高速公路路塹高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

雷星星

（重慶市交通工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，重慶 400000）

我國(guó)高速公路路塹邊坡通常具有沿路線(xiàn)呈點(diǎn)狀分布、規(guī)模相對(duì)較小、數(shù)量眾多的特點(diǎn)，在施工過(guò)程中，許多有效的信息，諸如工程地質(zhì)信息、施工參數(shù)信息等，成為路塹高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要依據(jù)。

1 路塹邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估控制基本理論

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的特征，可以將其分為三方面說(shuō)明：首先，風(fēng)險(xiǎn)具有損害可能性，是指由于風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，會(huì)造成相關(guān)損害的可能性；其次，風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性，風(fēng)險(xiǎn)是否會(huì)發(fā)生以及發(fā)生的時(shí)間和可能的結(jié)果，都具有不確定性；最后，風(fēng)險(xiǎn)具有客觀(guān)性，即風(fēng)險(xiǎn)是可以通過(guò)客觀(guān)尺度進(jìn)行定量描述的。路塹邊坡在施工過(guò)程中，還要注重風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估工作，分別為風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)控制。路塹邊坡在施工過(guò)程中，最經(jīng)常發(fā)生的事故是邊坡失穩(wěn)。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)，首先要識(shí)別邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素，然后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果，進(jìn)行邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)的估計(jì)與評(píng)價(jià)，最后在滿(mǎn)足風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則的條件下采取合適的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，實(shí)現(xiàn)發(fā)生成本與所獲效益相匹配。為了有效進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，需要改變邊坡的設(shè)計(jì)及施工等人為因素，維護(hù)路塹邊坡施工安全性，使得邊坡發(fā)生失穩(wěn)的可能性大大降低。

2 路塹高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程基本情況

K443路塹高邊坡處于滬蓉高速公路路線(xiàn)樁號(hào)K443+260～K443+585的右側(cè)方向，其邊坡最大坡高約為62m。K443邊坡是基于自上而下的原則進(jìn)行開(kāi)挖施工，然而經(jīng)歷了連續(xù)3d的降雨，邊坡出現(xiàn)了局部滑塌破壞現(xiàn)象。根據(jù)這一事實(shí)，有關(guān)人員需要重新對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并提出適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)控制措施。

2.2 K443路塹邊坡初始設(shè)計(jì)方案

K443路塹邊坡采取的形式為臺(tái)階式，開(kāi)挖時(shí)分為6級(jí)。其中，第一至第五級(jí)的坡高均為10m，而第六級(jí)坡高并不相等。坡率根據(jù)級(jí)數(shù)的不同，也會(huì)有不同的數(shù)值：第一、二級(jí)坡為1∶0.75，第三、四、五級(jí)為1∶1，第六級(jí)坡坡率為1∶1.25。同時(shí)各級(jí)坡之間也會(huì)相應(yīng)設(shè)置寬為2m的平臺(tái)，并適當(dāng)采取加固措施，如在第一級(jí)坡設(shè)置錨桿格梁加固，第二、三、四級(jí)坡設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架等。

2.3 K443路塹邊坡工程的基本地質(zhì)概況

（1）地形地貌。由于K443路塹邊坡地處丘陵，整體地形起伏較大，山體上植被有所發(fā)育，有松樹(shù)、柑橘樹(shù)等多種植物的生長(zhǎng)，整個(gè)坡體的自然坡角最大約為40°。（2）地層巖性。從地層巖性的角度來(lái)說(shuō)，邊坡的組成部分主要為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和石炭系、泥盤(pán)系粉砂巖及其風(fēng)化層，且各主要巖土層風(fēng)格迥異，如粉質(zhì)黏土具有可塑、土質(zhì)不均、黏性較差的特性。（3）地質(zhì)構(gòu)造。據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪成果顯示，坡體范圍內(nèi)并未測(cè)得地層結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，而坡體植被發(fā)育，第四系具有覆蓋層及全-強(qiáng)風(fēng)化層較厚的特點(diǎn)。（4）水文地質(zhì)概況。鑒于邊坡處于重慶市中東部的地理位置特點(diǎn)，所以其屬于中緯度的亞熱帶季風(fēng)性，受季風(fēng)的影響，降雨量充沛，并且降雨具有強(qiáng)度大、雨日多、持續(xù)季節(jié)長(zhǎng)等特點(diǎn)。從風(fēng)向的角度來(lái)看，夏秋季的風(fēng)向多為南風(fēng)，冬春季的風(fēng)向多為北風(fēng)。

2.4 K443路塹邊坡的現(xiàn)場(chǎng)施工情況

K443的局部滑塌破壞現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在邊坡的第四級(jí)與第五級(jí)坡面上。探究原因，主要是邊坡是由全強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖組成，該砂巖具有遇水軟化的特性。在連續(xù)降雨的情況下，大面積的雨水會(huì)向坡體滲透，因此坡面巖土體軟化、坡面強(qiáng)度降低、邊坡局部滑塌的現(xiàn)象隨即發(fā)生。鑒于以上現(xiàn)象，為了確保邊坡和坡頂電塔的安全，需要及時(shí)有效地采取加固處理方案，增強(qiáng)坡面強(qiáng)度，使之在連續(xù)降雨的條件下也能夠避免滑塌范圍的擴(kuò)大。

連續(xù)的降雨導(dǎo)致局部滑塌的現(xiàn)象發(fā)生后，為了及時(shí)控制風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)施工建設(shè)單位及時(shí)有效地制定邊坡工程搶險(xiǎn)方案，具體采取了以下三種措施：（1）即刻停止邊坡的開(kāi)挖；（2）對(duì)發(fā)生在第四級(jí)坡坡腳的滑塌破壞部分采取了回填反壓的施工方式；（3）利用對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索框架格梁方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)第四級(jí)坡面的加固。通過(guò)施工建設(shè)單位的及時(shí)止損措施，使得在連續(xù)降雨的極端環(huán)境下，滑塌破壞的發(fā)生得到有效的抑制，坡面強(qiáng)度得以增強(qiáng)，阻止了滑塌破壞的現(xiàn)象的進(jìn)一步加劇。

2.5 K443路塹邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制

（1）施工方案的調(diào)整。雖然初始設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但是考慮到連續(xù)降雨的情況下，仍然會(huì)出現(xiàn)局部滑塌現(xiàn)象，并且邊坡上方高壓電塔的存在，會(huì)加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制的要求，因此需要對(duì)原方案進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。設(shè)計(jì)方案的變更思路主要為，遵循從上往下開(kāi)挖的原則，在開(kāi)挖的同時(shí)采取加固措施，如果該建設(shè)的一級(jí)尚未完成，或者完成情況尚且不能滿(mǎn)足建設(shè)施工的要求，則不能進(jìn)行下一級(jí)的施工于加固。本案例中，首先針對(duì)第四、五、六級(jí)，初始設(shè)計(jì)方案僅進(jìn)行了開(kāi)挖，尚未加固，因此需要進(jìn)行加固調(diào)整。在第四、五、六級(jí)滿(mǎn)足加固要求后，再進(jìn)一步開(kāi)挖第三、二、一級(jí)坡。

（2）施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控。對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的原則，是在原有監(jiān)測(cè)斷面的基礎(chǔ)上，新增監(jiān)測(cè)斷面層，同時(shí)對(duì)兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面層也進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要針對(duì)坡面位移、變形狀況、錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)、深層水平位移等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以減少邊坡局部滑塌的發(fā)生。

2.6 路塹邊坡施工過(guò)程數(shù)值模擬

（1）有限元強(qiáng)度折減法的基本原理。有限元強(qiáng)度折減法是一種計(jì)算邊坡穩(wěn)定的方法，其在建筑工程中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。有限元強(qiáng)度折減法是在保持荷載不變的前提下，通過(guò)降低相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，如邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度，最終達(dá)到極限破壞狀態(tài)，并利用破壞滑動(dòng)面，計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的方法。文章利用有限元強(qiáng)度折減法，在公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范所提出的極限平衡法的指導(dǎo)思想下，通過(guò)對(duì)比在兩種工況條件—未加固和加固后，依據(jù)初始設(shè)計(jì)方案所計(jì)算得出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，進(jìn)行路塹邊坡施工過(guò)程數(shù)值模擬。

（2）計(jì)算過(guò)程。該部分?jǐn)M分別計(jì)算3種工況下不同施工階段的穩(wěn)定安全系數(shù)：①工況1是指邊坡在初始設(shè)計(jì)方案下，一次開(kāi)挖成型后進(jìn)行支護(hù)。②工況2是指邊坡在初始設(shè)計(jì)方案下，開(kāi)挖一級(jí)同時(shí)支護(hù)一級(jí)。③工況3是指邊坡在變更設(shè)計(jì)方案下，開(kāi)挖一級(jí)同時(shí)支護(hù)一級(jí)。文章的模擬開(kāi)挖過(guò)程是針對(duì)第一、二、三級(jí)坡進(jìn)行施工過(guò)程。開(kāi)挖的順序分別為第三級(jí)坡、第二級(jí)坡以及第一級(jí)坡。需要說(shuō)明的是，由于第一級(jí)的開(kāi)挖相比其他兩級(jí)來(lái)說(shuō)變形程度較大，所以要分別進(jìn)行三次開(kāi)挖，依次為第一部分、第二部分和第三部分，數(shù)值為3m、3m和4m。

（3）計(jì)算結(jié)果分析。工況1下，在第三級(jí)坡開(kāi)挖前，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.16，而第三級(jí)坡開(kāi)挖后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降為1.07。隨著第一級(jí)坡開(kāi)挖成功，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)總體下降幅度達(dá)到10%左右。第三級(jí)坡開(kāi)挖使得邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)高于1.05，但考慮到其他環(huán)境因素的影響，如機(jī)械振動(dòng)和施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)荷載等，邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)仍然屬于較大情況。工況2下，第四級(jí)坡支護(hù)和第三級(jí)坡開(kāi)挖完成后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)都有了不同程度的改變。首先，第四級(jí)坡支護(hù)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)提高到1.19。其次，第三級(jí)坡開(kāi)挖完成后穩(wěn)定安全系數(shù)下降至1.19，然后持續(xù)在1.20左右波動(dòng)。在初始設(shè)計(jì)方案下，邊坡開(kāi)挖一級(jí)同時(shí)支護(hù)一級(jí)的施工方式，使得穩(wěn)定安全系數(shù)滿(mǎn)足了最小臨時(shí)定安全系數(shù)1.05。并且雖然邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的可能性較低，但是如果一旦發(fā)生邊坡失穩(wěn)，將會(huì)在一定程度上影響坡頂高壓電塔的穩(wěn)定性，因此仍需要進(jìn)一步采取措施，降低施工安全的風(fēng)險(xiǎn)性。工況3下，第四級(jí)坡防護(hù)完成后和第三級(jí)坡開(kāi)挖完成后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)也有了不同程度的改變。首先，第四級(jí)坡防護(hù)完成后的相應(yīng)測(cè)量值為1.28。其次，第三級(jí)坡防護(hù)完成后測(cè)量值為1.30。開(kāi)挖第三級(jí)坡時(shí)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.28。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)高速公路路塹高邊坡的施工特點(diǎn)，以滬蓉高速公路K443路塹高邊坡作為分析實(shí)例，結(jié)合施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)的信息，運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法的理論方法，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的有效控制，綜上可以得到下面幾個(gè)結(jié)論：

（1）如果邊坡采取在原有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，增加一次開(kāi)挖成型后期進(jìn)行支護(hù)的施工方案，檢測(cè)相關(guān)臨時(shí)安全系數(shù)可以得到，第三級(jí)坡后的相關(guān)數(shù)值為1.05，與最小臨時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值較為接近，因此可以推測(cè)該施工方案存在較高施工安全風(fēng)險(xiǎn)，需要引起關(guān)注。（2）如果采用開(kāi)挖一級(jí)支護(hù)一級(jí)的施工方案，檢測(cè)相關(guān)臨時(shí)安全系數(shù)可以得到，該邊坡施工過(guò)程的數(shù)值為1.20左右。與結(jié)論一中采取的方案相比較，穩(wěn)定安全系數(shù)有了明顯的提高，并且提高程度約為10%～20%，施工安全風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)降低。另外，實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，坡頂存在高壓電塔，倘若邊坡發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，將會(huì)造成重大損失。因此采取相應(yīng)措施，提高邊坡的安全穩(wěn)定性十分必要。（3）如果在采用開(kāi)挖一級(jí)支護(hù)一級(jí)的施工方案的基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡第五級(jí)增加預(yù)應(yīng)力錨索格梁，對(duì)邊坡第六級(jí)增加錨桿格梁，檢測(cè)相關(guān)臨時(shí)安全系數(shù)可以得到，數(shù)值均大于1.20。并且在全部支護(hù)措施建設(shè)完畢后，測(cè)量臨時(shí)安全系數(shù)為1.314?？梢钥闯?，施工安全風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制，邊坡的安全儲(chǔ)備程度增強(qiáng)。（4）對(duì)工況1、工況2下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行分析，開(kāi)挖一級(jí)支護(hù)一級(jí)施工方案帶動(dòng)實(shí)施提高了邊坡安全穩(wěn)定性，同時(shí)邊坡第五級(jí)坡的預(yù)應(yīng)力錨索框架格梁和第六級(jí)坡的錨桿框架格梁的增加，邊坡安全穩(wěn)定性將會(huì)進(jìn)一步提升。