土石方机械智能化施工的关键技术研究与应用

土石方机械智能化施工的关键技术研究与应用

周进前

中国水利水电第五工程局有限公司四川成都610066

摘要：土石方工程作为基础设施建设的重要组成部分，一直以来都受到广泛关注。传统的土石方工程施工主要依赖于人工操作和简单的机械设备，然而，随着科技的不断进步，机械智能化技术在土石方工程中的应用逐渐成为研究的焦点。传统机械化施工已经不能满足复杂工程项目的需求，而机械智能化的引入为提高施工效率、降低成本、提升安全性提供了新的可能性。

关键词：机械智能化、土石方工程、关键技术、智能化挖掘机、数据处理与分析

1.前言

在国家加大、加快“大土木”工程基础建设的良好环境下，公路、铁路、大坝、水库、矿山、机场等基础建设，都涉及到大量的土石方开挖、场地平整、边坡精修坡等工程施工，采用“土石方机械智能化施工”技术相比较传统工艺，其具有全天候作业、改变传统施工工艺、安全可靠、节能环保且对操作手技术要求不高等优点。

为解决传统土石方机械削坡施工中效率低、施工质量控制难等问题，在边坡削坡施工中借助GPS控制平台，采取数形合一的数据采集、实时监测控制，应用挖掘机智能控制系统，辅以系统解析和误差消除技术，建立了对开挖体型进行实时监控的挖掘机智能化施工系统。采用 “土石方机械智能化施工”技术进行场地平整、精修坡等施工，实现了精确、高效，工程造价明显降低，具有显著的社会经济效益。

工法关键技术成果通过中国电力建设股份有限公司专家委员会鉴定达到了国际先进水平，获得了国家实用新型专利授权及集团公司科技进步二等奖，形成了土石方机械智能化施工工法。

2.工法特点

2.1“土石方机械智能化施工”在同等施工环境、同等设备、同等条件下，与传统土石方机械施工工艺对比，可一次成型达到质量精度要求，控制不欠挖和不超挖，具有可视化施工，全天候作业、夜间施工不受干扰，施工效率提高3～4倍。

2.2“土石方机械智能化施工”技术工法改变传统的土石方精削坡开挖先放线，过程中技术人员全过程监控指导的施工工艺，其施工过程中无需技术员全程指导、监督和测量人员反复测量复核，机械操作人员在智能化控制系统引导下进行施工，安全可靠、节能环保且对操作手技术要求不高等优点。

3.适用范围

本工法适用于土质及松散砂砾石地层土石方边坡精修坡、建筑物基础开挖场平工程施工。

4.工艺原理

借助GPS控制系统对传统土石方施工机械挖掘机进行智能化改造和优化，集成创新形成了相应的智能化控制系统和施工技术，采用智能化机械引导施工，进行土石方边坡精确削坡开挖、场地平整，过程实时监控质量控制，一次成型达到设计体型和质量要求平整度，提高施工效率，节约施工成本。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1土石方机械智能化削坡施工工艺流程

土石方机械智能化削坡施工技术工艺流程如图5.1-1所示：

图5.1-1   智能化施工工艺流程图

5.2操作要点

5.2.1数形合一和快速精确测量技术

数形合一，即设计图转化为施工数据，技术员通过专用软件将边坡设计要素转换成3D图，导入测量手部后，设计开挖图就直观反应在手部控制器显视屏上，测量人员只需要根据手部指示顺利实施测量工作，实现快速精确测量。

5.2.2土石方开挖智能精确控制机械施工技术

1.施工准备

测量人员及现场技术人员对现场地形地貌进行精确测量，收集现场数据。

土石方机械智能化设备组成：智能控制系统，2个GPS接收机，电台一部，4个传感器，车载显示器一部，架设RTK基准站，RTK基准站由GPS接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成。

2.智能控制系统建设及调试

技术人员根据既定方案进行系统各组成器件安装固定。测量人员进行精确测量并计算出各项设备参数及轴距，将数据输入主机内。设备安装完成后进行现场试验调试，各项设施调整至最佳状态。

3.数据转换

技术员依据设计图纸文件，通过电脑安装的专用软件将边坡设计要素转换成3D图，生成工地文件，通过SD卡将数据导入驾驶室内的控制箱，并在显示器上显示实时3D图形。

4.边坡粗削坡开挖

渠道开挖在完成清表后进行，边坡分层开挖、边坡修整。在边坡开挖时，为满足施工进度要求，渠坡粗削坡使用普通挖掘机进行，采用，“先抽槽，后扩挖”的开挖方法。以50～100m为单位，沿渠道方向每隔约10米用挖掘机自上而下开挖一道约1m宽的槽子，抽槽过程采用快速精确测量技术现场跟踪控制，保护层宜控制在10cm～15cm之间。

5.边坡精削坡开挖

边坡精削坡开挖采用智能化机械施工技术，精削坡开挖为保证施工效率，主要对粗开挖后坡面预留10cm～15cm保护层进行。根据施工特点，为提高边坡精削坡平整度，提高施工效率，在挖掘机斗齿的背面加装刮板，经过试验，刮板采用高锰钢板，刮板长度方向为铲斗两侧各超出10cm，宽30cm，厚度2cm。

机械操作手在施工前需要检查信号稳定度及卫星接收数量，提高精度，正常卫星接收数量不得少于8颗；机械设备在停放在作业工作面，应保持机械设备停放平稳，不得有大的倾斜，以免影响数据的精度。施工中试验证明，设备在建筑物下方（桥梁下方）数据受到影响，施工精度难以保证。施工中操作手根据驾驶室内的显示器实时数据和指示信号灯引导进行精削坡开挖，显示器实时显示机械设备方位及边坡削坡数据，信号灯为红、绿、黄，红颜色为超挖，绿颜色为设计值，黄颜色为欠挖。施工中对施工机械实时动态测量，并将机械实时动态数字数据反馈至机械操作手；夜间机械手可视化操作，24小时连续作业，无需测量人员及技术人员现场指导监督，智能系统及时、准确地指导操作手完成各项任务。

精削坡完成后，使用扫帚等清扫工具将坡面浮土清扫干净并加以保护。

6.质量检验

该技术在土石方开挖边坡精修坡，通过“智能化机械施工”对边坡削坡质量的横坡、纵坡、高程指标进行实时一次性控制，精削坡后对坡面采用2米靠尺检查平整度，经过检查验收，一次成型，渠床整理精度达到2cm，一次质量验收通过率100%。

5.4劳动力组织（见表5.4）。

表5.4  劳 动 力 组 织 情 况 表

6.材料与设备

本工法采用的机具设备见表6。

表6  机  具  设  备  表

7.质量控制

7.1工程质量控制标准

本工法符合现行的《堤防工程施工规范》SL260-98、《渠道防渗工程技术规范》SL18-2004、《水利水电工程施工质量检验与评定规程（试行）》SL176-2007、规范要求。

质量标准为：渠坡（底）边线允许偏差：直线段＋20mm、曲线段＋50mm；精削坡后的坡面采用2m靠尺检查，平整度小于20mm。

7.2质量保证措施

7.2.1超欠挖控制措施

避免超欠挖的主要措施：粗削坡时应留足保护层，保证机械设备性能良好，保证智能引导控制系统接收信号稳定，施工中辅以测量复测。

7.2.2施工误差产生分析

1.系统误差：人员操作失误，外界环境对基站信号传输及数据接收的干扰误差；

2.机械磨损误差：设备铲斗磨损误差；油缸误差；设备销套磨损误差。

7.2.3施工精度保证措施

1.技术保证措施：加强人员的培训；数据采集、转换校核，保证数据准确性；定期对机械磨损（铲斗、轴套等）部位的检测，及时对数据进行调整，提高数据精度；施工时保持机械平稳，机械铲斗与边坡纵向平行。

2.设备保证措施

挖掘机应性能良好，施工中应保证日常的维护管理，施工中注意保护智能化控制系统的各部件的保护，防止碰撞、数据线的完好及数据存储卡的正常输入输出，确保运行正常；在精削坡时对挖掘机斗齿端头焊接刮板，保证钢板的刚度及设计尺寸，施工中及时检测刮板的磨损度、设备构件磨损程度，若发现出现偏差应及时进行数据校正。

8.安全措施

8.1 认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例，建立健全安全组织保障体系，成立安全生产领导小组，施工现场设专职安全员,负责施工安全检查、指导和监督。

8.2 施工现场按符合防火、防雷、防洪、防触电等安全规定及安全施工要求进行布置，并完善布置各种安全标识。

8.3机械施工现场必须严格执行一机一人专职防护，严格遵守持证上岗制度。机械操作人员必须熟悉本机的构造、性能及保养规程，按期进行设备检查保养，熟练掌握机械设备的操作规程。

8.4 机械作业人员进入施工现场作业前，应按设备操作规程进行检查，作业中严格遵守劳动纪律，不得酒后上岗或连续疲劳作业，应严格执行操作规程和相关安全规章制度。

8.5 在交通道路与施工区域之间设置防护围栏和警示标志，做好安全防护工作。

8.6 夜间施工时，现场应设有满足施工安全要求的照明设施。

9.环保措施

9.1 健全施工环境卫生管理机构，推行科学的管理方法，科学组织施工；维护施工现场整洁和安全，使文明施工规范化、标准化、制度化。加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，做好交通环境疏导，充分满足便民要求。

9.2 施工场地合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。

9.3 施工场地整理，施工所用物料应堆放在指定的区域内，不影响道路通行和污染环境。做到工完场，并对场地进行及时清理，保证施工场地整洁。

9.4 施工便道应进行日常养护，经常清扫、洒水、防止尘土飞扬。

9.5 根据需要设置机动车辆、设备冲洗设施、排水沟及沉淀池，布设排水系统，设置明显标示；施工污水处理达标后方可排人污水管网或河流。

9.6 在雨季来临前应完成对开挖弃土场边坡的处理，防止水土流失，加强环境保护。

10.应用实例

10.1 南水北调中线焦作1段第一施工标渠道工程

10.1.1 工程概况

焦作1段第一施工标段，工程位于河南省焦作市的西半区，工程范围为Ⅳ28+500～Ⅳ33+700，标段长度5.2km，项目主要包括：4864m渠道、白马门河渠倒虹、1座分水闸、4座公路桥梁及1座生产桥。主要工程量：土方开挖175.8万m3、土石方填筑65.16万m3、混凝土及钢筋混凝土9.77万m3、砌石4.06万m3、钢筋制安5816t、闸门启闭机安装9台、金属结构设备安装309.3t。

焦作一段Ⅰ标渠道工程，明渠长度为4864m，为梯形断面，其中：① Ⅳ28+500～Ⅳ28+717.6段渠道底板宽度为17m，坡比为1：2.75，渠道开挖高度为9.2m；② Ⅳ28+717.6～Ⅳ33+700段渠道渠道底板宽度为21m，坡比为1：2，渠道开挖高度为9.2m。Ⅳ28+737.6～Ⅳ33+700段渠道内一级边坡为1：2.75～1：2，二级边坡为1：2,堤顶宽为5.0m，外坡为1：2，渠坡精削坡开挖面积约32万㎡。

10.1.2 实施情况

工程开工时间为2019年7月10日，工程主体完工时间为2013年11月15日。南水北调中线焦作1段第一施工标渠道工程渠坡精削坡开挖面积约32万㎡，在渠坡精削坡开挖中运用“土石方机械智能化施工”技术，顺利完成渠道精削坡施工。采用挖掘机智能引导系统通过坡度、高程的精确控制，一次成型，渠床整理精度达到2cm，精确控制渠道边坡、底板超欠挖，减少混凝土回填量，大大节约施工成本，产生直接经济效益约245.8万元，并有效的确保了精削坡施工质量和施工进度。

10.2南水北调中线淅川4标渠道工程

10.2.1 工程概况

南水北调中线淅川段施工4标位于河南省邓州市，渠段起点桩号21+300，终点桩号28+800，总长7.5km。本标段主要建筑物包括明渠和建筑物两类。明渠含 7.5km膨胀土（岩）段，沿线布置各类建筑物13座，其中大型河渠交叉建筑物1座，左岸排水建筑物3座，公路交叉建筑物8座（公路桥5座，生产桥3座），分水口门1座。土石方开挖378万m³，土石方填筑278万m³，混凝土10万m³，钢筋0.46万t，金结安装约26t，复合土工膜55万m²。其中渠坡精削坡35万m2。

10.2.2 实施情况

2011年3月6日正式开工，2013年12月31日合同工程全部完成，工程施工中采用 “土石方机械智能化施工”工法进行土石方开挖、场地平整、精削坡控制施工，成功实现施工机械的精确引导和开挖体型的实时控制，削坡后的平整度均小于2cm/2m，坡面面平整光滑，削坡精度满足规范要求，单元工程一次性通过验收率100%。避免了返工处理工程量，减少浪费，大大节约施工成本和工期。应用效果良好，有效的解决了传统工艺方法存在的不足，提高了施工效率，保证了边坡精削坡开挖施工质量。本工法拥有快速、准确、高效率等特点，取得了良好的效果，经济和社会效益显著。对于夜间施工，可视化操作优越性更显突出，保证了边坡精削坡开挖质量；节约工程费用142.73万元。

10.3南水北调中线元氏Ⅱ段渠道工程

10.3.1 工程概况

南水北调中线干线元氏Ⅱ段，位于元氏县境内，起点在龙正村西，总干渠桩号196+997.1，终点位于元氏县与鹿泉市交界处，总干渠桩号212+180。总干渠设计流量为220m³/s，加大流量为240m³/s，起点设计水位为78.864m，终点设计水位为78.174m，总水头差为0.69m。渠道、各类交叉建筑物及控制建筑物等主要建筑物为1级建筑物，附属建筑物、河道防护工程及河穿渠工程的上下游连接段等次要建筑物为3级建筑物。渠道采用明渠自流输水方案，梯形过水断面，渠底高程72.864～72.174m，设计底宽为20.5～25.5m，渠道内过水断面边坡系数:1：2.0～2.5，外坡为1：1.75～2.0，渠道纵坡为1/30000，设计水深6.0m，一级马道(堤顶)宽5.0m，渠道过水断面采用全断面混凝土衬砌，其中需精削坡边坡总面积达56万m2。

10.3.2 实施情况

南水北调中线元氏Ⅱ段总干渠渠道工程坡面精削坡施工过程中运用中国水利水电第五工程局有限公司形成的土石方机械智能化施工工法进行渠道坡面精削坡施工，成功实现施工机械的精确引导和开挖体型的实时控制，削坡后的坡面平整度均小于2cm/2m，单元工程一次性通过验收率100%。与传统挖掘机相比，该工法施工效率提高3～4倍。实现精确控制边坡超欠挖，避免了返工处理工程量，减少浪费，大大节约施工成本和工期。通过实际使用，效果显著，运用方便，取得了良好的经济和环保效益。

11.技术挑战与未来发展

11.1 技术挑战

尽管土石方机械智能化取得了显著的成果，但在面临一系列技术挑战的同时，仍需不断创新和突破，以更好地应对未来的发展：

安全性与可靠性的保障：在机械智能化中，确保设备的安全性和可靠性是首要任务。技术上需要研发更为先进的安全监测系统，预防潜在的故障和事故。

技术标准与规范的制定：目前，缺乏统一的技术标准和规范，使得不同厂家的设备难以实现互操作性。未来需要建立全行业的标准，促进技术的协同发展。

11.2 未来发展方向

面对技术挑战，土石方机械智能化仍有广阔的发展空间。未来的发展方向将主要集中在以下几个方面：

新兴技术的应用：随着人工智能、物联网、5G等新兴技术的不断发展，将进一步推动土石方机械智能化的创新，提高设备的感知、决策和执行能力。

可持续发展与绿色施工：强调环保和可持续发展的要求将推动土石方机械智能化朝着更为绿色、节能的方向发展，减少对环境的影响。

智能化服务平台的建设：构建智能化服务平台，整合各种设备和数据资源，实现设备之间的协同工作，提高整体施工效能。

综上所述，未来的发展方向将以技术的不断创新和整合为核心，致力于构建更加智能、安全、高效的土石方机械施工体系。通过不断的研究与实践，可以更好地推动土石方工程向着数字化、智能化的方向迈进。

参考文献

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