道路高边坡精确开挖施工控制技术

史鹏磊 刘 超 钟 山

中国建筑第七工程局有限公司 河南 郑州 450004

在道路边坡工程中，各专家学者都很重视高边坡开挖过程中安全性、边坡开挖完成后稳定性的研究[1-4]。通常进行边坡开挖的方法有单坡渐近法、准确横断面测量法等。这些方法虽然简单快捷，但对于高边坡放样往往难以实施或达不到施工要求的准确度，而利用坐标断面坡度线法虽可以达到要求[5-6]，但需要测量员不断进行试坡点的测量和计算，增加了复核的时间。

同时，既有的高边坡开挖施工存在边坡上口线确定时未充分考虑实际地形、计算方法简陋、施工效率低、施工过程中的质量控制主要依靠测量员在挖机作业半径内进行复测、安全隐患大等不足。针对以上不足，本文以湖北襄阳中国有机谷二期道路高边坡开挖为例，采用新技术、新工艺、新设备对以往施工方法进行改进。实施结果表明，该方法合理、有效，做到了精确开挖，为高边坡精确开挖施工技术提供了一些建议。

1 工程概况

湖北襄阳中国有机谷二期道路沿线部分已进行了开挖，大部分未开挖到位，道路横断面宽度为7.0 m，道路沿线两侧分设雨水和污水排放系统。拟建线路场地地貌单元处于低丘坡麓地带，出露地层上部为素填土、第四系全新统（Q4al）冲积的粉质黏土，下部为白垩系（K）强-中风化泥质细砂岩层。在拟建道路长度范围内，山体呈北南走向，地势起伏较大，高差为11～20 m，高程在123.51～142.51 m。在边坡设计中采取坡率法，即从道路外边偏移3 m，1∶1向上放坡开挖。

2 高边坡上口线的确定

目前在边坡开挖工程中，最繁琐、最重要的工作就是根据现场实际地形和设计的边坡坡度确定边坡开挖的上口线。边坡上口线确定的准确程度直接影响土方开挖成本及边坡的安全和质量。现如今，施工单位大多根据现场地形图等间距进行手工计算来确定边坡上口线，从而完成深化设计，但工作量巨大，而且等间距进行计算时，部分地势较缓或者高差较大的位置如果被忽略掉，则在施工时极易出现超挖和少挖现象。本工程使用南方Cass9.0软件并根据现场实测地形图计算边坡上口线，采样间距尽可能地小，确保和现场实际地形相符。

1）测绘工程师使用全站仪对场区进行地形测量，并绘制现场实际地形图。

2）根据开挖前现场实测的地形数据，使用南方Cass9.0软件对其进行边坡土方开挖计算：在Cass9.0工程应用选项卡里选择DTM法土方计算→根据坐标文件→选择已经绘制好的道路及坡底开挖范围→选择实测的地形数据文件→在弹出的DTM土方计算参数设置对话框中填写相应参数，并注意填写边坡设置参数（图1）。

3）根据生成的dtmtf.log文件及边坡开挖计算结果（图2）绘制边坡开挖上口线（图3）。

图1 DTM土方计算参数设置

图2 边坡开挖计算结果

图3 绘制边坡开挖上口线

4）根据绘制的边坡开挖上口线，用Cass9.0提取坐标数据，使用全站仪进行测设。

3 施工方法的优化

本工程边坡顶部至中部土质为粉质黏土，开挖难度较小。边坡中部以下多为中风化泥质细砂岩，开挖难度较大。通常对于此类高边坡开挖，多数施工单位采取坡顶挖机修坡、往下甩土，坡底挖机在侧后方安全距离内往渣土车上装土的方式进行施工。以往的施工方法施工效率较低，存在一定的安全隐患。

本工程通过对道横断面图的分析，找到一个施工效率较高、安全系数大的施工方法。

3.1 分析道路横断面图

使用南方Cass9.0软件绘制道路断面图，并对待开挖山体部位的道路横断面图进行分析。本文以该工程CK0＋200～CK0＋560道路横断面图分析为例（图4）。

图4 道路断面图分析

图4中的阴影区域为从道路外边过来3 m后采取45°放坡需要开挖的土方，综合CK0＋200～CK0＋560道路断面图可以看出，边坡任何一个道路剖面需要开挖的地方都是上面较窄，下面较宽，中间宽度大致一样（大都在8～10 m）。

3.2 边坡开挖施工方法

通过对道路横断面图及现场地质条件的分析，道路边坡工程开挖采用分层分段、由上而下的顺序进行，每开挖一层修一层平台供挖机、渣土车安全作业。CK0＋240～CK0＋340段可以设计一条坡度约为10%，从坡底至边坡中部供渣土车、挖掘机上下山坡的出土道路。挖掘机从CK0＋240由北向南、由下往上开挖一条宽6 m的单车道上坡路，行至边坡中部（高程为130 m附近）位置时，挖机从山坡上口线往下一层一层开挖，边开挖边修一条贯穿南北、宽度为6 m的平台，挖一层修一层（图5）。

图5 边坡开挖示意

渣土车行进至10%上坡路段时，上坡车一定要让下坡车先行，等山坡上边平台有空位时上坡车才可以上坡，安排专人负责车辆调度。

CK0＋391.116～CK0＋580路段的山体开挖时，挖机从CK0＋580路段开挖一条坡度为10%、宽度大于6 m的上坡行车路。采用同样的方法，先在高程为130 m处修一条宽度大于6 m的平台，分层开挖，开挖一层往下修一层平台，直至在坡底挖机臂长可以触及所修平台为止。然后，挖机在坡脚从最后所修平台处直接修坡至设计位置。

该施工方法克服了坡顶、坡底挖机上下同时作业，坡顶挖机只负责修坡、坡底挖机只负责装土以及施工效率较低的缺点，确保了施工安全，节省了施工成本。

4 施工过程中的坡度控制

在高边坡施工过程中，要及时检查开挖面坡度。在每层开挖过程中，每隔5 m使用坡度测量仪指导挖机先做一个标准开挖面，然后参照该开挖面进行开挖。

每开挖完成一层，使用全站仪检查成型的边坡坡度，偏差过大的及时进行修整，控制好坡度，避免超挖、少挖的现象发生。

4.1 坡度测量尺优化

在开挖过程中，要及时使用坡度测量尺检查开挖面坡度。而目前市场上的坡度测量尺或手持坡度测量仪长度太短，一次测量只能测得开挖坡面上某个点位的坡度，不适合高边坡开挖的坡度测量。

挖机从上往下分层开挖，每层开挖高度约为2 m，为了在每层开挖时指导挖机做一个标准的45°开挖面，项目管理人员将坡度测量仪安装在工程检测尺上，制作了一个长度2 m的坡度测量尺（图6）。

图6 长2 m的坡度测量尺

4.2 自制单片机坡度测量仪

测量人员在挖机工作半径内进行测量工作，存在极大的安全隐患。为了保证安全，项目部管理人员使用单片机技术实现了挖机实时检测开挖坡度的功能。

该单片机坡度测量仪分2个模块，即数据采集、处理和发送模块以及数据接收和显示模块。

4.2.1 数据采集、处理和无线接口模块

单片机IC芯片属于STC89C52RC-40I-PDIP40直插型集成电路，数据采集使用ADXL345传感器，数据的发送使用nRF24L01无线接口模块。该模块制作完成后需要安装在挖机的挖斗外侧面上，并与挖斗下口平行。为防止挖机工作时土石的碰撞，造成元器件的损坏，需要在元器件外侧焊接防护装置（图7）。

图7 数据采集、处理和无线接口模块

4.2.2 数据显示和无线接口模块

数据显示采用LCD1602显示屏，可以直观地显示度数和字符，非常形象。数据的接收使用nRF24L01无线接口模块（图8）。

图8 数据显示和无线接口模块

5 结语

在湖北襄阳中国有机谷二期道路高边坡工程中，分别从使用南方Cass9.0软件根据实际地形寻找边坡上口线、结合地质勘察资料优化施工方法、在每台挖机上安装自制的单片机坡度测量仪以实时检测开挖坡度等3个方面对以往施工方法进行了改进，从而保质保量地完成了项目履约，得到了监理、设计、业主等单位的一致好评。同时，上述技术对类似高边坡工程施工都具有很好的参考价值。

此外，该技术中还有需要改进的地方。挖机上安装的自制单片机坡度测量仪还比较简陋，只能测量开挖面的坡度，减少测量员复核的工作量，但不能采集坐标数据，每开挖完一层还需要测量员使用全站仪或者GPS（RTK模式）进行坐标复测。想要彻底地解决该问题，可以在施工场区布置GPS测量基站，并在每个挖机上安装GPS移动接收机，将挖机上GPS接收点的坐标与挖机大臂、挖斗之间进行数据转换，最终得到开挖面坡度值及实测坐标。该问题的难点在于求解挖机上GPS接收点的坐标与挖机大臂、挖斗之间数据的转换方程式。我们在做这方面的努力，希望早日求解到该方程。只有得到该转换方程式，才能应用BIM、GIS等技术先建立开挖模型，挖机使用该方程得到开挖时实测坐标值，并与开挖模型进行数据对比，进而提示挖机超挖或者少挖。