1. 引言
随着我国社会经济高速发展，交通需求激增，早期高速公路出现通行能力饱和、服务品质下滑等问题，亟需改造扩容。高速公路改扩建中，山体开挖易引发落石、滑坡等风险，威胁施工安全与道路通行。
边坡风险评估至关重要，近年来物联网、大数据等技术推动监测预警[1]-[4]向智能化转型，通过多源数据传输与动态模型构建，结合“红橙黄蓝”预警体系，提升了预警及时性与精准度。
在高边坡工程施工质量与稳定性[5]保障方面，全周期质量管控机制发挥着关键作用。前期依托钻探与物探融合的勘察技术，如高密度电法、地震波探测等，可精准剖析岩土层结构与水文地质条件；施工阶段则通过智能设备与先进技术，严格把控锚杆锚索施工精度、注浆质量及混凝土喷射效果，其中预应力锚索技术[6]-[10]凭借主动加固特性成为边坡稳定的重要手段。此外，基于滑坡动力学理论构建的“柔性 + 刚性”双级防护体系[11]，实现了对滑坡冲击能量的分级耗散，为边坡风险防控筑牢技术防线。
本文以中铁大桥局第九工程有限公司承建的长春至深圳国家高速公路河源热水至惠州平南段改扩建工程T2标段为典型案例，深入探讨高速改扩建中高边坡智能[12]、安全[13] [14]、环保[15]施工技术，旨在为同类工程提供可借鉴的实践经验与技术参考，助力我国高速公路改扩建事业高质量发展。
2. 技术原理与体系
2.1. 技术原理
本技术适用于既有高速改扩建中土质挖方边坡 > 20 m、岩质 > 30 m且处于不良地质地段的高边坡施工，具有安全系数高、智能化程度高、质量标准高等特点，涵盖开挖、排水、防护等安全质量控制工艺，需兼顾开挖安全与下方既有高速行车安全。
施工关键在于：先设彩钢板与防护网防落石，修截水沟防雨水冲刷；再分级开挖并及时防护、施做排水工程，做到“开挖一级、防护一级”；同时布设监测设备实时预警，通过“防护–开挖–监测”一体化流程，实现安全、质量与效率的统一。
2.2. 技术体系
2.2.1. 临时防护
对于高度大于3 m的一级挖方边坡，在坡底高速旁设置彩钢板防护，防止在边坡开挖过程中土块、碎石及其他零散物品滚落行车道。
在旧边坡底部设置彩钢板围挡。对于土质边坡：底部开挖50 cm × 50 cm × 40 cm的基础采用C25砼浇筑，预埋螺栓；对于岩质边坡：底部直接打入膨胀螺栓，彩钢板颜色统一为蓝色，防护示意图如图1所示。
Figure 1. Color-coated steel plate protection schematic diagram
图1. 彩钢板防护示意图
所用彩钢板尺寸为2980 × 2500 × 8 mm蓝色镀锌墙板，立柱为HM150 × 100 × 2500烤漆立柱，立柱地板为250 × 250 × 8 mm，膨胀螺栓为M18 × 300 mm；彩钢板如图2所示。
对于二级及以上的挖方边坡，除在坡底高速旁设置彩钢板外，还需在二级边坡及以上旧边坡平台设置防护网；可有效防止开挖过程块石滚落高速。
在旧边坡上部设置防抛网。钢管柱焊接4处钢筋弯钩。钢管柱安装固定后，用铁丝绑扎防抛网与钢管柱焊接弯钩，形成一道防护墙。对于土质边坡：底部开挖50 cm × 50 cm × 50 cm的基础采用C25砼浇筑。对于岩质边坡：底部先用风钻按间距400 cm钻Φ200 mm、深50 cm的孔，然后插进Φ140 mm钢管柱，注水泥砂浆进行固结，防护示意图如图3所示。
钢丝网采用直径8 mm的钢丝绳编织，孔尺寸为30 cm × 30 cm，每个节点采用卡扣或者十字结连接，铁丝网为镀锌铁丝，采用2.2 mm的铁丝，孔尺寸5 cm，防抛网构造图如图4所示。
Figure 2. Structural drawing of color steel plate
图2. 彩钢板构造图
Figure 3. Slope protection schematic diagram
图3. 边坡防护示意图
Figure 4. Structure diagram of anti-throwing net
图4. 防抛网构造图
2.2.2. 永临结合排水
永临结合排水施工中，坡体汇水经平台截水沟汇入堑顶截水沟，再引至路基边沟。路堑开挖前先修堑顶截水沟防雨水冲刷，减少二次开挖；边坡开挖前两侧设临时排水沟，与堑顶截水沟连通，实现永临结合以降本。临时排水沟为50 cm × 50 cm断面，M7.5砂浆抹面；堑顶截水沟为0.5 m × 0.5 m矩形，C20砼预制块砌筑，设于路基开挖线外(图5)。
Figure 5. Cross-sectional view of the ditch
图5. 截水沟断面图
2.2.3. 分级开挖-防护同步
土方路堑或中、强风化砂岩开挖可直接选用挖掘机配自卸车进行施工，高边坡的土质路堑开挖深度一般在20 m以上，因此选择“横向分层、纵向分段，阶梯掘进”的混合挖掘法施工。
平缓地形施工时，因纵向地形平缓且为U形路堑，采用挖掘机配自卸车从高至低分层开挖，每层控制在3~5 m (图6)；陡峭地形则先在边坡中央开挖6 m宽便道，预留3~5 m挡碴区，挖机分层下滑碴料至便道后，配合运输车外运(图7、图8)。
Figure 6. Longitudinal sequence schematic diagram of trench excavation
图6. 路堑开挖纵向顺序示意图
Figure 7. Schematic diagram of steep high-cut slope excavation method
图7. 陡峭高切坡开挖方法示意图
Figure 8. Construction of a central walkway and a reserved slag retaining wall
图8. 修筑中央便道及预留挡渣墙
土方边坡开挖采用人工配合CAT-360型挖机，按“从上至下、从里到外”逐级开挖，上级锚固完成后再进行下级，逐级加固至防护结束。与常规相比，每万立方米节约1个台班(3500元)，工效提升20%，开挖分块及顺序如图9。
(1) 机械凿除
石方边坡开挖方式及顺序同土方。遇坚硬石方用机械凿除，炮头破碎后外运。挖机清理表层土，破碎机破碎岩层后，挖机与运输车配合装运，循环作业。边开挖边外运，雨天需二次转运至安全地带防滑塌。
Figure 9. Schematic diagram of earthwork trench excavation sequence
图9. 土方路堑开挖顺序示意图
挖方边坡分级清刷后，深挖路段分层施工时，防护、排水工程与路堑成型协调实施，严格“开挖一级、防护一级”，严禁滞后防护；与路基平行作业并尽早完成。高边坡防护加固主要采用三维植被网等五种形式，现场施工防护如图10。
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Figure 10. Anchor cable frame beam protection and platform drainage ditch
图10. 施作锚索框格梁防护及平台排水沟
2.2.4. 智能监测
(1) 地表位移自动化监测
边坡开挖后堑顶附近易出现应力松弛区与张裂缝，各类破坏模式下最大地表位移均出现在堑顶线外。在坡顶埋设传感器监测地表裂缝位移，可识别初始变形及全过程，依累计位移量或速率预警滑塌，监测量程2 m、精度0.1 mm，相关系统安装示意图如图11所示。
Figure 11. Schematic diagram of the installation of automatic monitoring and early warning system for surface cracks (displacement) at the top of the slope
图11. 坡顶的地表裂缝(位移)自动化监测及预警系统安装示意图
图12为城北互通FK0 + 420~560右侧边坡地表位移自动化监测累计位移曲线。
Figure 12. Cumulative displacement curve of monitoring time course
图12. 监测时程累计位移曲线
2023-09-05第三级锚索张拉后位移速率从2.8 mm/d降至0.5 mm/d，验证防护与加固效果良好；2023-10-17第四级边坡开挖启动(深度15~20 m)，开挖扰动导致X向位移小幅上升0.3 mm。
(2) 深层位移监测
深层位移监测通过测斜仪自下而上测量斜侧管变形，了解高边坡深度方向水平位移。在监测部位埋斜侧管，内装活动式测斜仪，自动读数上传，实时接收数据并绘制曲线，斜侧管安装位置示意图如图13所示。
Figure 13. Schematic diagram of the installation position of the inclined side pipe
图13. 斜侧管安装位置示意图
图14为K3502 + 720~860右侧边坡深层位移自动化监测累计位移曲线。
Figure 14. Cumulative displacement curve of monitoring time course
图14. 监测时程累计位移曲线
2023-09-19第六级锚索张拉完成(张拉力350 kN)，张拉后15 m深度X向位移速率从3.2 mm/d降至0.8 mm/d；2023-10-17第五级开挖后，8 m深度位移突增1.1 mm (岩土层分界面扰动)；2023-11-01台风后各深度位移趋稳，最大波动0.3 mm，排水系统有效。
(3) 预应力锚索锚力监测
为监测锚索拉力变化，分析受力及预应力损失规律，项目安装锚索应力计，如图15，图16所示。待锚固段与混凝土强度达标，张拉前将测力计装于锚垫板与工作锚间，张拉后人工或自动读数，分析边坡稳定。
Figure 15. Schematic diagram of the installation position of the anchor cable dynamometer
图15. 锚索测力计安装位置示意图
Figure 16. Schematic diagram of the structure of the anchor cable dynamometer
图16. 锚索测力计结构示意图
(4) 智慧监控、监测系统
在边坡安装监控摄像头24小时监测，内容包括防护网、施工机械、人员及排水系统等情况，如图17所示，影像实时上传智慧监测系统，发现险情及时预警并通知处理。位移及锚索应力实施自动化监测，数据实时上传云端，由计算机系统储存、计算、管理并在云平台展示，如图18所示。监测组定期整理分析数据，预测坡体变形动态。
Figure 17. Slope surveillance camera
图17. 边坡监控摄像头
Figure 18. Video surveillance and slope monitoring data are uploaded to the owner’s integrated platform from time to time
图18. 视频监控及边坡监测数据时时上传至业主单位的一体化平台
(5) 检测标准
边坡监测以稳定控制为主，达到预警的目的。因此须设定评判标准，一旦出现超过允许范围值，立即采取措施。边坡稳定性评价主要根据以下几点进行综合判断：
(a) 位移监测：土质边坡位移速率 ≥ 5 mm/d，累积位移值 ≥ 5 cm；石质边坡位移速率 ≥ 2 mm/d，累积位移值 ≥ 2 cm，深层位移监测：位移速率 ≥ 3 mm/d，累积位移值 ≥ 3 cm；
(b) 边坡开挖停止后位移速率呈收敛趋势；
(c) 坡面、坡顶有无开裂，裂缝的变化趋势情况；
(d) 预应力锚索锁定后力值稳定。
运用上述技术与常规技术其经济效益对比如表1所示：
Table 1. Comparison of economic benefits
表1. 经济效益对比
项目 |
本技术 |
常规技术 |
节约效果 |
监测人力 |
0.2人/边坡 |
2人/边坡 |
↓90% |
机械台班 |
229个 |
458个 |
↓50% |
工期 |
18个月 |
26个月 |
↓30% |
安全事故 |
0起 |
3起 |
100%避免 |
3. 工艺流程
高边坡施工具体工艺步骤如图19所示。
Figure 19. Overall construction flow chart of slope excavation
图19. 边坡开挖总体施工流程图
4. 材料与设备
4.1. 材料
高边坡施工主要材料具体如表2所示。
Table 2. List of construction materials
表2. 施工材料一览表
序号 |
材料名称 |
规格型号 |
用途 |
1 |
彩钢板围挡 |
|
高速旁防护 |
2 |
防护网 |
|
边坡平台防护 |
3 |
混凝土 |
C30 |
框格梁 |
4 |
C20混凝土砌块 |
39 cm × 19 cm × 9 cm 19 cm × 19 cm × 9 cm |
排水沟 |
5 |
水泥砂浆 |
M7.5、M30 |
排水沟、锚孔注浆 |
6 |
钢绞线 |
fpk = 1860 MPa、Φ15.2 mm |
锚索 |
7 |
锚具 |
OVM15-4低回缩锚具 |
锚索 |
8 |
锚杆 |
HRB400、Φ32 mm |
锚杆 |
9 |
钢筋 |
HRB400、HPB300 |
框格梁 |
10 |
客土草籽 |
|
边坡植草防护 |
11 |
绿网 |
|
边坡覆盖 |
12 |
模板 |
1.5 cm厚竹胶板 |
框格梁模板 |
13 |
土工布 |
白色、0.6~0.9 mm厚 |
混凝土养护 |
4.2. 机械设备
高边坡施工所需机械设备如表3所示：
Table 3. List of machinery and equipment
表3. 机械设备一览表
序号 |
机械或设备名称 |
型号 |
用途 |
1 |
挖掘机 |
CAT-360 |
土方边坡开挖 |
2 |
风镐 |
|
清理石质边坡 |
3 |
破碎机 |
CAT-360 |
石方边坡开挖 |
4 |
泵车 |
37米 |
浇筑混凝土 |
5 |
罐车 |
7 m3 |
运输混凝土 |
6 |
运输车 |
15 m3 |
运土 |
7 |
洒水车 |
9.7 m3 |
洒水降尘 |
8 |
喷播机 |
WD-35型 |
边坡植草防护 |
9 |
注浆机 |
ZKSY90 |
锚杆锚索孔注浆 |
10 |
锚固钻机 |
ZYMG2200 |
锚杆锚索钻孔 |
11 |
张拉千斤顶 |
YCW60B |
锚杆锚索张拉 |
12 |
张拉油泵 |
ZB4-500 |
锚杆锚索张拉 |
5. 结论
本施工技术针对既有高速公路改扩建高边坡施工难题，融合智能监测、安全防护与环保技术，形成系统性解决方案。
(1) 施工中通过彩钢板防护、防抛网设置及截水沟施工，确保既有高速行车安全；采用“开挖一级、防护一级”工艺，结合CAT-360机械分级开挖，保障边坡稳定与施工效率。
(2) 智能监测系统实现地表位移、深层位移及锚索应力24小时自动化监测，预警精度达0.1 mm，相较传统人工监测节省80%人力。
(3) 工程应用中，228.96万m3挖方节约机械台班229个，降本80万元，且边坡平顺度误差≤15 cm，植被复绿率超90%。
(4) 该技术在长深高速T2标段10处高边坡施工中验证了安全性与经济性，为同类工程提供可复制的智能、安全、环保施工范式。
基金项目
中铁大桥局集团有限公司资助项目：高速公路改扩建的绿色智能建造关键技术及应用(2025184)。