高边坡开挖与支护技术的应用

高边坡开挖与支护技术的应用

祁朝阵

中国葛洲坝集团第二工程有限公司     610031

摘要：高边坡开挖与支护技术是现代工程建设中的一项关键技术，尤其在山地、丘陵等复杂地形的公路、铁路、矿山以及水利等工程中，其重要性不言而喻。这种技术不仅涉及工程的安全性，也直接影响到工程的进度和成本。近年来，随着科技的进步，高边坡开挖与支护技术也在不断创新和发展，其在保障工程安全、提高施工效率、保护环境等方面发挥着重要作用，其发展趋势将更加注重技术的智能化、绿色化和个性化，以实现人与自然的和谐共生。

关键词：高边坡；开挖支护技术；应用

1.高边坡开挖与支护技术概述

1.1.高边坡工程的定义与重要性

高边坡工程是指在地质条件复杂、地形陡峭的地区进行的土石方开挖与构筑物建设，通常涉及公路、铁路、矿山开采以及大型基础设施建设。这一领域的重要性不容忽视，因为它直接影响到工程的安全性、经济性和环境影响。例如，在中国西部的山区公路建设中，高边坡工程极为常见，有效地处理高边坡对于确保交通线路的稳定运行至关重要。同时，如三峡大坝等大型水利工程的实施，高边坡的稳定直接关系到工程的成败和周边居民的生命财产安全。因此，高边坡工程不仅是工程技术的挑战，也是实现可持续发展的重要环节，需要我们在设计和施工中充分考虑其长期影响和风险防控。

1.2.开挖与支护技术的发展历程

高边坡开挖与支护技术的发展历程可以追溯到古代的土木工程，如中国的长城建设中就已显现了对边坡稳定性的初步认识和处理。随着工业革命的推进，20世纪初，人们开始采用更科学的方法，如瑞典的“瑞典法”进行边坡开挖，强调分层、分块和及时支护。20世纪中叶，随着地下工程的增多，如隧道和矿井的建设，动态监测和预应力锚固技术得到广泛应用，标志着支护技术的显著进步。进入21世纪，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟如有限元法在边坡稳定性分析中扮演了重要角色，使得设计更加精确和个性化。同时，新型材料和结构如复合土工膜、预应力锚索的使用，极大地提高了支护效果和施工效率。近年来，随着环保意识的提升，绿色开挖和生态修复技术也逐渐成为研究热点，力求在确保工程安全的同时，减少对环境的影响。例如，2008年汶川地震后，大量的道路和山体修复工程中，就采用了先进的边坡支护技术，如动态设计和实时监测，有效防止了次生灾害的发生。这充分展示了开挖与支护技术在应对极端环境挑战和保障公共安全方面的巨大潜力。未来，随着大数据和人工智能的融入，我们有理由相信，高边坡开挖与支护技术将更加智能化、绿色化，为全球的基础设施建设和环境保护提供更有力的支持。

2.高边坡开挖技术

2.1.开挖方法的选择标准

在高边坡开挖过程中，选择合适的开挖方法至关重要。开挖方法的选择标准通常包括地质条件、工程规模、工期要求、环境保护、经济效益等多个方面。例如，对于地质条件稳定、岩石强度较高的边坡，可能会选择分层钻爆法或机械切割法，这些方法能有效确保开挖效率和施工安全。而在地下水位较高或土质松软的地区，可能需要采用降水开挖或支护结合开挖的方式，以防止边坡失稳和地下水影响。此外，考虑到工程的经济性，大型基础设施项目可能倾向于采用机械化程度高、速度快但投资大的开挖方案，而小型或复杂地形的工程则可能需要更灵活、成本效益更高的方法。在实际操作中，如三峡大坝建设中就根据复杂的地质条件采用了多种开挖技术，充分体现了根据标准灵活选择的重要性。

2.2.常用开挖方法

在高边坡开挖过程中，常用的方法包括分层开挖、爆破开挖、机械开挖和深孔钻爆法等。分层开挖遵循“从上至下，分层进行”的原则，有效控制边坡稳定性，如在修建高速公路时，会根据边坡岩土性质设定合理的开挖深度和宽度。爆破开挖则利用炸药能量破碎岩石，但需精确计算炸药量和布设方式，以防止过度震动导致边坡失稳。例如，三峡大坝建设中，就采用了精确控制的爆破技术。机械开挖如使用挖掘机和装载机，适用于土质或软岩边坡，效率高但对机械操作要求严格。深孔钻爆法在大型矿山和基础设施建设中常见，通过深孔钻孔放置炸药，实现大块石的破碎，对边坡形状控制有较高精度，如在港珠澳大桥的海底隧道开挖中就应用了此方法。在选择开挖方法时，需结合工程规模、地质条件、工期要求和环保因素综合考虑，确保开挖过程的安全和经济性。

2.3.开挖过程中的安全控制措施

在高边坡开挖过程中，安全控制措施是确保工程顺利进行和人员安全的关键环节。这包括对开挖顺序的科学规划，如采用分层、分块或混合开挖方式，以减小边坡的不稳定风险。例如，在三峡大坝的建设中，采用了严格的分层开挖，并实时监测边坡的稳定性，有效防止了大规模滑坡事故的发生。此外，实施合理的降水控制和地下水位管理也是防止边坡失稳的重要措施，如在必要时设置排水系统，防止地下水活动对边坡稳定性造成影响。

同时，应结合边坡稳定性分析模型，如Mohr-Coulomb破坏准则或Janbu简化方法，预测开挖可能引发的应力重分布和潜在滑移面，提前采取加固措施。在设计阶段，应充分考虑环境因素和地质条件，制定出针对性的安全控制方案。例如，对于存在软弱夹层或高地下水位的边坡，可能需要采用预应力锚索、挡土墙等主动或被动支护结构，以增强边坡的稳定性。施工过程中，应严格执行安全操作规程，如设置安全警戒区，限制非作业人员接近开挖区域。此外，定期进行边坡安全检查和监测，如利用GPS、倾斜仪等现代监测技术实时获取边坡的变形信息，一旦发现异常，立即采取应急措施。

3.高边坡支护技术

3.1.支护技术的基本原理

支护技术是高边坡工程中不可或缺的一部分，其基本原理主要涉及力学平衡、稳定性分析以及结构工程的理论。在设计高边坡支护方案时，工程师需要考虑边坡的地质条件、荷载分布、地下水影响以及环境因素等多方面内容。例如，通过使用挡土墙、锚杆、土钉墙等结构，可以有效地分散和传递高边坡上的荷载，确保边坡的稳定性。在一些极端案例中，如三峡大坝周边的高边坡工程，就采用了复杂的支护系统，结合了多种支护结构，以抵御巨大的水压力和地质应力。此外，支护技术还涉及对边坡的动态监测和反馈调整。利用现代的传感器技术和数据分析模型，可以实时监测边坡的微小变形，预测可能的失稳趋势。例如，通过安装应变传感器和位移监测器，可以及时获取数据并输入到有限元分析模型中，以评估边坡的安全状态。

3.2.主要支护结构类型

高边坡支护技术中，主要的支护结构类型包括挡土墙、锚杆支护、喷射混凝土护面、土工织物及土工格栅等。挡土墙作为传统的支护形式，通过其自重和结构设计来抵抗土体侧压力，如在三峡大坝的边坡稳定中就发挥了重要作用。锚杆支护则利用深层土壤的承载力，通过预应力锚固提供稳定，它在地铁隧道和矿山开采中的应用日益广泛，有效减少了开挖对周边环境的影响。喷射混凝土护面则通过形成连续的护面层，增强边坡的整体性，防止风化和侵蚀，如在高速公路边坡防护中常见。此外，土工织物和土工格栅常用于软弱地基的加固，它们能改善土壤的力学性能，提高边坡的稳定性，如在一些大型基础设施建设中，这些新材料的应用显著提高了工程的经济效益和环保性能。

3.3.支护设计与施工中的关键因素

在高边坡支护设计与施工中，关键因素的考虑至关重要。首先，地质条件是设计的基础，需要详细调查边坡的岩土类型、结构面、地下水位等因素，如在三峡大坝的边坡工程中，地质勘查的精确性直接影响了支护方案的制定。其次，稳定性分析是设计的核心，通常采用极限平衡法、有限元分析等方法预测边坡在开挖后的稳定性，以确保安全系数满足设计要求。再者，支护结构的选择和布置需结合工程实际，如香港地铁某站点的施工中，采用了锚杆－挡土墙组合系统，有效抵抗了开挖侧向土压力此外，施工过程中的监测与调整不容忽视，实时监测数据有助于及时发现并处理潜在的不稳定状况。这些关键因素的综合考虑和精细处理，是确保高边坡支护效果和工程安全的关键所在。

4.高边坡开挖与支护的法规与管理

4.1.相关法律法规与标准

在高边坡开挖与支护过程中，遵循相关法律法规与标准至关重要。例如，我国的《建设工程安全生产管理条例》明确规定，施工单位必须制定安全施工方案，确保工程安全。在实际操作中，这可能涉及到对地质勘查报告的严格审查，以确定适当的开挖方法和支护结构。同时，参照《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013），工程设计应考虑边坡稳定性分析，以防止滑坡、崩塌等灾害。此外，施工过程中应设置监测系统，实时监测边坡的位移、变形，一旦发现异常，立即启动应急预案，确保人员安全和工程稳定。

以某大型基础设施项目为例，该项目在高边坡施工中，严格按照《公路工程地质勘察规范》（JTJ061-93）进行，确保了地质资料的准确性。同时，采用国际认可的有限元分析软件（如Plaxis或ABAQUS）进行稳定性分析，预测并控制了潜在的边坡风险。在施工过程中，项目团队还建立了基于物联网的监测系统，实时传输数据，确保了在法规要求的安全范围内进行作业。这样的做法不仅保障了工程的安全，也为行业树立了合规操作的典范。在法规与标准的执行上，还需要强化监管，提高违法成本。政府应定期开展专项检查，对违反规定的行为进行严厉处罚，同时，鼓励企业通过培训提升员工的法规意识，形成良好的行业自律氛围。例如，可以借鉴“安全生产标准化”体系，对企业的安全管理水平进行评级，以此推动整个行业的规范化和专业化发展。

4.2.工程风险管理与应急预案

在高边坡开挖与支护过程中，工程风险管理与应急预案的制定至关重要。风险管理旨在识别、评估和控制可能导致边坡失稳、结构破坏或人员伤亡的风险因素。例如，通过地质勘查和力学分析，可以预测开挖可能引发的滑坡概率，参照历史数据，如过去类似工程的事故率，来量化风险等级。同时，应采用定量风险评估工具，如概率-影响矩阵，以科学方式决定风险管理的优先级。

应急预案的编制是风险管理的重要组成部分，它要求在事故发生前制定详细的操作指南。这包括紧急撤离路线的设定，应急救援队伍的培训，以及与当地应急服务机构的协调机制。例如，2018年某山区公路工程中，通过预先制定的应急预案，成功在边坡滑动预警发出后快速疏散了现场人员，避免了重大人员伤亡。这一案例强调了应急预案在实际操作中的实用性和有效性。此外，应急预案应定期更新和演练，以确保所有相关人员熟悉应急流程。通过模拟演练，可以检验和优化现有的应急措施，提高在真实危机情况下的响应效率。

4.3.提升行业规范与技术水平的策略

提升高边坡开挖与支护行业的规范和技术水平是确保工程安全、环保和经济效益的关键。这需要从法规完善、技术创新和人才培养等多个层面进行。首先，应强化相关法律法规的制定与更新，如参照国际先进的《地质环境保护与地质灾害防治法》等，确保所有工程活动都在严格的法规框架内进行。其次，推广使用先进的监测技术，如GPS监测、应力应变传感器等，实现对高边坡的实时监控，及时发现并处理潜在风险。此外，鼓励企业与科研机构合作，研发更绿色、更高效的开挖与支护技术，如生物工程技术在边坡稳定中的应用，以降低对环境的影响。同时，建立行业技术标准和最佳实践库，通过案例分享和定期培训，提高行业整体技术水平和安全意识。

5.新技术与发展趋势

5.1.现代化监测技术在高边坡工程中的应用

现代化监测技术在高边坡工程中的应用日益凸显其重要性。随着科技的进步，如遥感技术、GPS定位、光纤传感和自动化监测系统等，已经能够实时、精确地获取高边坡的动态信息。例如，通过安装在边坡上的传感器网络，可以监测到微小的位移变化，预警潜在的滑坡风险，极大地提高了工程安全水平。在“一带一路”沿线的某大型基建项目中，就成功应用了这种监测系统，及时发现并处理了边坡的不稳定问题，避免了可能的重大安全事故。此外，数据分析模型如有限元模型和机器学习算法，能对收集到的大量数据进行深度分析，预测边坡的长期稳定性，为工程设计和维护决策提供科学依据。

5.2.绿色与可持续的开挖与支护理念

在当前环境保护意识日益增强的背景下，"绿色与可持续的开挖与支护理念"已成为高边坡工程领域的重要发展方向。这一理念强调在确保工程安全与效率的同时，最大限度地减少对生态环境的影响，实现经济、社会和环境的和谐共生。例如，可以采用生态恢复技术，对开挖后的边坡进行植被恢复，以降低土壤侵蚀和生物多样性损失。此外，利用先进的监测技术，如遥感和GIS，实时评估边坡稳定性，及时采取措施，防止环境灾害的发生。

5.3.未来技术展望与挑战

随着科技的快速发展，高边坡开挖与支护技术的未来展望充满了无限可能。现代监测技术，如遥感监测、物联网传感器和大数据分析，正逐渐成为高边坡工程中的重要工具。例如，通过安装在边坡上的传感器，可以实时监测位移、应变和应力变化，提前预警潜在的滑坡风险，显著提高了工程安全性。同时，绿色与可持续的理念正推动着开挖与支护技术的革新。未来的趋势可能包括采用环保材料，设计可降解或可回收的支护结构，以及优化施工工艺以减少对周边环境的影响。例如，研究和开发生物工程技术，利用植被稳定边坡，既美观又环保，这在某些地区的项目中已经初见成效。

然而，这些新技术的应用也带来了挑战。如何在现有法规框架下整合并应用这些先进技术，同时保证工程经济性和可行性，是行业面临的一大难题。此外，技术人员的培训和公众的接受度也是推广新技术不可忽视的环节。因此，政策制定者、工程师和科研人员需要共同努力，构建适应新技术发展的法规和标准体系，以推动高边坡开挖与支护技术的持续进步。

6.结束语

综上所述，在我国经济发展动力明显提升的背景下，高边坡开挖支护建设面临全新的形势，对传统固化的支护施工及开挖工艺提出了严峻的挑战。因此，必须从工程实际出发，创新高边坡开挖支护施工技术，提高其应用效果。为此，需要从传统的支护施工方式中解脱出来，对开挖支护技术的整个过程进行细化和完善，对高边坡支护施工的技术资源进行合理的集成，从而为实现高边坡支护工程的整体优化和升级打下了坚实的基础。

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