某公路項目高邊坡開挖機械自動化技術分析

陳 翔

（貴州橋梁建設集團有限責任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

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

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53.6 m。該公路具有邊坡高、地質復雜等特點。土層分布簡單，上部為黃土，穩定性較差，極易產生變形、滑移現象；下部主要為白堊系砂巖，質地密實、堅硬，施工中需采取爆破處理；施工區域內山勢險峻、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役公路運營，需進行交通管制；現場施工管理難度較大，機械設備使用效率低，存在諸多不可控風險。同時，邊坡高度最大處，施工困難、危險性大、技術要求高，加之部分區域需采取爆破作業，安全風險較高，雨季施工易產生山體滑坡等自然災害。

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境中完成支護施工，穩定性較差，存在較大安全風險。因此，支護工程施工時，應綜合現場實際情況，建立科學有效的全過程管控體系，提高邊坡支護質量，降低安全風險，最大限度確保施工安全。

（2）具有不穩定性。高邊坡因高度大、施工環境復雜，開挖施工中極易產生邊坡失穩和變形，嚴重威脅施工安全。邊坡支護則是通過人工干預的方式將地質體轉變為人工工程設施，因此，支護結構穩定性是由支護區域內天然山體結構狀態、地質狀況以及支護形式決定的。天然坡體由于自身結構形式不同，其應力調整速率也存在顯著差異。通常狀況下，強度較低的巖層其應力發展較快，施工時便產生了結構變形，而對于強度高、質地堅硬的巖層，其應力消減相對緩慢，一般需持續1～3年時間坡體結構才會產生變形。高邊坡開挖支護對技術要求較高，實際使用時，施工方應制定切實可行的施工技術方案及現場管控體系，但由于現場施工條件復雜，管理難度大，造成施工效率低下、工程機械利用率低等問題，嚴重影響施工進度，對施工造成較大安全風險[3]。

（3）具有制約性。高邊坡開挖支護過程中，周邊基礎設施、地質環境、施工作業條件等均會對施工技術造成一定影響。因此，實際施工前，施工方應對現場地質、水文等環境條件實施綜合勘察，并根據勘察結果確定科學有效的施工方案。如蘭州鹽什公路高邊坡開挖支護工程，實際施工時，施工方不僅應全面考慮施工區域內的地質、水文、氣候及自然環境等因素，還應兼顧邊坡高度條件，采取科學有效的安全防護措施，防止發生高處墜落事故；此外，由于施工中涉及爆破作業，安全風險較高，還需編制相應的專項施工方案，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優化

2.2.1 爆破參數優化

高邊坡開挖施工中，爆破作業是最重要的施工環節，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，根據各階段爆破情況合理確定爆破參數，并結合現場實際情況實施調整和優化，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，應根據高邊坡相關指標參數，采取露天潛孔爆破方式進行爆破作業，對邊坡進行階梯劃分，嚴格控制階高，以4 m 高度為宜。為有效確保爆破作業效率，應根據該項目實際振動速率，對每一階段振動速率實施詳細計算，從而確定最佳振動參數，提高爆破效果，實現預期目標。

2.2.2 施工工藝優化

公路工程高邊坡開挖支護的關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節。實際施工時應結合工程施工環境及技術條件，選擇科學有效的施工工藝，并根據施工進展情況對工藝進行合理優化和調整，從根本上保證工程施工質量和效率[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，應根據現場具體情況對該工藝實施優化和完善，并通過機械自動化技術提高施工質量和效率。

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用

3.1 GPS 技術應用

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

針對不同環境、不同形式的地上、地下地質構造及礦產資源，如河流、湖泊、高山、峽谷、道路、建筑物等均可測量，且精度較高，有效保證了復雜地形、惡劣環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，可有效避免傳統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對測得的數據信息實施綜合處理，最終得出需要的測量數據，并據此完成方案布置。因此，在實際應用中，應根據工程概況及現場實際情況采取合適的測量方案[7]。

3.2 三維激光掃描技術應用

三維激光掃描技術又叫實景復制技術，是在GPS 技術興起后的又一次技術性突破。其主要工作原理為通過激光測距技術及高清監控系統，對測量對象實施測量和記錄，利用測量點位坐標、反射效果、色素及紋理狀況等相關信息構建三維點云（相同三維空間內描述對象存在形態及具體特征的所有點的集合）信息系統，可穿透物體遮擋，實現遠程動態化測量，具有精度高、智能化、信息化、高效化等優勢，能有效解決傳統測量施工中存在的技術問題，實現三維立體測量。

公路工程高邊坡開挖支護施工中采用三維激光掃描技術，可快速有效地將測得的點云信息轉換成直觀的三維立體模型，通過數據傳感系統完成物聯網的科學運用，并通過CAD 繪圖功能反向繪制建筑結構平、立、剖三種結構圖，以此完成設計優化。

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造簡單、功能多樣、完全可靠，應用最為廣泛。其具有操作簡便、耗能少、效率高、造價低、效果好等優點。采用該鉆機進行護坡施工，可達到預期支護目標，減少后續工程維護，顯著增強邊坡承載性能，防止產生坍塌、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勢，在各工程領域得到了應用。其中高邊坡鉆機具有速度快、效率高、鉆臂長、成本低、安全性高等優點，鉆臂長度可達20 m，單機單日工作量達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，其中樁位置開挖深度達53.6 m，邊坡最高處達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，保證施工質量。

3.4 機械自動化高邊坡開挖支護優化策略

機械自動化技術在公路工程高邊坡開挖支護施工中可有效彌補傳統人工作業存在的不足，確保施工質量、安全和進度。實際施工時，施工方應結合現場具體條件對施工方案進行優化和調整，確保施工高效性、安全性、合理性，從而獲得良好的經濟效益[9]。

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

（2）施工方應加強日常管控，建立科學有效的質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技術標準要求，防止盲目施工造成安全隱患，降低后續維護成本。此外，在施工過程中逐步優化和完善施工方案，確保其科學性、高效性，提升施工質量和效率。

（3）施工方應強化機械自動化技術的應用，實現高邊坡開挖支護機械自動化。結合自動化信息采集系統測得的相關數據，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）采用自動化信息監控系統，實現對邊坡開挖過程的動態監控，實時掌控邊坡變形情況，以便及時采取防控措施。該系統運行的基本原理是在監測目標內部設置一定數量的傳感器，對目標物理量變化情況進行測定，并通過現場信息采集系統對測得的物理量實施處理和整合，利用無線通信網絡將處理好的相關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，依據評估結果進行預警。由于該系統較為復雜，影響其順利實施的因素較多，其中最關鍵因素在于傳感器等設施的抗干擾性能。現階段市面上大部分硬件設施質量較差，難以滿足實際工程需要，因此，必須進一步加強技術更新，全面提升硬件質量，以全面實現機械自動化。

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險，避免安全事故的發生，同時可有效確保施工質量，給企業帶來良好的經濟和社會效益[10]。

4 結論

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可降低施工成本及施工安全風險。因此，施工時，結合現場實際情況，制定科學有效的施工方案，從而有效確保施工質量、安全和進度，減少后期維護費用。同時，嚴格按照邊坡形式選擇開挖支護技術，并進行逐步優化和完善，合理應用機械自動化技術，嚴格按照相關操作規程及質量控制標準組織施工，確保工程質量、進度、安全等各項指標達到預期要求，實現經濟效益和社會效益的同步發展。