基于指標(biāo)體系法的黃土路塹高邊坡工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

孟志軍，段金金，孫志杰

（1.山西離隰高速公路有限公司，山西 呂梁 033000；2.山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041000；3.山西省交通科技研發(fā)有限公司黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032）

0 引言

受黃土地區(qū)溝壑縱橫地形地貌條件限制，公路工程建設(shè)中不可避免地會(huì)遇到坡高較高、坡度較陡的高陡路塹邊坡工程，黃土地區(qū)的路塹高邊坡工程由于其超大的規(guī)模和特殊的土體特性，在施工過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)較普通邊坡多，對(duì)黃土路塹高邊坡進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)[1]、灰色系統(tǒng)理論[2]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]等數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及分析中，形成了一系列邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，包括模糊綜合評(píng)價(jià)法[4-5]、灰色關(guān)聯(lián)分析[6]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)法[7]等。但這些方法操作流程繁瑣，需要有較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，不便于向工程一線推廣。2015年交通運(yùn)輸部制定了《高速公路路塹高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》[8]，指南中推薦采用指標(biāo)體系法將邊坡施工過(guò)程中內(nèi)外部影響因素進(jìn)行分類，根據(jù)每個(gè)邊坡的具體情況，對(duì)各影響因素進(jìn)行重要性排序，以此確定各因素權(quán)重，采用權(quán)重對(duì)各指標(biāo)百分制分值進(jìn)行校正，最后對(duì)評(píng)價(jià)總分值進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，操作簡(jiǎn)單、易于被廣大技術(shù)人員所接受和使用。

該研究以山西省離（石）-隰（縣）高速公路某黃土路塹高邊坡工程為例，系統(tǒng)闡述了基于指標(biāo)系統(tǒng)法的高邊坡施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)了邊坡施工階段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的定性分級(jí)，根據(jù)各指標(biāo)排序和權(quán)重厘清了施工風(fēng)險(xiǎn)源，最后提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策，以達(dá)到對(duì)路塹高邊坡施工過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)防控?？蔀轭愃泣S土高邊坡和類土質(zhì)邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供技術(shù)參考。

1 路塹高邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系法

1.1 路塹高邊坡評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

路塹高邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可分為5個(gè)大類：包括影響邊坡施工安全的內(nèi)部因素，如邊坡的修建規(guī)模、邊坡的地質(zhì)條件；影響邊坡施工安全的邊坡所處的施工環(huán)境、邊坡地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素、邊坡勘察設(shè)計(jì)資料的完整性等。5個(gè)大類又分為11個(gè)小類，如表1所示。

表1 邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

根據(jù)對(duì)邊坡現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地踏勘以及對(duì)勘察設(shè)計(jì)資料的分析，根據(jù)《指南》中各指標(biāo)推薦的分值區(qū)間，得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的基本分值Rij。

1.2 指標(biāo)排序及權(quán)重系數(shù)確定

根據(jù)每處邊坡的自身和環(huán)境影響因素，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)按重要性進(jìn)行排序，采用權(quán)重系數(shù)表征各評(píng)價(jià)指標(biāo)在施工安全風(fēng)險(xiǎn)中的重要性。權(quán)重系數(shù)反映了某一評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)邊坡整體的風(fēng)險(xiǎn)影響程度?！吨改稀分袡?quán)重系數(shù)γij計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：γij為權(quán)重系數(shù)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；m為評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性順序號(hào)，n≥m。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)及評(píng)價(jià)

將1.1節(jié)各評(píng)價(jià)指標(biāo)基本分值Rij和1.2節(jié)對(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù)γij按式（2）加權(quán)求和得出邊坡總體風(fēng)險(xiǎn)值F：

式中：i=1，2，3，4，5；j=1，2，3……n。n為對(duì)應(yīng)第i類評(píng)估指標(biāo)包括重要性指標(biāo)的數(shù)量。

根據(jù)計(jì)算得出風(fēng)險(xiǎn)值，對(duì)照表2確定路塹高邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表2 邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)采取相應(yīng)的邊坡安全施工防控措施。其中Ⅲ級(jí)及以上風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)邊坡還需要進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2 應(yīng)用案例

2.1 工程概況

評(píng)估邊坡位于離隰高速K3+602.0—K3+848.0段左側(cè)。該路塹高邊坡全長(zhǎng)246.0 m，最大坡高79.2 m，邊坡綜合坡度32°，按6 m高分13級(jí)開(kāi)挖。邊坡地層主要由馬蘭黃土和離石黃土及殘積（Q2el）古土壤組成，屬于土質(zhì)邊坡。

邊坡所在地區(qū)年平均降水量大于500 mm。夏季降水量最多，占全年降水量的60%左右，自然災(zāi)害偶發(fā)。

路槽挖深范圍內(nèi)無(wú)地下水分布，路塹范圍內(nèi)地表水主要由大氣降水補(bǔ)給，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

研究區(qū)段邊坡如圖1、圖2所示。

圖1 邊坡施工現(xiàn)場(chǎng)

圖2 邊坡斷面圖（單位：m）

2.2 評(píng)價(jià)過(guò)程

a）修建規(guī)模 最大坡高79.2 m。邊坡自然坡度27°，綜合坡度32°，Δα=5°。

b）地層巖性 第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土和中更新統(tǒng)風(fēng)積離石黃土及殘積古土壤組成。

c）誘發(fā)因素 邊坡所在地區(qū)多年平均降水量500 mm以上。自然災(zāi)害偶發(fā)。

d）施工環(huán)境 邊坡坡面采用拱形骨架、植草防護(hù)。在坡頂開(kāi)挖線以外0.5H范圍內(nèi)有地表建筑物。

e）資料完整性 勘察共完成地質(zhì)鉆孔2個(gè)?？辈煸O(shè)計(jì)圖紙，一坡一圖一說(shuō)明圖件很完整。

邊坡各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)、基本分值及評(píng)估分值如表3所示。

表3 邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)式（2）計(jì)算得出邊坡總體風(fēng)險(xiǎn)分值F=49.5，對(duì)照表2確定該路塹高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ級(jí)，屬于高度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3 風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策

黃土路塹高邊坡主要的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，包括由于降雨或開(kāi)挖而導(dǎo)致的坡面淺表層局部溜滑、防排水結(jié)構(gòu)損毀、邊坡整體失穩(wěn)等。針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)隱患，建議采用以下風(fēng)險(xiǎn)控制措施：

a）合理組織施工，盡量避開(kāi)雨季進(jìn)行開(kāi)挖施工，一旦開(kāi)挖盡快對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)，防治坡面沖刷，必要時(shí)對(duì)坡面進(jìn)行防雨遮蓋。

b）根據(jù)地形地貌及水文條件，優(yōu)化防排水設(shè)計(jì)方案，開(kāi)挖前做好臨時(shí)排水溝和坡頂截水溝，邊坡以外水體做好截水和排水措施。

c）及時(shí)防護(hù)。應(yīng)按照從上向下開(kāi)挖一級(jí)防護(hù)一級(jí)的順序施工。對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)邊坡且土質(zhì)情況較差邊坡，可按照從邊坡邊緣向中部逐步推進(jìn)、分段跳槽開(kāi)挖施工，當(dāng)開(kāi)挖一級(jí)邊坡存在安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)應(yīng)分層開(kāi)挖分層加固。

d）加強(qiáng)施工過(guò)程信息化監(jiān)測(cè)。按設(shè)計(jì)要求對(duì)邊坡進(jìn)行施工全過(guò)程的形變監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)了解邊坡變形狀況，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方案，發(fā)現(xiàn)變形異常及早采取加固措施，確保邊坡施工安全。

4 結(jié)語(yǔ)

依托離隰高速黃土路塹高邊坡工程，采用指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法對(duì)邊坡施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，研究表明：

a）指標(biāo)體系法建立的五大類11小類指標(biāo)體系可很好地考慮邊坡自身、所處環(huán)境及主觀因素等對(duì)邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)的影響。

b）評(píng)價(jià)過(guò)程通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘、查閱勘察設(shè)計(jì)資料可實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡實(shí)體工程的定量化評(píng)估，操作簡(jiǎn)單易行，評(píng)估效率高。

c）在地質(zhì)條件指標(biāo)中地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)中描述偏巖質(zhì)邊坡，導(dǎo)致在該項(xiàng)中土質(zhì)邊坡賦分存在困難。后續(xù)在修訂指南時(shí)可將指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化，分為土質(zhì)邊坡評(píng)價(jià)指標(biāo)和巖質(zhì)邊坡評(píng)價(jià)指標(biāo)。