蘭州鹽什公路工程機械自動化高邊坡開挖支護研究

摘要：為將機械自動化技術有效運用到高邊坡開挖支護施工過程中，提升施工質量和施工效率，從機械自動化技術的角度，分析了高邊坡開挖支護工程的施工特點和參數、工藝優化，探討了機械自動化在高邊坡開挖支護過程中的應用，提出了機械自動化高邊坡開挖支護的優化策略。研究成果可為高邊坡開挖支護施工技術的提升提供參考。

關鍵詞：機械自動化; 高邊坡; 開挖支護技術; 蘭州鹽什公路

中圖法分類號：TV52 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.009

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0029 - 03

0 引 言

高邊坡開挖支護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以上的土質邊坡，或高度30 m以上的巖質邊坡，因其本身具有高度較高、施工難的特點，如果處置不當，將會給后續工程帶來安全隱患。有關研究表明：高邊坡變形的主要原因有地層巖性變弱、巖層之間的構造出現斷裂、水文地質條件發生變化、河流沖刷、地震等;此外，在施工過程中，施工技術運用不當等人為因素也是直接造成高邊坡坍塌的主要原因之一[1]。如果出現滑坡、坍塌、地震崩塌、裂縫等問題，將會對施工成本造成影響。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、水文等條件，還需要不斷加強施工技術的應用。當前，機械自動化技術在高邊坡開挖支護施工中已經得到了較為成熟的應用，例如GPS技術、三維激光掃描技術、大型鉆機等，不僅能夠提升整體施工進度，還能有效提升施工質量。本文將重點分析機械自動化在高邊坡開挖支護施工中的應用，為提升高邊坡開挖支護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象，蘭州北繞城東段高速公路連接線位于蘭州市東北側，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、內蒙古高原于此交會，起止樁號為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，較堅硬，需要爆破處理;施工段山體陡峭，路塹挖放量大，土石方調配難度大;多處高邊坡施工緊鄰老鹽什路，需要安全管制，現場管理難度大，施工周期長;施工作業面狹小，施工機械設備進出效率低下，不可預見的施工風險多。此外，該地區最高邊坡達112 m，施工難度大;高邊坡施工為高處作業，可能存在高處墜落、物體打擊的風險;施工機械在高處作業時存在機械傷害、設備事故的風險;高邊坡施工需進行爆破作業，存在爆破事故風險;邊坡高，如遇強降雨則可能發生滑坡等地質災害。

2 高邊坡開挖支護

2.1 施工特點

（1） 臨時性。高邊坡開挖支護工程的支護建設通常在臨時搭建的施工環境中實施，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境，以免出現安全問題;此外，還應重視施工過程中各個環節的管理和控制工作，通過建立相應的管控機制和安全防范措施，為施工人員提供安全保障。

（2） 不穩定性。高邊坡的高度較大，在土方開挖過程中，一旦土體失穩就會塌方。邊坡支護施工是將地質體的一部分改造成人為工程設施，因此，其穩定性取決于自然山坡的穩定狀況（穩定、不穩定或極限平衡狀態）、地質條件（地層巖性、地質構造、坡體結構、巖體結構、水文地質條件、風化程度等）和人為改造的程度（開挖深度、坡形、坡率等）。在自然坡體的應力調整過程中：強度低的軟弱巖層調整較快，常在施工期就發生變形;強度高的堅硬巖層調整較慢，可保持自身穩定或在1～3 a后發生變形。高邊坡開挖支護施工本身對技術有著嚴格的要求，施工單位需要具備先進的施工技術和對施工現場的嚴格管理[3]，但往往由于現場管理難度大，導致施工周期變長、機械設備進出效率低下等問題，直接影響了高邊坡開挖支護施工的進程，給施工工作帶來了一定的困難和風險。

（3） 制約性。在實施過程中，高邊坡開挖支護工程周圍其他建筑環境、地面抗性等因素都會因施工操作技術產生一定程度的制約作用。因此，施工單位需要結合周圍環境進行相應的勘測，并結合勘測所得各項數據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施工過程中，施工單位在實施作業的過程中不僅需要綜合考慮蘭州地區的氣候和地理因素，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，因施工中需要進行爆破作業，存在發生爆破事故的風險，施工單位應當對此制定和完善相應的施工方案。

2.2 施工參數優化

2.2.1 爆破參數優化

爆破施工是高邊坡施工過程中必不可少的一項措施，能夠減少因人工鑿壁出現的各種施工難問題[4]。在該工程的爆破參數選擇中，以梯段爆破為主，需要結合不同階段的爆破需求進行參數的選擇，在此基礎上不斷進行優化，調整不同類別土質砂巖的爆破炸藥耗費量，以使用盡可能少的炸藥量、減少爆破對高邊坡的影響。在蘭州鹽什公路高邊坡開挖支護施工過程中，需要結合實際的高邊坡的設計數據，以露天潛孔臺階爆破方式為主，將整個高邊坡按每4 m的高度劃分一級，采用光面爆破、預裂爆破的方式對整個高邊坡進行爆破工作，具體參數取值參考《高邊坡開挖與支護專項安全施工方案》及蘭州鹽什公路石方爆破專項安全方案。為了提升整個爆破施工的效率，在爆破施工的過程中還需要結合工程實際的振動速度，對各個階段的振動速度進行計算，選擇適宜的振動數據，進而提升爆破的效果，使其達到與預期相符的標準。

2.2.2 施工工藝優化

施工工藝的優化流程是整個高邊坡開挖支護工程中最為重要的一個步驟。對于高邊坡開挖支護，需要嚴格按照相應的施工程序開展施工，以確保施工質量在達到標準的同時提升施工的效率[5]。蘭州鹽什公路高邊坡開挖支護施工工藝的具體流程如圖1所示。在具體施工的同時，需要結合實際對其進行不斷調整和優化，并運用各種先進的自動化機械技術提升施工效率和質量。

3 機械自動化在高邊坡開挖支護施工中的應用

3.1 GPS技術

GPS主要是在全球定位系統內發射相應數量的無線電信號，并通過相應方程求解以確定接收器的精確位置以及真實時間的偏差。GPS在工程測量中的應用能夠彌補傳統人工測量的不足，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、連續工作能力強等優勢[6];對于各種地物、地貌和地下的地質構造、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，在不同的地方和區域都可測量，這有利于在一些復雜的地形中進行測量工作、提升測量的精準度并優化工作效率。在高邊坡開挖支護施工中使用GPS技術，不僅能夠較好地解決傳統測量方式中存在的不足，同時還能提升測量工作的效率。測量得出的復雜數據可以直接通過計算機系統進行分析，得出最終的數值，進而科學合理地布置方案。因此，在實際測量工程中，應當結合工程需要選擇適宜的方案進行測量。

3.2 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術又稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。三維激光掃描技術是利用激光測距的原理，輔以高清同軸相機，通過記錄被測物體表面反射點的坐標、反射率、色彩和紋理等信息形成三維點云（同一空間參考系下表達目標空間分布和目標表面特性的海量點集合）數據，具有非接觸性、穿透性、動態、主動性、高密度、高精度、數字化、自動化等特點，能夠較好地解決傳統信息技術實施過程中出現的各種技術瓶頸，是快速實現物體三維重現的一種全新的技術手段。在高邊坡開挖支護工程中使用三維激光掃描技術，能夠直接將采集到的點云數據轉換為完整的幾何結構和色彩信息，結合傳感器實現物聯網的搭建應用，并利用CAD逆向繪制得到建筑平面、剖面、立面圖，作為改造設計依據[7-8]。

3.3 大型鉆機

高邊坡開挖支護施工中最常見的大型鉆機以護坡錨固鉆機、高邊坡支護鉆機、基坑支護鉆機為主。護坡錨固鉆機結構新穎、穩定可靠，具有效率高、移動方便、低能耗、成本低等優點[9]。在施工中能夠有效減少后期的工程維護，起到較好的支護作用，提高建筑的承載力、穩定性和安全性。此外，高邊坡支護鉆機和基坑支護鉆機也受到很多施工單位的青睞，其中高邊坡支護鉆機本身鉆臂的高度可以達到5～20 m，每天可以鉆孔400～600 m，減少了人工成本，且操作簡單、安全系數更高。鹽什公路高邊坡開挖支護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應用于開挖過程中能夠更好地提升施工質量[10]。

4 機械自動化高邊坡開挖支護優化策略

在高邊坡開挖支護施工工程中使用機械自動化技術不僅能夠解決傳統人工施工帶來的不便，同時還能有效提升施工質量、提升工作效率。在施工過程中，施工單位還需要不斷對高邊坡開挖支護施工進行優化，以獲得更好的施工效果，促進施工單位可持續發展。因此，在施工作業過程中，首先需要根據工程本身的整體發展特征，結合不同的工程類型選擇相應的開挖支護施工技術，以確保施工達到標準，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、健全相應的管理機制和安全防范措施以保障施工的進行。施工技術人員在實施相應技術的同時，需要按照技術標準和要求進行，避免因主觀意識操作帶來的安全隱患，減少后期工程的維護。通過運用不斷完善的技術，能夠為工程提供保障，進而推動建筑施工行業的發展，為建設出更加優質的建筑和推動國家經濟發展奠定堅實的基礎。此外，施工單位需要加強機械自動化技術的運用，將當前先進的自動化技術運用在施工當中;通過自動化信息技術勘察和測量的數據，制定相應的施工方案，交由專門工作人員審批之后方可實施，并且按照相關標準和規定進行作業，保證切實可行之后再進行施工。通過以上幾種方式，不僅能夠降低建筑施工安全事故發生的概率，同時還能提升整體施工質量，促進施工單位可持續發展[12]。

5 結 語

在各類建筑施工中，使用機械自動化技術不僅能夠降低施工成本，同時還能有效減少安全事故的發生概率，減少因施工操作難、施工成本高出現的各類影響。因此，在高邊坡開挖支護工程中，施工單位需要在施工前結合周邊環境，制定相應的施工方案，確保工程能夠在安全、可靠、穩定的環境下實施，避免造成施工隱患。根據不同類型使用開挖支護技術、不斷完善施工技術、適當應用自動化機械技術，并按照相關的制度和操作要求實施工程，確保工程按照預期效果及進度完成，更好地服務于工程建設的要求。

參考文獻：

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

[2] 陳洋.自動化監測技術在廣東某高速公路邊坡工程中的應用研究[J].內蒙古科技與經濟，2021（3）：69-72.

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

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

[5] 金國華，張龍.水利工程施工中高邊坡支護與開挖技術的運用研究[J].中國戰略新興產業（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測自動化控制系統研究[J].土木工程，2021，10（11）：1123-1128.

[7] 董秀軍，黃潤秋.三維激光掃描技術在高陡邊坡地質調查中的應用[J].巖石力學與工程學報，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的隧道全斷面變形測量方法[J].巖石力學與工程學報，2013，32（11）：2214-2224.

[9] 遲明全，王德智.土建基礎施工中深基坑支護施工技術的應用[J].建筑工程技術與設計，2018（9）：314.

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

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

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

（編輯：高小雲）