公路路基工程施工安全管控技術及其應用研究

臧業富

摘要：簡述了公路路基工程安全管控現狀，詳細闡述了在USB定位技術和TODA定位算法、構建施工安全管控模型等方面的公路路基工程施工安全管控技術，以新舊兩座互相分離的立交橋的建設和改造工程的道路工程施工為例，通過計算安全風險系數和評價風險等級，驗證了實施該公路路基工程施工安全管控技術提升了公路路基施工的安全性，應用效果良好。

關鍵詞：公路路基工程；施工安全；管控技術；應用研究

0? ?引言

近年來，隨著我國城市化進程的不斷發展，公路網運營規模在不斷擴大。為了更好、更快地完成各等級公路的建設，相關施工技術越來越智能化與自動化。由于公路路基工程施工周期長，受到天氣和環境的影響大，施工現場作業人員和施工機械多，帶來的安全風險和各種安全事故不時發生。為此，研究公路路基工程施工過程中的安全監測和管控技術十分重要。

1? ?公路路基工程安全管控現狀

在建筑行業，項目管理者越來越重視施工安全管控工作。文獻[1]作者吳先俊等人以水電工程施工現場過程管控為目標，利用智能安全帽技術進行施工安全管控，可以將工程安全隱患排查覆蓋率提升至100%；文獻[2]作者李英等人基于超寬帶技術的定位與存儲等功能，對施工用工器具安全進行管控，避免了因施工用工器具使用不當造成安全隱患。

然而，公路路基工程不僅涉及路基土方施工，還涉及地質勘測、管線保護、地面拆遷、交通導改、設計變更等諸多因素，由此造成現有安全管控技術無法發揮出比較理想的效果。鑒于此，本文研究公路路基工程施工安全管控技術及其應用研究，為確保公路路基安全施工提供改進方案。

2? ?公路路基工程施工安全管控技術

2.1? ?USB定位技術和TODA定位算法

2.1.1? ?USB定位技術

公路路基工程施工現場的施工機械和作業人員處于復雜的動態變化之中，為了保證施工安全，需要進行安全管控。為了開展施工現場安全管控工作，需要實時采集施工現場施工機械和作業人員等監測信息[3]。在公路路基工程施工過程中，如果采用傳統的人工記錄數據等方法，不僅難以保障現場信息監測的收集效率，而且人工記錄產生的誤差無法確保數據的準確性。因此針對公路路基工程施工現場的監測需求，本文采用USB定位技術對施工現場施工機械和作業人員進行實時跟蹤監測。

USB定位技術是一種覆蓋率較大且不易受阻的高精度定位技術。在施工現場監測過程中，需要在施工機械與施工人員上配備定位標簽，再結合現場情況布置相應的定位基站，完成配置后即可通過USB定位技術來收集施工現場的監測信息。

一旦施工機械或者施工人員佩戴的定位標簽進入閱讀器的監測范圍內，閱讀器就會被激活，讀取并傳輸定位標簽攜帶的監測信息并呈現在智能終端上，從而完成公路路基工程施工現場監測信息的收集。

2.1.2? ?TODA定位算法

為確保USB定位信息的精度和保密性，需要結合TODA定位算法對施工現場布置的各個定位基站進行時間同步，簡單來說就是通過施工機械或者作業人員上配備的定位標簽與基站之間傳輸信號的時間差來確定標簽位置，從而調節各基站時間同步。假設公路路基工程施工現場布置了個定位基站，其坐標分別為，待定位標簽與各基站之間距離差的計算公式如下：

（1）

式（1）中：Dm，ij表示公路路基工程施工現場定位標簽m與基站i和基站j之間的距離差；ti、tj分別表示基站i和基站j接收定位標簽m傳輸信號的時間；v表示信號傳輸速度。與此同時，公路路基工程施工現場待定位標簽與各基站之間距離差還需滿足以下公式：

（2）

式（2）中：（xi，yi，zi）、（xj，yj，zj）分別表示公路路基工程施工現場基站i和基站j的空間坐標；（xm，ym，zm）表示公路路基工程施工現場待定位標簽的空間坐標。將公式（1）與公式（2）聯立，即可求出該空間坐標的具體數值。

綜合上述可知，利用USB定位技術與TDOA算法獲取施工現場各定位標簽攜帶的監測信息，是實現公路路基工程施工安全管控的基礎步驟。

2.2? ?構建施工安全管控模型

2.2.1? ?采用BIM技術建模

BIM（建筑信息模型）技術自引入我國以來經歷了數年的發展，為我國建筑行業帶來了巨大的變革。為了提升公路路基工程施工安全管控的信息化水平，本文采用BIM技術來構建施工安全管控模型[4]。在Autodesk Revit（建筑物外觀和內部設計）軟件中建立公路路基工程采用BIM技術的3D模型，其具體步驟如下：

首先，在Autodesk Revit軟件的族單元中新建一個公制常規模型的族樣板。其次，在新建的族樣板中開始建立公路路基工程的3D模型。其方法是：在族樣板中設置一個合理的水平參照平面，在平面上通過拉伸的方式建立公路路基的外形輪廓，再利用注釋命令為模型添加路基長度、路基寬度等尺寸標注，實現公路路基族的鎖定。最后，根據工程實際情況為模型賦予材質、紋理等參數，以此生成公路路基工程的初始3D模型。

2.2.2? ?將BIM模型轉換為有限元模型

采用BIM技術建立3D模型，就是以該3D模型為載體，直觀呈現公路路基工程的信息，使其具有靈活的數據結構。但是公路路基工程施工安全監測是個復雜的過程，BIM模型雖然集成了豐富的數據信息并可隨時查詢其所有信息，但無法實時、準確地把握現場施工過程。因此，為協助公路路基工程施工現場對施工安全問題進行管控，需要將公路路基工程的BIM模型轉換為有限元模型[5]。

當前我國公路路基工程涉及了土力學、巖石力學等多個學科，很難通過傳統方法進行BIM模型與有限元模型的有效銜接。因此采用Midas GTS/NX（巖土領域通用有限元分析）軟件生成公路路基工程的有限元模型。

Midas GTS/NX軟件中存在較多版本的模型，結合公路路基工程的實際特點，本文主要采用了莫爾-庫倫模型。莫爾-庫倫模型主要用于分析公路路基工程中淤泥、砂土等性質的土體。假定路基工程的材料為理想塑性，依據土體的摩擦與壓剪試驗，即可確定庫倫模型破壞準則，其表達式如下：

（3）

式（3）中：τ表示公路路基工程模型材料的剪應力；σ表示公路路基工程模型材料的抗拉強度；φ表示公路路基工程材模型材料的內摩擦角；c表示公路路基工程模型材料的內聚力。

如果將公路路基模型當作一個整體，就可以通過式（3）所示庫倫模型破壞準則來確定模型材料的彈性切變模量，表達式如下：

（4）

式（4）中：F表示公路路基工程模型材料的彈性切變模量；ν表示剪應變。所求彈性切變模量F可以表征為模型材料抵抗切應變的能力。在Midas GTS/NX軟件中將BIM模型轉換為庫倫模型后，再結合公路路基工程的實際情況為庫倫模型設置荷載與邊界條件，即可生成公路路基工程的有限元模型。

有限元模型可以彌補BIM模型在關鍵部位變形等方面的不足，從而在公路路基工程施工階段實現可視化實時動態監測施工現場。通過將有限元模型與施工現場監測相結合，可以對整個施工過程進行模擬，進而及時發現施工現場存在的問題并加以解決，從而實現公路路基工程施工安全的管控。

3? ?實例應用

3.1? ?工程概況

跨越濱洲鐵路的高臺子立交橋及其道路的路基、路面等多項指標不能滿足公路要求，經有關部門研究，決定在高臺子立交橋的左側建造一座新的高臺子立交橋及其道路，并優化原有高臺子立交橋及其道路，原有高臺子立交橋與新建高臺子立交橋及其道路形成上、下行分離式道路交通。兩座高臺子立交及其道路的寬度為12m，設計時速為40km。

該工程包括新舊兩座互相分離的立交橋的建設和改造，尤其是與其連接的道路路基工程施工比較復雜，涉及眾多工種同步作業，造成施工過程中多作業層交叉施工，給該道路路基工程帶來了許多不可預測的安全問題和風險，因此對施工現場的安全管控工作至關重要。

3.2? ?應用效果

3.2.1? ?計算安全風險系數

現以該橋梁改造工程的道路路基工程為例，對本文設計的可視化與信息化的施工安全管控技術的應用效果進行驗證。由于施工安全管控結果是一個定性指標，難以直接深化且準確地分析出施工安全管控技術的實際應用效果，因此通過對管控前、后的公路路基工程施工安全風險進行定量評價，進而直觀顯示該工程的安全管控效果。

結合該路基工程的實際情況，引入等風險圖方法對施工安全風險進行評價。簡單來說就是綜合考慮施工中發生風險的概率與發生風險的后果這2個因素，從而求出一個安全風險系數作為評價指標，其計算公式如下：

（5）

式（5）中：η表示公路路基工程施工安全風險系數，取值范圍為[0，1]；P表示公路路基工程發生風險的概率；Z表示公路路基工程發生風險后果的非效用值。

3.2.2? ?評價風險等級

在所求取不同數值時繪制曲線，即可獲得公路路基工程等風險，如圖1所示。

如圖1所示，本文在進行公路路基工程施工安全風險評價時，將其劃分為低風險、中風險以及高風險這3個等級。根據等風險圖，結合該路基工程具體情況，確定施工安全管控前后的風險概率與不良后果的非效用值，如表1所示。

將表1所示的數據代入式（5）可知，在安全管控之前，該路基工程施工安全風險系數為0.8947，對照等風險圖，該工程處于高風險等級。在采用本文設計技術進行安全管控后，該路基工程施工安全風險系數為0.1816，對照等風險圖，該工程處于低風險等級。

由此可以說明，本文研究的公路路基工程施工安全管控技術是有效的，可以降低安全風險等級，避免了施工現場發生墜落、坍塌等事故，提升了公路路基施工的安全性，進一步驗證了設計技術在實例公路路基工程施工安全管控中的良好應用效果。

4? ?結束語

當前，我國公路路基工程具有施工難度大、建設周期長等特點，在整個施工過程中存在很多風險因素，極易出現安全事故。為確保公路路基工程的施工安全，本文設計了基于BIM技術的施工安全管控技術，引入了BIM技術構建了可視化的施工安全管控模型，通過工程實例驗證了該施工安全管控技術的可行性和可靠性。為了提升安全管控的自動化水平，未來將進一步開發相關安全管控技術。

參考文獻

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[3] 謝亮，劉占省，羅維成，等.亞運會水上運動中心智能建造

技術及其在施工管理中的應用[J].建筑技術，2021，52（6）：

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[4] 張子龍.基于BIM的高層建筑施工安全風險管控關鍵技術

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[5] 曹旭梅，楊杰，鄒艷春，等.基于BIM+IoT的某航道工程

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