公路路基工程施工安全管控技術(shù)及其應(yīng)用研究

臧業(yè)富

摘要：簡(jiǎn)述了公路路基工程安全管控現(xiàn)狀，詳細(xì)闡述了在USB定位技術(shù)和TODA定位算法、構(gòu)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(shù)，以新舊兩座互相分離的立交橋的建設(shè)和改造工程的道路工程施工為例，通過計(jì)算安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，驗(yàn)證了實(shí)施該公路路基工程施工安全管控技術(shù)提升了公路路基施工的安全性，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：公路路基工程；施工安全；管控技術(shù)；應(yīng)用研究

0? ?引言

近年來，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，公路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)模在不斷擴(kuò)大。為了更好、更快地完成各等級(jí)公路的建設(shè)，相關(guān)施工技術(shù)越來越智能化與自動(dòng)化。由于公路路基工程施工周期長(zhǎng)，受到天氣和環(huán)境的影響大，施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和施工機(jī)械多，帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)和各種安全事故不時(shí)發(fā)生。為此，研究公路路基工程施工過程中的安全監(jiān)測(cè)和管控技術(shù)十分重要。

1? ?公路路基工程安全管控現(xiàn)狀

在建筑行業(yè)，項(xiàng)目管理者越來越重視施工安全管控工作。文獻(xiàn)[1]作者吳先俊等人以水電工程施工現(xiàn)場(chǎng)過程管控為目標(biāo)，利用智能安全帽技術(shù)進(jìn)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(xiàn)[2]作者李英等人基于超寬帶技術(shù)的定位與存儲(chǔ)等功能，對(duì)施工用工器具安全進(jìn)行管控，避免了因施工用工器具使用不當(dāng)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(zhì)勘測(cè)、管線保護(hù)、地面拆遷、交通導(dǎo)改、設(shè)計(jì)變更等諸多因素，由此造成現(xiàn)有安全管控技術(shù)無法發(fā)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(shù)及其應(yīng)用研究，為確保公路路基安全施工提供改進(jìn)方案。

2? ?公路路基工程施工安全管控技術(shù)

2.1? ?USB定位技術(shù)和TODA定位算法

2.1.1? ?USB定位技術(shù)

公路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)的施工機(jī)械和作業(yè)人員處于復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化之中，為了保證施工安全，需要進(jìn)行安全管控。為了開展施工現(xiàn)場(chǎng)安全管控工作，需要實(shí)時(shí)采集施工現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械和作業(yè)人員等監(jiān)測(cè)信息[3]。在公路路基工程施工過程中，如果采用傳統(tǒng)的人工記錄數(shù)據(jù)等方法，不僅難以保障現(xiàn)場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)的收集效率，而且人工記錄產(chǎn)生的誤差無法確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此針對(duì)公路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)需求，本文采用USB定位技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械和作業(yè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)。

USB定位技術(shù)是一種覆蓋率較大且不易受阻的高精度定位技術(shù)。在施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過程中，需要在施工機(jī)械與施工人員上配備定位標(biāo)簽，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況布置相應(yīng)的定位基站，完成配置后即可通過USB定位技術(shù)來收集施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)信息。

一旦施工機(jī)械或者施工人員佩戴的定位標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，閱讀器就會(huì)被激活，讀取并傳輸定位標(biāo)簽攜帶的監(jiān)測(cè)信息并呈現(xiàn)在智能終端上，從而完成公路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(jié)合TODA定位算法對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)布置的各個(gè)定位基站進(jìn)行時(shí)間同步，簡(jiǎn)單來說就是通過施工機(jī)械或者作業(yè)人員上配備的定位標(biāo)簽與基站之間傳輸信號(hào)的時(shí)間差來確定標(biāo)簽位置，從而調(diào)節(jié)各基站時(shí)間同步。假設(shè)公路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)布置了個(gè)定位基站，其坐標(biāo)分別為，待定位標(biāo)簽與各基站之間距離差的計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中：Dm，ij表示公路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)定位標(biāo)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(biāo)簽m傳輸信號(hào)的時(shí)間；v表示信號(hào)傳輸速度。與此同時(shí)，公路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)待定位標(biāo)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(xiàn)場(chǎng)基站i和基站j的空間坐標(biāo)；（xm，ym，zm）表示公路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)待定位標(biāo)簽的空間坐標(biāo)。將公式（1）與公式（2）聯(lián)立，即可求出該空間坐標(biāo)的具體數(shù)值。

綜合上述可知，利用USB定位技術(shù)與TDOA算法獲取施工現(xiàn)場(chǎng)各定位標(biāo)簽攜帶的監(jiān)測(cè)信息，是實(shí)現(xiàn)公路路基工程施工安全管控的基礎(chǔ)步驟。

2.2? ?構(gòu)建施工安全管控模型

2.2.1? ?采用BIM技術(shù)建模

BIM（建筑信息模型）技術(shù)自引入我國(guó)以來經(jīng)歷了數(shù)年的發(fā)展，為我國(guó)建筑行業(yè)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(shù)來構(gòu)建施工安全管控模型[4]。在Autodesk Revit（建筑物外觀和內(nèi)部設(shè)計(jì)）軟件中建立公路路基工程采用BIM技術(shù)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(gè)公制常規(guī)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(shè)置一個(gè)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(zhǎng)度、路基寬度等尺寸標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)公路路基族的鎖定。最后，根據(jù)工程實(shí)際情況為模型賦予材質(zhì)、紋理等參數(shù)，以此生成公路路基工程的初始3D模型。

2.2.2? ?將BIM模型轉(zhuǎn)換為有限元模型

采用BIM技術(shù)建立3D模型，就是以該3D模型為載體，直觀呈現(xiàn)公路路基工程的信息，使其具有靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但是公路路基工程施工安全監(jiān)測(cè)是個(gè)復(fù)雜的過程，BIM模型雖然集成了豐富的數(shù)據(jù)信息并可隨時(shí)查詢其所有信息，但無法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地把握現(xiàn)場(chǎng)施工過程。因此，為協(xié)助公路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)施工安全問題進(jìn)行管控，需要將公路路基工程的BIM模型轉(zhuǎn)換為有限元模型[5]。

當(dāng)前我國(guó)公路路基工程涉及了土力學(xué)、巖石力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，很難通過傳統(tǒng)方法進(jìn)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(lǐng)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(jié)合公路路基工程的實(shí)際特點(diǎn)，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(zhì)的土體。假定路基工程的材料為理想塑性，依據(jù)土體的摩擦與壓剪試驗(yàn)，即可確定庫倫模型破壞準(zhǔn)則，其表達(dá)式如下：

（3）

式（3）中：τ表示公路路基工程模型材料的剪應(yīng)力；σ表示公路路基工程模型材料的抗拉強(qiáng)度；φ表示公路路基工程材模型材料的內(nèi)摩擦角；c表示公路路基工程模型材料的內(nèi)聚力。

如果將公路路基模型當(dāng)作一個(gè)整體，就可以通過式（3）所示庫倫模型破壞準(zhǔn)則來確定模型材料的彈性切變模量，表達(dá)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(yīng)變。所求彈性切變模量F可以表征為模型材料抵抗切應(yīng)變的能力。在Midas GTS/NX軟件中將BIM模型轉(zhuǎn)換為庫倫模型后，再結(jié)合公路路基工程的實(shí)際情況為庫倫模型設(shè)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(bǔ)BIM模型在關(guān)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(shí)現(xiàn)可視化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)。通過將有限元模型與施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，可以對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)存在的問題并加以解決，從而實(shí)現(xiàn)公路路基工程施工安全的管控。

3? ?實(shí)例應(yīng)用

3.1? ?工程概況

跨越濱洲鐵路的高臺(tái)子立交橋及其道路的路基、路面等多項(xiàng)指標(biāo)不能滿足公路要求，經(jīng)有關(guān)部門研究，決定在高臺(tái)子立交橋的左側(cè)建造一座新的高臺(tái)子立交橋及其道路，并優(yōu)化原有高臺(tái)子立交橋及其道路，原有高臺(tái)子立交橋與新建高臺(tái)子立交橋及其道路形成上、下行分離式道路交通。兩座高臺(tái)子立交及其道路的寬度為12m，設(shè)計(jì)時(shí)速為40km。

該工程包括新舊兩座互相分離的立交橋的建設(shè)和改造，尤其是與其連接的道路路基工程施工比較復(fù)雜，涉及眾多工種同步作業(yè)，造成施工過程中多作業(yè)層交叉施工，給該道路路基工程帶來了許多不可預(yù)測(cè)的安全問題和風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管控工作至關(guān)重要。

3.2? ?應(yīng)用效果

3.2.1? ?計(jì)算安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)

現(xiàn)以該橋梁改造工程的道路路基工程為例，對(duì)本文設(shè)計(jì)的可視化與信息化的施工安全管控技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。由于施工安全管控結(jié)果是一個(gè)定性指標(biāo)，難以直接深化且準(zhǔn)確地分析出施工安全管控技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，因此通過對(duì)管控前、后的公路路基工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，進(jìn)而直觀顯示該工程的安全管控效果。

結(jié)合該路基工程的實(shí)際情況，引入等風(fēng)險(xiǎn)圖方法對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。簡(jiǎn)單來說就是綜合考慮施工中發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率與發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的后果這2個(gè)因素，從而求出一個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

（5）

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

3.2.2? ?評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

在所求取不同數(shù)值時(shí)繪制曲線，即可獲得公路路基工程等風(fēng)險(xiǎn)，如圖1所示。

如圖1所示，本文在進(jìn)行公路路基工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，將其劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)以及高風(fēng)險(xiǎn)這3個(gè)等級(jí)。根據(jù)等風(fēng)險(xiǎn)圖，結(jié)合該路基工程具體情況，確定施工安全管控前后的風(fēng)險(xiǎn)概率與不良后果的非效用值，如表1所示。

將表1所示的數(shù)據(jù)代入式（5）可知，在安全管控之前，該路基工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.8947，對(duì)照等風(fēng)險(xiǎn)圖，該工程處于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。在采用本文設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行安全管控后，該路基工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.1816，對(duì)照等風(fēng)險(xiǎn)圖，該工程處于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

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(shù)是有效的，可以降低安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，避免了施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生墜落、坍塌等事故，提升了公路路基施工的安全性，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)技術(shù)在實(shí)例公路路基工程施工安全管控中的良好應(yīng)用效果。

4? ?結(jié)束語

當(dāng)前，我國(guó)公路路基工程具有施工難度大、建設(shè)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，在整個(gè)施工過程中存在很多風(fēng)險(xiǎn)因素，極易出現(xiàn)安全事故。為確保公路路基工程的施工安全，本文設(shè)計(jì)了基于BIM技術(shù)的施工安全管控技術(shù)，引入了BIM技術(shù)構(gòu)建了可視化的施工安全管控模型，通過工程實(shí)例驗(yàn)證了該施工安全管控技術(shù)的可行性和可靠性。為了提升安全管控的自動(dòng)化水平，未來將進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)安全管控技術(shù)。

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