護優(yōu)化措施。

1 工程概況

某公路工程項目總里程18.612 km，全線挖方路基共計28 處，最大坡高112 m，挖方最深處達(dá)53.6 m。該公路具有邊坡高、地質(zhì)復(fù)雜等特點。土層分布簡單，上部為黃土，穩(wěn)定性較差，極易產(chǎn)生變形、滑移現(xiàn)象；下部主要為白堊系砂巖，質(zhì)地密實、堅硬，施工中需采取爆破處理；施工區(qū)域內(nèi)山勢險峻、工作面狹小，路基挖方較大，土方外運困難；部分高邊坡施工路段存在現(xiàn)役公路運營，需進行交通管制；現(xiàn)場施工管理難度較大，機械設(shè)備使用效率低，存在諸多不可控風(fēng)險。同時，邊坡高度最大處，施工困難、危險性大、技術(shù)要求高，加之部分區(qū)域需采取爆破作業(yè)，安全風(fēng)險較高，雨季施工易產(chǎn)生山體滑坡等自然災(zāi)害。

2 高邊坡開挖支護施工

2.1 高邊坡開挖支護施工特點

（1）具有臨時性。高邊坡開挖支護工程是在臨時施工環(huán)境中完成支護施工，穩(wěn)定性較差，存在較大安全風(fēng)險。因此，支護工程施工時，應(yīng)綜合現(xiàn)場實際情況，建立科學(xué)有效的全過程管控體系，提高邊坡支護質(zhì)量，降低安全風(fēng)險，最大限度確保施工安全。

（2）具有不穩(wěn)定性。高邊坡因高度大、施工環(huán)境復(fù)雜，開挖施工中極易產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)和變形，嚴(yán)重威脅施工安全。邊坡支護則是通過人工干預(yù)的方式將地質(zhì)體轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯すこ淘O(shè)施，因此，支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是由支護區(qū)域內(nèi)天然山體結(jié)構(gòu)狀態(tài)、地質(zhì)狀況以及支護形式?jīng)Q定的。天然坡體由于自身結(jié)構(gòu)形式不同，其應(yīng)力調(diào)整速率也存在顯著差異。通常狀況下，強度較低的巖層其應(yīng)力發(fā)展較快，施工時便產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)變形，而對于強度高、質(zhì)地堅硬的巖層，其應(yīng)力消減相對緩慢，一般需持續(xù)1～3年時間坡體結(jié)構(gòu)才會產(chǎn)生變形。高邊坡開挖支護對技術(shù)要求較高，實際使用時，施工方應(yīng)制定切實可行的施工技術(shù)方案及現(xiàn)場管控體系，但由于現(xiàn)場施工條件復(fù)雜，管理難度大，造成施工效率低下、工程機械利用率低等問題，嚴(yán)重影響施工進度，對施工造成較大安全風(fēng)險[3]。

（3）具有制約性。高邊坡開挖支護過程中，周邊基礎(chǔ)設(shè)施、地質(zhì)環(huán)境、施工作業(yè)條件等均會對施工技術(shù)造成一定影響。因此，實際施工前，施工方應(yīng)對現(xiàn)場地質(zhì)、水文等環(huán)境條件實施綜合勘察，并根據(jù)勘察結(jié)果確定科學(xué)有效的施工方案。如蘭州鹽什公路高邊坡開挖支護工程，實際施工時，施工方不僅應(yīng)全面考慮施工區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)、水文、氣候及自然環(huán)境等因素，還應(yīng)兼顧邊坡高度條件，采取科學(xué)有效的安全防護措施，防止發(fā)生高處墜落事故；此外，由于施工中涉及爆破作業(yè)，安全風(fēng)險較高，還需編制相應(yīng)的專項施工方案，并組織專家對方案進行論證。

2.2 高邊坡開挖支護施工參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 爆破參數(shù)優(yōu)化

高邊坡開挖施工中，爆破作業(yè)是最重要的施工環(huán)節(jié)，可有效降低施工難度，解決人工、機械開挖效率低、難度大等問題。該高邊坡爆破采用梯段爆破形式，根據(jù)各階段爆破情況合理確定爆破參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況實施調(diào)整和優(yōu)化，在確保滿足施工需求的前提下，最大限度減少炸藥使用量，降低爆破對高邊坡造成的危害[4]。

在對該公路項目高邊坡開挖支護時，應(yīng)根據(jù)高邊坡相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，采取露天潛孔爆破方式進行爆破作業(yè)，對邊坡進行階梯劃分，嚴(yán)格控制階高，以4 m 高度為宜。為有效確保爆破作業(yè)效率，應(yīng)根據(jù)該項目實際振動速率，對每一階段振動速率實施詳細(xì)計算，從而確定最佳振動參數(shù)，提高爆破效果，實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

2.2.2 施工工藝優(yōu)化

公路工程高邊坡開挖支護的關(guān)鍵在于施工工藝的選擇，它是決定項目能否順利實施的重要環(huán)節(jié)。實際施工時應(yīng)結(jié)合工程施工環(huán)境及技術(shù)條件，選擇科學(xué)有效的施工工藝，并根據(jù)施工進展情況對工藝進行合理優(yōu)化和調(diào)整，從根本上保證工程施工質(zhì)量和效率[5]。

該公路工程高邊坡開挖支護施工工藝流程如圖1 所示。實際開挖支護過程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體情況對該工藝實施優(yōu)化和完善，并通過機械自動化技術(shù)提高施工質(zhì)量和效率。

圖1 施工工藝具體流程

3 高邊坡開挖支護施工中機械自動化的應(yīng)用

3.1 GPS 技術(shù)應(yīng)用

GPS 技術(shù)是通過全球定位系統(tǒng)輸出大量的無線電信號，然后利用智能化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對方程進行求解，從而確定數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)所處位置及相應(yīng)的時間偏差。該技術(shù)具有操作靈活方便、定位精準(zhǔn)、測量速度快、施工效率高、續(xù)航時間長、適用性強等特點，被廣泛應(yīng)用于工程測量中，不僅能有效降低人工測量存在的誤差，且能實現(xiàn)各種環(huán)境的測量應(yīng)用，效果顯著。

針對不同環(huán)境、不同形式的地上、地下地質(zhì)構(gòu)造及礦產(chǎn)資源，如河流、湖泊、高山、峽谷、道路、建筑物等均可測量，且精度較高，有效保證了復(fù)雜地形、惡劣環(huán)境下測量工作的順利開展，極大地保證了測量精度及效率。公路工程高邊坡開挖支護施工中采用GPS 技術(shù)，可有效避免傳統(tǒng)人工測量造成的偏差過大、效率低下問題，且能有效降低測量人員投入，減少工作量，降低測量成本，保證施工安全[6]。同時，利用智能化信息處理系統(tǒng)對測得的數(shù)據(jù)信息實施綜合處理，最終得出需要的測量數(shù)據(jù)，并據(jù)此完成方案布置。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工程概況及現(xiàn)場實際情況采取合適的測量方案[7]。

3.2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)又叫實景復(fù)制技術(shù)，是在GPS 技術(shù)興起后的又一次技術(shù)性突破。其主要工作原理為通過激光測距技術(shù)及高清監(jiān)控系統(tǒng)，對測量對象實施測量和記錄，利用測量點位坐標(biāo)、反射效果、色素及紋理狀況等相關(guān)信息構(gòu)建三維點云（相同三維空間內(nèi)描述對象存在形態(tài)及具體特征的所有點的集合）信息系統(tǒng)，可穿透物體遮擋，實現(xiàn)遠(yuǎn)程動態(tài)化測量，具有精度高、智能化、信息化、高效化等優(yōu)勢，能有效解決傳統(tǒng)測量施工中存在的技術(shù)問題，實現(xiàn)三維立體測量。

公路工程高邊坡開挖支護施工中采用三維激光掃描技術(shù)，可快速有效地將測得的點云信息轉(zhuǎn)換成直觀的三維立體模型，通過數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)完成物聯(lián)網(wǎng)的科學(xué)運用，并通過CAD 繪圖功能反向繪制建筑結(jié)構(gòu)平、立、剖三種結(jié)構(gòu)圖，以此完成設(shè)計優(yōu)化。

3.3 大型鉆機

鉆機是公路工程高邊坡施工中不可或缺的重要工程機械。目前較為常用的大型鉆機主要有護坡錨固鉆機、高邊坡支護鉆機、基坑支護鉆機三種形式。其中護坡錨固鉆機構(gòu)造簡單、功能多樣、完全可靠，應(yīng)用最為廣泛。其具有操作簡便、耗能少、效率高、造價低、效果好等優(yōu)點。采用該鉆機進行護坡施工，可達(dá)到預(yù)期支護目標(biāo)，減少后續(xù)工程維護，顯著增強邊坡承載性能，防止產(chǎn)生坍塌、變形，確保施工安全[8]。

此外，高邊坡支護鉆機、基坑支護鉆機也憑借各自獨特的優(yōu)勢，在各工程領(lǐng)域得到了應(yīng)用。其中高邊坡鉆機具有速度快、效率高、鉆臂長、成本低、安全性高等優(yōu)點，鉆臂長度可達(dá)20 m，單機單日工作量達(dá)400～600 m，可降低施工成本。該項目高邊坡開挖支護主要采用爆破作業(yè)，其中樁位置開挖深度達(dá)53.6 m，邊坡最高處達(dá)112 m，該公路高邊坡開挖支護施工中合理配置大型鉆機資源，可顯著提升施工效率，保證施工質(zhì)量。

3.4 機械自動化高邊坡開挖支護優(yōu)化策略

機械自動化技術(shù)在公路工程高邊坡開挖支護施工中可有效彌補傳統(tǒng)人工作業(yè)存在的不足，確保施工質(zhì)量、安全和進度。實際施工時，施工方應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場具體條件對施工方案進行優(yōu)化和調(diào)整，確保施工高效性、安全性、合理性，從而獲得良好的經(jīng)濟效益[9]。

（1）高邊坡開挖支護施工中，應(yīng)結(jié)合工程項目自身特點及種類確定合適的施工方式，以有效提高施工質(zhì)量和效率，保證施工安全。

（2）施工方應(yīng)加強日常管控，建立科學(xué)有效的質(zhì)量管控體系及安全防控措施，以有效確保開挖支護工程的順利實施。實際施工中嚴(yán)格按照審核通過的施工方案進行施工，確保每一工序均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，防止盲目施工造成安全隱患，降低后續(xù)維護成本。此外，在施工過程中逐步優(yōu)化和完善施工方案，確保其科學(xué)性、高效性，提升施工質(zhì)量和效率。

（3）施工方應(yīng)強化機械自動化技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)高邊坡開挖支護機械自動化。結(jié)合自動化信息采集系統(tǒng)測得的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定最佳施工方案，并通過多種機械組合保證工程施工的高效性。

（4）采用自動化信息監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對邊坡開挖過程的動態(tài)監(jiān)控，實時掌控邊坡變形情況，以便及時采取防控措施。該系統(tǒng)運行的基本原理是在監(jiān)測目標(biāo)內(nèi)部設(shè)置一定數(shù)量的傳感器，對目標(biāo)物理量變化情況進行測定，并通過現(xiàn)場信息采集系統(tǒng)對測得的物理量實施處理和整合，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)將處理好的相關(guān)信息傳遞至可視終端，最后由可視終端對信息實施審核和評估，依據(jù)評估結(jié)果進行預(yù)警。由于該系統(tǒng)較為復(fù)雜，影響其順利實施的因素較多，其中最關(guān)鍵因素在于傳感器等設(shè)施的抗干擾性能。現(xiàn)階段市面上大部分硬件設(shè)施質(zhì)量較差，難以滿足實際工程需要，因此，必須進一步加強技術(shù)更新，全面提升硬件質(zhì)量，以全面實現(xiàn)機械自動化。

通過上述措施，可顯著降低公路工程高邊坡開挖支護施工中安全風(fēng)險，避免安全事故的發(fā)生，同時可有效確保施工質(zhì)量，給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟和社會效益[10]。

4 結(jié)論

綜上所述，公路工程高邊坡開挖支護施工中采用機械自動化施工技術(shù)可降低施工成本及施工安全風(fēng)險。因此，施工時，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，制定科學(xué)有效的施工方案，從而有效確保施工質(zhì)量、安全和進度，減少后期維護費用。同時，嚴(yán)格按照邊坡形式選擇開挖支護技術(shù)，并進行逐步優(yōu)化和完善，合理應(yīng)用機械自動化技術(shù)，嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)程及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)組織施工，確保工程質(zhì)量、進度、安全等各項指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的同步發(fā)展。