道路高邊坡精確開挖施工控制技術

史鵬磊 劉 超 鐘 山

中國建筑第七工程局有限公司 河南 鄭州 450004

在道路邊坡工程中，各專家學者都很重視高邊坡開挖過程中安全性、邊坡開挖完成后穩定性的研究[1-4]。通常進行邊坡開挖的方法有單坡漸近法、準確橫斷面測量法等。這些方法雖然簡單快捷，但對于高邊坡放樣往往難以實施或達不到施工要求的準確度，而利用坐標斷面坡度線法雖可以達到要求[5-6]，但需要測量員不斷進行試坡點的測量和計算，增加了復核的時間。

同時，既有的高邊坡開挖施工存在邊坡上口線確定時未充分考慮實際地形、計算方法簡陋、施工效率低、施工過程中的質量控制主要依靠測量員在挖機作業半徑內進行復測、安全隱患大等不足。針對以上不足，本文以湖北襄陽中國有機谷二期道路高邊坡開挖為例，采用新技術、新工藝、新設備對以往施工方法進行改進。實施結果表明，該方法合理、有效，做到了精確開挖，為高邊坡精確開挖施工技術提供了一些建議。

1 工程概況

湖北襄陽中國有機谷二期道路沿線部分已進行了開挖，大部分未開挖到位，道路橫斷面寬度為7.0 m，道路沿線兩側分設雨水和污水排放系統。擬建線路場地地貌單元處于低丘坡麓地帶，出露地層上部為素填土、第四系全新統（Q4al）沖積的粉質黏土，下部為白堊系（K）強-中風化泥質細砂巖層。在擬建道路長度范圍內，山體呈北南走向，地勢起伏較大，高差為11～20 m，高程在123.51～142.51 m。在邊坡設計中采取坡率法，即從道路外邊偏移3 m，1∶1向上放坡開挖。

2 高邊坡上口線的確定

目前在邊坡開挖工程中，最繁瑣、最重要的工作就是根據現場實際地形和設計的邊坡坡度確定邊坡開挖的上口線。邊坡上口線確定的準確程度直接影響土方開挖成本及邊坡的安全和質量。現如今，施工單位大多根據現場地形圖等間距進行手工計算來確定邊坡上口線，從而完成深化設計，但工作量巨大，而且等間距進行計算時，部分地勢較緩或者高差較大的位置如果被忽略掉，則在施工時極易出現超挖和少挖現象。本工程使用南方Cass9.0軟件并根據現場實測地形圖計算邊坡上口線，采樣間距盡可能地小，確保和現場實際地形相符。

1）測繪工程師使用全站儀對場區進行地形測量，并繪制現場實際地形圖。

2）根據開挖前現場實測的地形數據，使用南方Cass9.0軟件對其進行邊坡土方開挖計算：在Cass9.0工程應用選項卡里選擇DTM法土方計算→根據坐標文件→選擇已經繪制好的道路及坡底開挖范圍→選擇實測的地形數據文件→在彈出的DTM土方計算參數設置對話框中填寫相應參數，并注意填寫邊坡設置參數（圖1）。

3）根據生成的dtmtf.log文件及邊坡開挖計算結果（圖2）繪制邊坡開挖上口線（圖3）。

圖1 DTM土方計算參數設置

圖2 邊坡開挖計算結果

圖3 繪制邊坡開挖上口線

4）根據繪制的邊坡開挖上口線，用Cass9.0提取坐標數據，使用全站儀進行測設。

3 施工方法的優化

本工程邊坡頂部至中部土質為粉質黏土，開挖難度較小。邊坡中部以下多為中風化泥質細砂巖，開挖難度較大。通常對于此類高邊坡開挖，多數施工單位采取坡頂挖機修坡、往下甩土，坡底挖機在側后方安全距離內往渣土車上裝土的方式進行施工。以往的施工方法施工效率較低，存在一定的安全隱患。

本工程通過對道橫斷面圖的分析，找到一個施工效率較高、安全系數大的施工方法。

3.1 分析道路橫斷面圖

使用南方Cass9.0軟件繪制道路斷面圖，并對待開挖山體部位的道路橫斷面圖進行分析。本文以該工程CK0＋200～CK0＋560道路橫斷面圖分析為例（圖4）。

圖4 道路斷面圖分析

圖4中的陰影區域為從道路外邊過來3 m后采取45°放坡需要開挖的土方，綜合CK0＋200～CK0＋560道路斷面圖可以看出，邊坡任何一個道路剖面需要開挖的地方都是上面較窄，下面較寬，中間寬度大致一樣（大都在8～10 m）。

3.2 邊坡開挖施工方法

通過對道路橫斷面圖及現場地質條件的分析，道路邊坡工程開挖采用分層分段、由上而下的順序進行，每開挖一層修一層平臺供挖機、渣土車安全作業。CK0＋240～CK0＋340段可以設計一條坡度約為10%，從坡底至邊坡中部供渣土車、挖掘機上下山坡的出土道路。挖掘機從CK0＋240由北向南、由下往上開挖一條寬6 m的單車道上坡路，行至邊坡中部（高程為130 m附近）位置時，挖機從山坡上口線往下一層一層開挖，邊開挖邊修一條貫穿南北、寬度為6 m的平臺，挖一層修一層（圖5）。

圖5 邊坡開挖示意

渣土車行進至10%上坡路段時，上坡車一定要讓下坡車先行，等山坡上邊平臺有空位時上坡車才可以上坡，安排專人負責車輛調度。

CK0＋391.116～CK0＋580路段的山體開挖時，挖機從CK0＋580路段開挖一條坡度為10%、寬度大于6 m的上坡行車路。采用同樣的方法，先在高程為130 m處修一條寬度大于6 m的平臺，分層開挖，開挖一層往下修一層平臺，直至在坡底挖機臂長可以觸及所修平臺為止。然后，挖機在坡腳從最后所修平臺處直接修坡至設計位置。

該施工方法克服了坡頂、坡底挖機上下同時作業，坡頂挖機只負責修坡、坡底挖機只負責裝土以及施工效率較低的缺點，確保了施工安全，節省了施工成本。

4 施工過程中的坡度控制

在高邊坡施工過程中，要及時檢查開挖面坡度。在每層開挖過程中，每隔5 m使用坡度測量儀指導挖機先做一個標準開挖面，然后參照該開挖面進行開挖。

每開挖完成一層，使用全站儀檢查成型的邊坡坡度，偏差過大的及時進行修整，控制好坡度，避免超挖、少挖的現象發生。

4.1 坡度測量尺優化

在開挖過程中，要及時使用坡度測量尺檢查開挖面坡度。而目前市場上的坡度測量尺或手持坡度測量儀長度太短，一次測量只能測得開挖坡面上某個點位的坡度，不適合高邊坡開挖的坡度測量。

挖機從上往下分層開挖，每層開挖高度約為2 m，為了在每層開挖時指導挖機做一個標準的45°開挖面，項目管理人員將坡度測量儀安裝在工程檢測尺上，制作了一個長度2 m的坡度測量尺（圖6）。

圖6 長2 m的坡度測量尺

4.2 自制單片機坡度測量儀

測量人員在挖機工作半徑內進行測量工作，存在極大的安全隱患。為了保證安全，項目部管理人員使用單片機技術實現了挖機實時檢測開挖坡度的功能。

該單片機坡度測量儀分2個模塊，即數據采集、處理和發送模塊以及數據接收和顯示模塊。

4.2.1 數據采集、處理和無線接口模塊

單片機IC芯片屬于STC89C52RC-40I-PDIP40直插型集成電路，數據采集使用ADXL345傳感器，數據的發送使用nRF24L01無線接口模塊。該模塊制作完成后需要安裝在挖機的挖斗外側面上，并與挖斗下口平行。為防止挖機工作時土石的碰撞，造成元器件的損壞，需要在元器件外側焊接防護裝置（圖7）。

圖7 數據采集、處理和無線接口模塊

4.2.2 數據顯示和無線接口模塊

數據顯示采用LCD1602顯示屏，可以直觀地顯示度數和字符，非常形象。數據的接收使用nRF24L01無線接口模塊（圖8）。

圖8 數據顯示和無線接口模塊

5 結語

在湖北襄陽中國有機谷二期道路高邊坡工程中，分別從使用南方Cass9.0軟件根據實際地形尋找邊坡上口線、結合地質勘察資料優化施工方法、在每臺挖機上安裝自制的單片機坡度測量儀以實時檢測開挖坡度等3個方面對以往施工方法進行了改進，從而保質保量地完成了項目履約，得到了監理、設計、業主等單位的一致好評。同時，上述技術對類似高邊坡工程施工都具有很好的參考價值。

此外，該技術中還有需要改進的地方。挖機上安裝的自制單片機坡度測量儀還比較簡陋，只能測量開挖面的坡度，減少測量員復核的工作量，但不能采集坐標數據，每開挖完一層還需要測量員使用全站儀或者GPS（RTK模式）進行坐標復測。想要徹底地解決該問題，可以在施工場區布置GPS測量基站，并在每個挖機上安裝GPS移動接收機，將挖機上GPS接收點的坐標與挖機大臂、挖斗之間進行數據轉換，最終得到開挖面坡度值及實測坐標。該問題的難點在于求解挖機上GPS接收點的坐標與挖機大臂、挖斗之間數據的轉換方程式。我們在做這方面的努力，希望早日求解到該方程。只有得到該轉換方程式，才能應用BIM、GIS等技術先建立開挖模型，挖機使用該方程得到開挖時實測坐標值，并與開挖模型進行數據對比，進而提示挖機超挖或者少挖。