高速公路高边坡施工安全风险评估与控制

文/张俊

随着我国经济的快速发展，高速公路的路网覆盖范围越来越大。而数量不断增多的路堑高边坡，也在施工阶段当中对于安全稳定性提出了挑战。影响高边坡的稳定性的因素有很多，如边坡几何形态、地质构造、地层岩性以及加固方法等因素。文章以重庆市沪蓉高速公路的路堑高边坡工程为依托项目，结合边坡固有属性和路堑高边坡施工动态信息，对路堑边坡进行风险评价研究，从而采取相应的分级控制措施，建设更加安全的路堑边坡施工工程。

1.概述：

我国高速公路路堑边坡通常具有沿路线呈点状分布、规模相对较小、数量众多的特点，在施工过程中，许多有效的信息，诸如工程地质信息、施工参数信息等，成为路堑高边坡施工安全风险评估的重要依据。

2.边坡施工安全风险评估控制基本理论。

根据风险的特征，可以将其分为三方面说明：首先，风险具有损害可能性，是指由于风险的发生，会造成相关损害的可能性；其次，风险具有不确定性，风险是否会发生以及发生的时间和可能的结果，都具有不确定性；最后，风险具有客观性，即风险是可以通过客观尺度进行定量描述的。路堑边坡在施工过程中，还要注重风险的评估工作，分别为风险识别、风险估计、风险评价和风险控制。路堑边坡在施工过程中，最经常发生的事故是边坡失稳。结合风险管理技术，首先要识别边坡施工安全风险因素，然后根据风险识别结果，进行边坡施工安全风险的估计与评价，最后在满足风险接受准则的条件下采取合适的风险控制措施，实现发生成本与所获效益相匹配。为了有效进行风险控制，需要改变边坡的设计及施工等人为因素，维护路堑边坡施工安全性，使得边坡发生失稳的可能性大大降低。

3.高边坡施工安全风险控制应用实例

3.1 工程基本情况。K443高边坡处于沪蓉高速公路路线桩号K443+260～K443+585的右侧方向，其边坡最大坡高约为62m。K443边坡是基于自上而下的原则进行开挖施工，然而经历了连续3d的降雨，边坡出现了局部滑塌破坏现象。根据这一事实，有关人员需要重新对其进行相关的施工安全风险评价，并提出适当的风险控制措施。

3.2 K443高边坡初始设计方案。K443路堑边坡采取的形式为台阶式，开挖时分为6级。其中，第一至第五级的坡高均为10m，而第六级坡高并不相等。坡率根据级数的不同，也会有不同的数值：第一、二级坡为1：0.75，第三、四、五级为1：1，第六级坡坡率为1：1.25。同时各级坡之间也会相应设置宽为2m的平台，并适当采取加固措施，如在第一级坡设置锚杆格梁加固，第二、三、四级坡设置预应力锚索框架等。

3.3 K443高边坡工程的基本地质概况。（1）地形地貌。由于K443路堑边坡地处丘陵，整体地形起伏较大，山体上植被有所发育，有松树、柑橘树等多种植物的生长，整个坡体的自然坡角最大约为40°。（2）地层岩性。从地层岩性的角度来说，边坡的组成部分主要为第四系坡残积粉质黏土和石炭系、泥盘系粉砂岩及其风化层，且各主要岩土层风格迥异，如粉质黏土具有可塑、土质不均、黏性较差的特性。（3）地质构造。据工程地质调绘成果显示，坡体范围内并未测得地层结构面产状，而坡体植被发育，第四系具有覆盖层及全-强风化层较厚的特点。（4）水文地质概况。鉴于边坡处于重庆市中东部的地理位置特点，所以其属于中纬度的亚热带季风性，受季风的影响，降雨量充沛，并且降雨具有强度大、雨日多、持续季节长等特点。从风向的角度来看，夏秋季的风向多为南风，冬春季的风向多为北风。

3.4 K443高边坡的现场施工情况。K443的局部滑塌破坏现象，具体体现在边坡的第四级与第五级坡面上。探究原因，主要是边坡是由全强风化粉砂岩组成，该砂岩具有遇水软化的特性。在连续降雨的情况下，大面积的雨水会向坡体渗透，因此坡面岩土体软化、坡面强度降低、边坡局部滑塌的现象随即发生。鉴于以上现象，为了确保边坡和坡顶电塔的安全，需要及时有效地采取加固处理方案，增强坡面强度，使之在连续降雨的条件下也能够避免滑塌范围的扩大。连续的降雨导致局部滑塌的现象发生后，为了及时控制风险，相关施工建设单位及时有效地制定边坡工程抢险方案，具体采取了以下三种措施：（1）即刻停止边坡的开挖；（2）对发生在第四级坡坡脚的滑塌破坏部分采取了回填反压的施工方式；（3）利用对预应力锚索框架格梁方式，以实现对第四级坡面的加固。通过施工建设单位的及时止损措施，使得在连续降雨的极端环境下，滑塌破坏的发生得到有效的抑制，坡面强度得以增强，阻止了滑塌破坏的现象的进一步加剧。

3.5 K443高边坡施工安全风险控制。（1）施工方案的调整。虽然初始设计方案满足公路路基设计规范要求，但是考虑到连续降雨的情况下，仍然会出现局部滑塌现象，并且边坡上方高压电塔的存在，会加强了对风险控制的要求，因此需要对原方案进行设计变更。设计方案的变更思路主要为，遵循从上往下开挖的原则，在开挖的同时采取加固措施，如果该建设的一级尚未完成，或者完成情况尚且不能满足建设施工的要求，则不能进行下一级的施工于加固。本案例中，首先针对第四、五、六级，初始设计方案仅进行了开挖，尚未加固，因此需要进行加固调整。在第四、五、六级满足加固要求后，再进一步开挖第三、二、一级坡。（2）施工安全风险监控。对施工安全风险监控的原则，是在原有监测断面的基础上，新增监测断面层，同时对两个监测断面层也进行监测，监测内容主要针对坡面位移、变形状况、锚索应力监测、深层水平位移等监测项目进行实时监测，以减少边坡局部滑塌的发生。

3.6 路堑边坡施工过程数值模拟。（1）有限元强度折减法的基本原理。有限元强度折减法是一种计算边坡稳定的方法，其在建筑工程中具有广泛的应用价值。有限元强度折减法是在保持荷载不变的前提下，通过降低相关参数指标，如边坡岩土体抗剪强度，最终达到极限破坏状态，并利用破坏滑动面，计算出边坡的稳定安全系数的方法。文章利用有限元强度折减法，在公路路基设计规范所提出的极限平衡法的指导思想下，通过对比在两种工况条件—未加固和加固后，依据初始设计方案所计算得出的边坡稳定安全系数，进行路堑边坡施工过程数值模拟。（2）计算过程。该部分拟分别计算3种工况下不同。施工阶段的稳定安全系数：①工况1是指边坡在初始设计方案下，一次开挖成型后进行支护。②工况2是指边坡在初始设计方案下，开挖一级同时支护一级。③工况3是指边坡在变更设计方案下，开挖一级同时支护一级。文章的模拟开挖过程是针对第一、二、三级坡进行施工过程。开挖的顺序分别为第三级坡、第二级坡以及第一级坡。需要说明的是，由于第一级的开挖相比其他两级来说变形程度较大，所以要分别进行三次开挖，依次为第一部分、第二部分和第三部分，数值为3m、3m和4m。

4结束语：

文章根据高速公路高边坡的施工特点，以沪蓉高速公路K443高边坡作为分析实例，结合施工过程中监测的信息，运用有限元强度折减法的理论方法，以实现风险的有效控制，综上可以得到下面几个结论：（1）如果边坡采取在原有设计方案的基础上，增加一次开挖成型后期进行支护的施工方案，检测相关临时安全系数可以得到，第三级坡后的相关数值为1.05，与最小临时稳定安全系数的标准值较为接近，因此可以推测该施工方案存在较高施工安全风险，需要引起关注。（2）如果采用开挖一级支护一级的施工方案，检测相关临时安全系数可以得到，该边坡施工过程的数值为1.20左右。与结论一中采取的方案相比较，稳定安全系数有了明显的提高，并且提高程度约为10%～20%，施工安全风险也相应降低。另外，实地考察发现，坡顶存在高压电塔，倘若边坡发生失稳现象，将会造成重大损失。因此采取相应措施，提高边坡的安全稳定性十分必要。（3）如果在采用开挖一级支护一级的施工方案的基础上，对边坡第五级增加预应力锚索格梁，对边坡第六级增加锚杆格梁，检测相关临时安全系数可以得到，数值均大于1.20。并且在全部支护措施建设完毕后，测量临时安全系数为1.314。可以看出，施工安全风险得到有效控制，边坡的安全储备程度增强。（4）对工况1、工况2下边坡稳定安全系数进行分析，开挖一级支护一级施工方案带动实施提高了边坡安全稳定性，同时边坡第五级坡的预应力锚索框架格梁和第六级坡的锚杆框架格梁的增加，边坡安全稳定性将会进一步提升。