高速公路施工安全風(fēng)險評估與控制探析

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隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路的路網(wǎng)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(dāng)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(zhì)構(gòu)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(jié)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(fēng)險評價研究，從而采取相應(yīng)的分級控制措施，建設(shè)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(zhì)信息、施工參數(shù)信息等，成為路塹高邊坡施工安全風(fēng)險評估的重要依據(jù)。

2.邊坡施工安全風(fēng)險評估控制基本理論

根據(jù)風(fēng)險的特征，可以將其分為三方面說明：首先，風(fēng)險具有損害可能性，是指由于風(fēng)險的發(fā)生，會造成相關(guān)損害的可能性；其次，風(fēng)險具有不確定性，風(fēng)險是否會發(fā)生以及發(fā)生的時間和可能的結(jié)果，都具有不確定性；最后，風(fēng)險具有客觀性，即風(fēng)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(fēng)險的評估工作，分別為風(fēng)險識別、風(fēng)險估計、風(fēng)險評價和風(fēng)險控制。路塹邊坡在施工過程中，最經(jīng)常發(fā)生的事故是邊坡失穩(wěn)。結(jié)合風(fēng)險管理技術(shù)，首先要識別邊坡施工安全風(fēng)險因素，然后根據(jù)風(fēng)險識別結(jié)果，進行邊坡施工安全風(fēng)險的估計與評價，最后在滿足風(fēng)險接受準(zhǔn)則的條件下采取合適的風(fēng)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(fēng)險控制，需要改變邊坡的設(shè)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(fēng)險控制應(yīng)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(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行開挖施工，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，有關(guān)人員需要重新對其進行相關(guān)的施工安全風(fēng)險評價，并提出適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險控制措施。

3.2K443高邊坡初始設(shè)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(yīng)設(shè)置寬為2m的平臺，并適當(dāng)采取加固措施，如在第一級坡設(shè)置錨桿格梁加固，第二、三、四級坡設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架等。

3.3K443高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、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(zhì)黏土和石炭系、泥盤系粉砂巖及其風(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-強風(fēng)化層較厚的特點。（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，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，并且降雨具有強度大、雨日多、持續(xù)季節(jié)長等特點。從風(fēng)向的角度來看，夏秋季的風(fēng)向多為南風(fēng)，冬春季的風(fēng)向多為北風(fēng)。

3.4K443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(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(dǎo)致局部滑塌的現(xiàn)象發(fā)生后，為了及時控制風(fēng)險，相關(guān)施工建設(shè)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(yù)應(yīng)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(shè)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。

3.5K443高邊坡施工安全風(fēng)險控制

（1）施工方案的調(diào)整。雖然初始設(shè)計方案滿足公路路基設(shè)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(fēng)險控制的要求，因此需要對原方案進行設(shè)計變更。設(shè)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(shè)的一級尚未完成，或者完成情況尚且不能滿足建設(shè)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(shè)計方案僅進行了開挖，尚未加固，因此需要進行加固調(diào)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(fēng)險監(jiān)控。對施工安全風(fēng)險監(jiān)控的原則，是在原有監(jiān)測斷面的基礎(chǔ)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(nèi)容主要針對坡面位移、變形狀況、錨索應(yīng)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(yīng)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(guān)參數(shù)指標(biāo)，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(shè)計規(guī)范所提出的極限平衡法的指導(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(jié)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(fēng)險的有效控制，綜上可以得到下面幾個結(jié)論：（1）如果邊坡采取在原有設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，增加一次開挖成型后期進行支護的施工方案，檢測相關(guān)臨時安全系數(shù)可以得到，第三級坡后的相關(guān)數(shù)值為1.05，與最小臨時穩(wěn)定安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險，需要引起關(guān)注。（2）如果采用開挖一級支護一級的施工方案，檢測相關(guān)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(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)險也相應(yīng)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(yīng)措施，提高邊坡的安全穩(wěn)定性十分必要。（3）如果在采用開挖一級支護一級的施工方案的基礎(chǔ)上，對邊坡第五級增加預(yù)應(yīng)力錨索格梁，對邊坡第六級增加錨桿格梁，檢測相關(guān)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(shè)完畢后，測量臨時安全系數(shù)為1.314。可以看出，施工安全風(fēng)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(yù)應(yīng)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。

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作者:張俊 單位:華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司