高速公路高邊坡施工安全風險評估與控制

文/張俊

隨著我國經濟的快速發(fā)展，高速公路的路網覆蓋范圍越來越大。而數(shù)量不斷增多的路塹高邊坡，也在施工階段當中對于安全穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。影響高邊坡的穩(wěn)定性的因素有很多，如邊坡幾何形態(tài)、地質構造、地層巖性以及加固方法等因素。文章以重慶市滬蓉高速公路的路塹高邊坡工程為依托項目，結合邊坡固有屬性和路塹高邊坡施工動態(tài)信息，對路塹邊坡進行風險評價研究，從而采取相應的分級控制措施，建設更加安全的路塹邊坡施工工程。

1.概述：

我國高速公路路塹邊坡通常具有沿路線呈點狀分布、規(guī)模相對較小、數(shù)量眾多的特點，在施工過程中，許多有效的信息，諸如工程地質信息、施工參數(shù)信息等，成為路塹高邊坡施工安全風險評估的重要依據(jù)。

2.邊坡施工安全風險評估控制基本理論。

根據(jù)風險的特征，可以將其分為三方面說明：首先，風險具有損害可能性，是指由于風險的發(fā)生，會造成相關損害的可能性；其次，風險具有不確定性，風險是否會發(fā)生以及發(fā)生的時間和可能的結果，都具有不確定性；最后，風險具有客觀性，即風險是可以通過客觀尺度進行定量描述的。路塹邊坡在施工過程中，還要注重風險的評估工作，分別為風險識別、風險估計、風險評價和風險控制。路塹邊坡在施工過程中，最經常發(fā)生的事故是邊坡失穩(wěn)。結合風險管理技術，首先要識別邊坡施工安全風險因素，然后根據(jù)風險識別結果，進行邊坡施工安全風險的估計與評價，最后在滿足風險接受準則的條件下采取合適的風險控制措施，實現(xiàn)發(fā)生成本與所獲效益相匹配。為了有效進行風險控制，需要改變邊坡的設計及施工等人為因素，維護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。

3.高邊坡施工安全風險控制應用實例

3.1 工程基本情況。K443高邊坡處于滬蓉高速公路路線樁號K443+260～K443+585的右側方向，其邊坡最大坡高約為62m。K443邊坡是基于自上而下的原則進行開挖施工，然而經歷了連續(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，有關人員需要重新對其進行相關的施工安全風險評價，并提出適當?shù)娘L險控制措施。

3.2 K443高邊坡初始設計方案。K443路塹邊坡采取的形式為臺階式，開挖時分為6級。其中，第一至第五級的坡高均為10m，而第六級坡高并不相等。坡率根據(jù)級數(shù)的不同，也會有不同的數(shù)值：第一、二級坡為1：0.75，第三、四、五級為1：1，第六級坡坡率為1：1.25。同時各級坡之間也會相應設置寬為2m的平臺，并適當采取加固措施，如在第一級坡設置錨桿格梁加固，第二、三、四級坡設置預應力錨索框架等。

3.3 K443高邊坡工程的基本地質概況。（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、柑橘樹等多種植物的生長，整個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說，邊坡的組成部分主要為第四系坡殘積粉質黏土和石炭系、泥盤系粉砂巖及其風化層，且各主要巖土層風格迥異，如粉質黏土具有可塑、土質不均、黏性較差的特性。（3）地質構造。據(jù)工程地質調繪成果顯示，坡體范圍內并未測得地層結構面產狀，而坡體植被發(fā)育，第四系具有覆蓋層及全-強風化層較厚的特點。（4）水文地質概況。鑒于邊坡處于重慶市中東部的地理位置特點，所以其屬于中緯度的亞熱帶季風性，受季風的影響，降雨量充沛，并且降雨具有強度大、雨日多、持續(xù)季節(jié)長等特點。從風向的角度來看，夏秋季的風向多為南風，冬春季的風向多為北風。

3.4 K443高邊坡的現(xiàn)場施工情況。K443的局部滑塌破壞現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在邊坡的第四級與第五級坡面上。探究原因，主要是邊坡是由全強風化粉砂巖組成，該砂巖具有遇水軟化的特性。在連續(xù)降雨的情況下，大面積的雨水會向坡體滲透，因此坡面巖土體軟化、坡面強度降低、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，需要及時有效地采取加固處理方案，增強坡面強度，使之在連續(xù)降雨的條件下也能夠避免滑塌范圍的擴大。連續(xù)的降雨導致局部滑塌的現(xiàn)象發(fā)生后，為了及時控制風險，相關施工建設單位及時有效地制定邊坡工程搶險方案，具體采取了以下三種措施：（1）即刻停止邊坡的開挖；（2）對發(fā)生在第四級坡坡腳的滑塌破壞部分采取了回填反壓的施工方式；（3）利用對預應力錨索框架格梁方式，以實現(xiàn)對第四級坡面的加固。通過施工建設單位的及時止損措施，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，坡面強度得以增強，阻止了滑塌破壞的現(xiàn)象的進一步加劇。

3.5 K443高邊坡施工安全風險控制。（1）施工方案的調整。雖然初始設計方案滿足公路路基設計規(guī)范要求，但是考慮到連續(xù)降雨的情況下，仍然會出現(xiàn)局部滑塌現(xiàn)象，并且邊坡上方高壓電塔的存在，會加強了對風險控制的要求，因此需要對原方案進行設計變更。設計方案的變更思路主要為，遵循從上往下開挖的原則，在開挖的同時采取加固措施，如果該建設的一級尚未完成，或者完成情況尚且不能滿足建設施工的要求，則不能進行下一級的施工于加固。本案例中，首先針對第四、五、六級，初始設計方案僅進行了開挖，尚未加固，因此需要進行加固調整。在第四、五、六級滿足加固要求后，再進一步開挖第三、二、一級坡。（2）施工安全風險監(jiān)控。對施工安全風險監(jiān)控的原則，是在原有監(jiān)測斷面的基礎上，新增監(jiān)測斷面層，同時對兩個監(jiān)測斷面層也進行監(jiān)測，監(jiān)測內容主要針對坡面位移、變形狀況、錨索應力監(jiān)測、深層水平位移等監(jiān)測項目進行實時監(jiān)測，以減少邊坡局部滑塌的發(fā)生。

3.6 路塹邊坡施工過程數(shù)值模擬。（1）有限元強度折減法的基本原理。有限元強度折減法是一種計算邊坡穩(wěn)定的方法，其在建筑工程中具有廣泛的應用價值。有限元強度折減法是在保持荷載不變的前提下，通過降低相關參數(shù)指標，如邊坡巖土體抗剪強度，最終達到極限破壞狀態(tài)，并利用破壞滑動面，計算出邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的方法。文章利用有限元強度折減法，在公路路基設計規(guī)范所提出的極限平衡法的指導思想下，通過對比在兩種工況條件—未加固和加固后，依據(jù)初始設計方案所計算得出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，進行路塹邊坡施工過程數(shù)值模擬。（2）計算過程。該部分擬分別計算3種工況下不同。施工階段的穩(wěn)定安全系數(shù)：①工況1是指邊坡在初始設計方案下，一次開挖成型后進行支護。②工況2是指邊坡在初始設計方案下，開挖一級同時支護一級。③工況3是指邊坡在變更設計方案下，開挖一級同時支護一級。文章的模擬開挖過程是針對第一、二、三級坡進行施工過程。開挖的順序分別為第三級坡、第二級坡以及第一級坡。需要說明的是，由于第一級的開挖相比其他兩級來說變形程度較大，所以要分別進行三次開挖，依次為第一部分、第二部分和第三部分，數(shù)值為3m、3m和4m。

4結束語：

文章根據(jù)高速公路高邊坡的施工特點，以滬蓉高速公路K443高邊坡作為分析實例，結合施工過程中監(jiān)測的信息，運用有限元強度折減法的理論方法，以實現(xiàn)風險的有效控制，綜上可以得到下面幾個結論：（1）如果邊坡采取在原有設計方案的基礎上，增加一次開挖成型后期進行支護的施工方案，檢測相關臨時安全系數(shù)可以得到，第三級坡后的相關數(shù)值為1.05，與最小臨時穩(wěn)定安全系數(shù)的標準值較為接近，因此可以推測該施工方案存在較高施工安全風險，需要引起關注。（2）如果采用開挖一級支護一級的施工方案，檢測相關臨時安全系數(shù)可以得到，該邊坡施工過程的數(shù)值為1.20左右。與結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%，施工安全風險也相應降低。另外，實地考察發(fā)現(xiàn)，坡頂存在高壓電塔，倘若邊坡發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，將會造成重大損失。因此采取相應措施，提高邊坡的安全穩(wěn)定性十分必要。（3）如果在采用開挖一級支護一級的施工方案的基礎上，對邊坡第五級增加預應力錨索格梁，對邊坡第六級增加錨桿格梁，檢測相關臨時安全系數(shù)可以得到，數(shù)值均大于1.20。并且在全部支護措施建設完畢后，測量臨時安全系數(shù)為1.314?？梢钥闯?，施工安全風險得到有效控制，邊坡的安全儲備程度增強。（4）對工況1、工況2下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)進行分析，開挖一級支護一級施工方案帶動實施提高了邊坡安全穩(wěn)定性，同時邊坡第五級坡的預應力錨索框架格梁和第六級坡的錨桿框架格梁的增加，邊坡安全穩(wěn)定性將會進一步提升。