公路路基工程施工安全管控技术及其应用研究

臧业富

摘要：简述了公路路基工程安全管控现状，详细阐述了在USB定位技术和TODA定位算法、构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术，以新旧两座互相分离的立交桥的建设和改造工程的道路工程施工为例，通过计算安全风险系数和评价风险等级，验证了实施该公路路基工程施工安全管控技术提升了公路路基施工的安全性，应用效果良好。

关键词：公路路基工程；施工安全；管控技术；应用研究

0   引言

近年来，随着我国城市化进程的不断发展，公路网运营规模在不断扩大。为了更好、更快地完成各等级公路的建设，相关施工技术越来越智能化与自动化。由于公路路基工程施工周期长，受到天气和环境的影响大，施工现场作业人员和施工机械多，带来的安全风险和各种安全事故不时发生。为此，研究公路路基工程施工过程中的安全监测和管控技术十分重要。

1   公路路基工程安全管控现状

在建筑行业，项目管理者越来越重视施工安全管控工作。文献[1]作者吴先俊等人以水电工程施工现场过程管控为目标，利用智能安全帽技术进行施工安全管控，可以将工程安全隐患排查覆盖率提升至100%；文献[2]作者李英等人基于超寬带技术的定位与存储等功能，对施工用工器具安全进行管控，避免了因施工用工器具使用不当造成安全隐患。

然而，公路路基工程不仅涉及路基土方施工，还涉及地质勘测、管线保护、地面拆迁、交通导改、设计变更等诸多因素，由此造成现有安全管控技术无法发挥出比较理想的效果。鉴于此，本文研究公路路基工程施工安全管控技术及其应用研究，为确保公路路基安全施工提供改进方案。

2   公路路基工程施工安全管控技术

2.1   USB定位技术和TODA定位算法

2.1.1   USB定位技术

公路路基工程施工现场的施工机械和作业人员处于复杂的动态变化之中，为了保证施工安全，需要进行安全管控。为了开展施工现场安全管控工作，需要实时采集施工现场施工机械和作业人员等监测信息[3]。在公路路基工程施工过程中，如果采用传统的人工记录数据等方法，不仅难以保障现场信息监测的收集效率，而且人工记录产生的误差无法确保数据的准确性。因此针对公路路基工程施工现场的监测需求，本文采用USB定位技术对施工现场施工机械和作业人员进行实时跟踪监测。

USB定位技术是一种覆盖率较大且不易受阻的高精度定位技术。在施工现场监测过程中，需要在施工机械与施工人员上配备定位标签，再结合现场情况布置相应的定位基站，完成配置后即可通过USB定位技术来收集施工现场的监测信息。

一旦施工机械或者施工人员佩戴的定位标签进入阅读器的监测范围内，阅读器就会被激活，读取并传输定位标签携带的监测信息并呈现在智能终端上，从而完成公路路基工程施工现场监测信息的收集。

2.1.2   TODA定位算法

为确保USB定位信息的精度和保密性，需要结合TODA定位算法对施工现场布置的各个定位基站进行时间同步，简单来说就是通过施工机械或者作业人员上配备的定位标签与基站之间传输信号的时间差来确定标签位置，从而调节各基站时间同步。假设公路路基工程施工现场布置了个定位基站，其坐标分别为，待定位标签与各基站之间距离差的计算公式如下：

（1）

式（1）中：Dm，ij表示公路路基工程施工现场定位标签m与基站i和基站j之间的距离差；ti、tj分别表示基站i和基站j接收定位标签m传输信号的时间；v表示信号传输速度。与此同时，公路路基工程施工现场待定位标签与各基站之间距离差还需满足以下公式：

（2）

式（2）中：（xi，yi，zi）、（xj，yj，zj）分别表示公路路基工程施工现场基站i和基站j的空间坐标；（xm，ym，zm）表示公路路基工程施工现场待定位标签的空间坐标。将公式（1）与公式（2）联立，即可求出该空间坐标的具体数值。

综合上述可知，利用USB定位技术与TDOA算法获取施工现场各定位标签携带的监测信息，是实现公路路基工程施工安全管控的基础步骤。

2.2   构建施工安全管控模型

2.2.1   采用BIM技术建模

BIM（建筑信息模型）技术自引入我国以来经历了数年的发展，为我国建筑行业带来了巨大的变革。为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技术来构建施工安全管控模型[4]。在Autodesk Revit（建筑物外观和内部设计）软件中建立公路路基工程采用BIM技术的3D模型，其具体步骤如下：

首先，在Autodesk Revit软件的族单元中新建一个公制常规模型的族样板。其次，在新建的族样板中开始建立公路路基工程的3D模型。其方法是：在族样板中设置一个合理的水平参照平面，在平面上通过拉伸的方式建立公路路基的外形轮廓，再利用注释命令为模型添加路基长度、路基宽度等尺寸标注，实现公路路基族的锁定。最后，根据工程实际情况为模型赋予材质、纹理等参数，以此生成公路路基工程的初始3D模型。

2.2.2   将BIM模型转换为有限元模型

采用BIM技术建立3D模型，就是以该3D模型为载体，直观呈现公路路基工程的信息，使其具有灵活的数据结构。但是公路路基工程施工安全监测是个复杂的过程，BIM模型虽然集成了丰富的数据信息并可随时查询其所有信息，但无法实时、准确地把握现场施工过程。因此，为协助公路路基工程施工现场对施工安全问题进行管控，需要将公路路基工程的BIM模型转换为有限元模型[5]。

当前我国公路路基工程涉及了土力学、岩石力学等多个学科，很难通过传统方法进行BIM模型与有限元模型的有效衔接。因此采用Midas GTS/NX（岩土领域通用有限元分析）软件生成公路路基工程的有限元模型。

Midas GTS/NX软件中存在较多版本的模型，结合公路路基工程的实际特点，本文主要采用了莫尔-库伦模型。莫尔-库伦模型主要用于分析公路路基工程中淤泥、砂土等性质的土体。假定路基工程的材料为理想塑性，依据土体的摩擦与压剪试验，即可确定库伦模型破坏准则，其表达式如下：

（3）

式（3）中：τ表示公路路基工程模型材料的剪应力；σ表示公路路基工程模型材料的抗拉强度；φ表示公路路基工程材模型材料的内摩擦角；c表示公路路基工程模型材料的内聚力。

如果将公路路基模型当作一个整体，就可以通过式（3）所示库伦模型破坏准则来确定模型材料的弹性切变模量，表达式如下：

（4）

式（4）中：F表示公路路基工程模型材料的弹性切变模量；ν表示剪应变。所求弹性切变模量F可以表征为模型材料抵抗切应变的能力。在Midas GTS/NX软件中将BIM模型转换为库伦模型后，再结合公路路基工程的实际情况为库伦模型设置荷载与边界条件，即可生成公路路基工程的有限元模型。

有限元模型可以弥补BIM模型在关键部位变形等方面的不足，从而在公路路基工程施工阶段实现可视化实时动态监测施工现场。通过将有限元模型与施工现场监测相结合，可以对整个施工过程进行模拟，进而及时发现施工现场存在的问题并加以解决，从而实现公路路基工程施工安全的管控。

3   实例应用

3.1   工程概况

跨越滨洲铁路的高台子立交桥及其道路的路基、路面等多项指标不能满足公路要求，经有关部门研究，决定在高台子立交桥的左侧建造一座新的高台子立交桥及其道路，并优化原有高台子立交桥及其道路，原有高台子立交桥与新建高台子立交桥及其道路形成上、下行分离式道路交通。两座高台子立交及其道路的宽度为12m，设计时速为40km。

该工程包括新旧两座互相分离的立交桥的建设和改造，尤其是与其连接的道路路基工程施工比较复杂，涉及众多工种同步作业，造成施工过程中多作业层交叉施工，给该道路路基工程带来了许多不可预测的安全问题和风险，因此对施工现场的安全管控工作至关重要。

3.2   应用效果

3.2.1   计算安全风险系数

现以该桥梁改造工程的道路路基工程为例，对本文设计的可视化与信息化的施工安全管控技术的应用效果进行验证。由于施工安全管控结果是一个定性指标，难以直接深化且准确地分析出施工安全管控技术的实际应用效果，因此通过对管控前、后的公路路基工程施工安全风险进行定量评价，进而直观显示该工程的安全管控效果。

结合该路基工程的实际情况，引入等风险图方法对施工安全风险进行评价。简单来说就是综合考虑施工中发生风险的概率与发生风险的后果这2个因素，从而求出一个安全风险系数作为评价指标，其计算公式如下：

（5）

式（5）中：η表示公路路基工程施工安全风险系数，取值范围为[0，1]；P表示公路路基工程发生风险的概率；Z表示公路路基工程发生风险后果的非效用值。

3.2.2   评价风险等级

在所求取不同数值时绘制曲线，即可获得公路路基工程等风险，如图1所示。

如图1所示，本文在进行公路路基工程施工安全风险评价时，将其划分为低风险、中风险以及高风险这3个等级。根据等风险图，结合该路基工程具体情况，确定施工安全管控前后的风险概率与不良后果的非效用值，如表1所示。

将表1所示的数据代入式（5）可知，在安全管控之前，该路基工程施工安全风险系数为0.8947，对照等风险图，该工程处于高风险等级。在采用本文设计技术进行安全管控后，该路基工程施工安全风险系数为0.1816，对照等风险图，该工程处于低风险等级。

由此可以说明，本文研究的公路路基工程施工安全管控技术是有效的，可以降低安全风险等级，避免了施工现场发生坠落、坍塌等事故，提升了公路路基施工的安全性，进一步验证了设计技术在实例公路路基工程施工安全管控中的良好应用效果。

4   结束语

当前，我国公路路基工程具有施工难度大、建设周期长等特点，在整个施工过程中存在很多风险因素，极易出现安全事故。为确保公路路基工程的施工安全，本文设计了基于BIM技术的施工安全管控技术，引入了BIM技术构建了可视化的施工安全管控模型，通过工程实例验证了该施工安全管控技术的可行性和可靠性。为了提升安全管控的自动化水平，未来将进一步开发相关安全管控技术。

参考文献

[1] 吴先俊，郭成.基于智能安全帽的大型水电工程安全智能

管控技术[J].人民黄河，2021，43（S1）：218-220.

[2] 李英，呂学宾，李岩，等.基于超宽带技术的变电站施工用

工器具安全管控方法[J].山东大学学报（工学版），2021，51

（3）：84-90.

[3] 谢亮，刘占省，罗维成，等.亚运会水上运动中心智能建造

技术及其在施工管理中的应用[J].建筑技术，2021，52（6）：

659-662.

[4] 张子龙.基于BIM的高层建筑施工安全风险管控关键技术

研究[J].工业安全与环保，2021，47（12）：61-64+72.

[5] 曹旭梅，杨杰，邹艳春，等.基于BIM+IoT的某航道工程

勘察安全管控应用技术[J].水运工程，2022（5）：164-169.