边坡施工总体风险评估

边坡施工总体风险评估是以高速公路建设项目全线高边坡工程为评估对象，根据工程建设规模、地质条件、工程特点、诱发因素、施工环境等，评估全线路堑高边坡施工安全风险，确定风险等级并提出控制措施。边坡施工总体风险评估包括挖方路堑施工风险评估和填方路堤施工风险评估。

3.2.1　评估过程与评估方法

3.2.1.1　评估过程

风险评估过程包括以下几个步骤:

1)准备阶段

(1)成立评估小组，明确职责分工，其中小组负责人应当具有5年以上工程管理经验。

(2)明确评估对象和范围，收集国内外相关法律和标准，了解同类工程的事故情况。

(3)现场查勘评估对象的地理、水文、气象条件，收集工程建设有关资料。2)开展总体风险评估

根据建立的安全评估指标体系，用定性和定量相结合的方法初步分析项目中高边坡、高路堤在施工过程中的孕险环境与致险因子，估测施工中发生重大事故的可能性，确定项目总体风险等级。

3)制定风险控制措施

根据风险接受准则的相关规定，提出风险源的专项评估控制要点和监测、监控、预警措施。高速公路高边坡、高路堤施工安全总体风险评估工作程序见图3－5。

图3－5公路高边坡、高路堤施工安全风险评估程序流程图

3.2.1.2　评估方法

边坡施工总体风险评估通常采用指标体系法。首先对影响边坡施工风险的指标进行分类，在指标分类的基础上，提出评估指标。将各评估指标按重要性从高到低顺序进行排序，可采用权重系数对各评估指标重要性进行区分。权重系数采用重要性排序法确定，计算公式如式(3.23)所示。

式中，γ为权重系数;n为评估指标(重要指标)项数;k为重要性排序号，k＜n。

边坡施工安全总体风险按式计算确定式中，Xij为评估指标分值;Rij为评估指标的基本分值。其中，i=1，2，3，…m;j= 1，2，3…n。m为指标分类的数量，n为对应第i类评估指标包括的重要指标的数量。

计算得出F值后，依据总体风险分级标准确定边坡施工安全总体风险等级。

3.2.2　挖方路堑施工风险评估

3.2.2.1　总体风险评估指标体系的构建

影响公路边坡施工安全的因素较多，既有定性的，也有定量的，有简单的，也有十分复杂的。因此，如何正确确定公路边坡施工安全的评估评价指标是一项复杂的、难度较大的系统工程。对因素的选取既不能过多也不能太少，评价因素少会导致信息的缺失，不能把影响公路边坡稳定性的综合因素全部考虑，致使评判结果失真;评判因素过多，一是会增加不必要的计算负担，二是会影响对评价因素主次关系的判断，不利于指标的权重分配。因此，在选取公路边坡安全评判指标因素时应遵循系统性、灵活性、针对性、实用性及综合性的原则。

考虑到现有技术条件下易于获得和便于实际应用并针对高速公路边坡的特点，结合鄂西某公路工程建立了其高速公路路堑边坡施工安全风险评估指标体系。公路边坡工程施工安全总体风险评估主要考虑高边坡的地质条件、气候环境条件、地形地貌、开挖边坡几何形态、施工工艺等五个评估指标，评估指标的分类、赋值标准可参见表3.11。

表3.11某高速公路边坡总体风险评估指标体系

公路路堑边坡工程总体风险评估指标和风险的关系如下:

1)地质条件

地质条件主要考虑地层岩性、优势结构面与挖方边坡坡向、岩层风化程度、岩体结构与地下水，这些因素是公路高边坡发生坍塌、滑坡事故的主要客观因素。

地层岩性及其组合是构成边坡的物质基础，岩性决定岩石的强度、抗风化能力、岩体结构及所能保持的边坡高度。岩石软弱，则风化深度大，破碎严重，当边坡高度、坡度达到一定值时会发生失稳现象。坚硬岩石边坡失稳以崩塌和结构面控制型失稳为主，软质岩边坡稳定性与岩土体的工程地质性质关系密切，岩土体的工程地质性质越优良，边坡的稳定性越高。而岩性对边坡稳定性效应主要表现在岩性、岩性组合的多样性与复杂性、软硬岩及其在边坡中的位置以及原生结构面的解体性等。当结构面较发育、规模较大、连通性较好、充填物强度较低时，边坡稳定性就较差。

风化作用使岩土体的抗剪强度减弱，裂隙增加、扩大，影响斜坡的形状和坡度。同时，风化作用使坡体透水性增加，地面水则易于浸入，改变地下水的动态，从而降低斜坡的稳定性。若沿裂隙风化，可使岩土体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。

另外，结构面的产状与边坡面的相互关系也是影响边坡稳定性的重要因素。不同结构的岩体，物理力学性质差别很大，边坡变形破坏形式也不同。但具有相同结构的岩体，其稳定性主要取决于边坡岩体中的结构面。而软弱结构面(带)控制边坡失稳的规模、滑动方式以及滑动速度等，如果软弱夹层的抗剪强度低，便容易产生剪切破坏，进而产生边坡失稳，主要有顺层边坡和水平层边坡。在具体研究中需要考虑各类型结构面的间距、产状、充填物以及连通性等因素。在风险评估中，主要考虑岩层倾向与地面坡向之间的关系造成的影响。

岩土体的力学性质受水的影响很大，大多数边坡失稳的发生与地下水活动有关，地下水的动态变化直接关系到边坡的稳定性状况。由于边坡介质的非均匀性，以及失稳过程中边坡的变形破坏具有非连续性，故在边坡失稳发生的过程中地下水对边坡稳定性的影响不可忽略。地下水富集程度提高，一方面会增大坡体下滑力，另一方面会降低软弱夹层和结构面的抗剪强度，引起孔隙水压力上升，降低滑动面上的有效正应力，导致滑动面抗滑力减小，从而导致边坡失稳。

2)气候环境条件

气候环境条件对边坡稳定性的影响有多种作用方式，如降雨、气温变化等，其中以降雨的作用最为突出。暴雨、长期降雨过后，边坡土体含水量增加甚至饱和，致使边坡土体强度降低，坡体下滑力增大，滑动面的抗滑力减小，从而导致边坡失稳。

3)地形地貌

边坡的形态和规模等地貌因素对边坡稳定性的影响显而易见，不利形态和较大规模的边坡往往在坡顶产生张应力，引起坡顶出现张裂缝;在坡脚产生强烈的剪应力，出现剪切破坏带，拉张裂缝及剪切破坏带会极大地降低边坡稳定性。另外，开挖体形复杂将使应力重分布不利，可能在多个部位出现应力集中带，加剧边坡岩体的卸荷松弛，边坡失稳模式呈多样化，稳定性降低。同时，还会造成高处坠落、机械伤害等生产安全事故。

4)开挖边坡几何形态(包括边坡高度、边坡坡率及开挖规模)

边坡的设计措施是否合理是决定边坡稳定的关键，它包括确定高度、坡率等。因此，在一定的工程地质条件下，边坡的稳定性取决于设计是否与地质条件相适应。边坡开挖高度大、坡率陡时，边坡失稳风险高，这是众所周知的。而值得注意与重视的是边坡开挖坡率与原始地形坡率的关系，由于斜坡天然坡度是其自稳坡度的最直观反映，因此当边坡开挖坡率与原始地形坡率的比值为1时，此时开挖并未改变边坡坡率，其失稳风险小，当边坡开挖坡率与原始地形坡率的比值远大于1，开挖边坡比天然边坡陡峭较多时，边坡开挖规模大，较严重的破坏了边坡的平衡，其失稳风险高。

5)施工工艺工法

边坡施工开挖中经常采用的爆破施工方法也是影响边坡稳定性的动力因素。同时，施工方法、工艺及施工顺序对边坡的稳定也有很大影响，故应结合不同地质条件及工程特性，在设计合理的前提下，做好施工组织，选择有效的施工方法及工艺，尤其做好开挖与支挡工程的有机配合。

3.2.2.2　总体风险评估模型

高边坡施工安全总体风险F按式(3.24)计算。

评估指标体系中各指标所赋分值应结合工程实际，综合考虑各种因素的影响程度而定。

3.2.2.3　总体风险分级标准

计算得到总体风险值F后，对风险等级阈值运用蒙特卡洛随机抽样技术进行界定。

1)总体分布检验

危险度样本空间总体分布检验采用K-S(Kolmogorov-Smirnov)法，其基本原理如下:设观测样本值为x1，…，xn，再设某理论分布F(x)，则提出如下假设:式中，x1，…，xn是排序后的样本的大小。

在K－S检验中，Sn(x)和F(x)在整个测试范围内的最大值D就是理论模型和观测数据之间差值的量度，则有:

由此，若H0为真，则当n→∞时D的分布函数将收敛到L(λ)，若D的观测值为d，则当a=p(D＞d)=p(D＞d)=1－L(D)≡Qks(d)为小值时，拒绝接受假设，即认为样本x1，…，xn不是来自F(x)。

通过编制计算程序，应用蒙特卡洛随机抽样技术，抽样次数为108，样本的值域空间在累积频率图上呈现钟形分布。K－S总体分布检验结果显示，所输入数据的总体符合正态分布。

2)风险等级阈值界定

依据概率论“大数定律”，对随机抽样N个样本进行统计计算，以平均值式中，N为模拟的次数;R为可靠度。

运用蒙特卡洛随机抽样技术，抽样次数108，可靠度R在99%以上，可满足精度要求。按正态分布函数，以置信区间［0，20%)、［20%，40%)、［40%，60%)、［60%，100%)作为风险等级划分的基本区间，查询正态分布函数数值表，可得各风险等级的阈值区间;同时结合工程实践对风险等级阈值修正。典型鄂西地区高边坡工程施工安全总体风险分级标准，见下表3.12。代替总体样本均值μ，其估计可靠性，见下式(3.29)。

表3.12典型鄂西高速公路高边坡工程施工安全总体风险分级标准

3.2.3　填方路堤施工风险评估

3.2.3.1　总体风险评估指标体系

高填方路堤施工安全管理与稳定性受很多不确定因素的制约，同路堑边坡风险评估类似，如何正确确定公路高填方路堤施工安全的评估评价指标是一项复杂的、难度较大的系统工程。因此，在选取公路高填方路堤安全评判指标因素时评估也应一直遵循系统性、灵活性、针对性、实用性及综合性的原则。

基于鄂西地区高速公路项目高填方路堤施工的实际情况，建立了如下高路堤施工安全风险评估指标体系。公路高路堤工程施工安全总体风险评估主要考虑填石料种类、填方部位地表形态、填方区排水、填方高度、地基条件、填筑速率、施工机械及加固方式等八个评估指标，评估指标的分类、赋值标准可参见下表3.13。

表3.13高路堤施工安全总体风险评估指标体系

公路高路堤工程总体风险评估指标和风险的关系如下:

(1)填石料种类。填料作为路基的主体，其反映出路基的使用功能和力学性质。不同的填料，其土工参数差异较大，具体表现在填方路基的强度和稳定性差别也很大。路基填料可以用土，也可以用石，但由于公路路堤填料沿线分布不均，其强度和稳定性受自然条件的影响很大。填料颗粒的大小、形态、级配情况会对填筑体的密实度、压缩性、强度以及排水性等工程性能产生影响。路基填土不同，其工程性质相差甚远。填土性质较差，将导致压缩性增大，在路基施工和运营期间产生较大的沉降变形。若填土中混入了种植土、腐殖土或泥沼土等劣质土，或土中含有未经打碎的大土块等，由于这类土中有机物含量多、抗水性差、强度低等特性的作用，路堤将出现塑性变形或沉陷破坏。填土的级配不匀会造成填土孔隙率增大，在一定期限内(例如经过一个雨季)可能产生局部的明显下沉。

(2)填方部位地表形态。填方部位不同的地表形态对高路堤稳定性会产生重要影响。当工程地质条件不良，原地面比较软弱，特别是在泥沼地段、流沙和垃圾以及其他劣质土地段填筑路堤时，若填筑前未经换土或很好地压实，则填筑完成后，原地面上土壤易产生压缩下沉或挤压位移。当路堤穿过沟谷时，沟谷中心往往填土高度最大，向两端逐渐减低，在路堤横断面上，往往迎水面填土高度小于背水面。这样也将由于填土高度不同而可能产生不均匀下沉，使路堤纵断面方向路面中间低、两边高，横断面方向的路肩一侧高一侧低。

(3)填方区排水。高填方会破坏原填方区的水系，路基排水的任务是把路基工作区内的土基含水量降低到一定的范围。土基含水量过大、排水不良会引起土质松软，强度降低，边坡坍塌，堤身沉陷或滑动以及产生冻害等。同时，渗流也将带走一部分土粒，使填土的孔隙率增大，在行车荷载及自重作用下压密，造成沉降。水是路基的大敌，对路基危害极大，当水渗入路基后，使填料自身产生变形，极易造成堤身下沉滑塌。

(4)填方高度。填方高度是在公路设计中根据公路平面线、纵断面等资料确定的。填方高度越高、路堤体积越大，要求路堤本身具有足够的整体强度和稳定性，而路堤填筑面积和土石方工程量也会增加，这给施工过程当中控制施工质量增加了难度。

(5)地基条件。路堤的稳定性主要取决于堤身填土性质和堤底的地基承载力。在路堤填土性质满足要求的情况下，地基承载力小的，随路堤高度的增加易发生剪切破坏而失去稳定，造成路堤产生过大的沉降和差异沉降，导致公路路面出现断裂性破坏，降低公路的使用寿命和使用效率。

(6)填筑速率。研究表明，无论是厚土层地基，还是较薄土层地基，施工速率越快，工后沉降越大，堤顶差异沉降也越大;同时，其发生破坏的可能性也有所增加，稳定系数降低，填筑速率对厚土层地基的影响更大。另外，在软基上填筑路堤时，若填筑速率过快，软基中孔隙水压力上升，抗剪强度较低，软基来不及固结到能够提高承载力来克服路堤重量，容易发生路堤失稳。因此，在实际工程中，在时间许可的条件下，应尽可能采用较慢的填筑速率，尤其是地基土层较厚和软弱时。

(7)施工机械。在高填方路基的施工过程中，应按要求配备相应的整平、碾压机具，并按规范进行操作。若未按要求的压实工艺进行碾压，路基的压实强度不均匀，压实度达不到规定要求，将会导致高填方段路基产生较大的沉降变形。在分层填筑时，应按照《公路路基设计规范》要求的厚度进行铺筑。若随意将分层厚度加大，而压实机具则按照规定的碾压遍数压实时，压实度将达不到规范规定的要求;当填筑到路基设计标高时，必然产生累积的沉降变形，在重复荷载和填土自重的作用下，便会产生下沉。

(8)加固方式。在高填方路基的施工过程中，有无土工格栅或挡土墙加固对高填方路堤的稳定性及施工安全会产生重要影响。对于软弱地基、陡坡填方路基、高填方路基等地段利用土工格栅加固。对于路基填高较大，路基稳定性不足时，采用土工格栅进行处理。对于局部特殊路段，应设有挡土墙，用于支承路基填土或山坡土体以防止变形失稳，确保路基施工与防护同步。防止防护和路基施工的不同步处理不彻底、不完全，给后期施工和运营留下隐患，造成边坡部分开裂、局部滑塌和路面的不均匀下沉等病害。

3.2.3.2　总体风险评估模型

高路堤施工安全总体风险F按式(3.24)计算。

评估指标体系中各指标所赋分值应结合工程实际，综合考虑各种因素的影响程度而定。

3.2.3.3　总体风险分级标准

高路堤风险分级标准同样采用蒙特卡洛抽样技术进行确定，计算得到总体风险值F后，对照表3.14确定高路堤工程施工安全总体风险等级。

表3.14典型鄂西高速公路高路堤工程施工安全总体风险分级标准

3.2.4　边坡施工总体风险评估实例

按照本章介绍的方法并参考《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南》对典型深路堑与高路堤进行施工总体风险评估，实例如下。

3.2.4.1　郧十高速YSTJ－10合同段K59+920～K60+100段右侧深路堑总体风险评估

主线路基K59+920～K60+100段路基开挖高度为16～35m、共设5级边坡。勘察结果表明，从边坡的岩体结构看，上部为强风化片岩，下部为中风化片岩，片状结构，边坡岩体节理裂隙较发育，岩体较破碎。开挖揭露情况表明3、4、5级边坡出露强风化片岩，局部已风化为土和碎石土，强度较差;第1、2级边坡出露中风化片岩，第1级边坡岩体较完整，第2级边坡岩体呈碎裂—块裂结构。对边坡稳定起控制作用的是岩体结构面，结构面与坡面构成楔形体，岩体可能产生楔形体破坏。岩层产状为80°∠65°，节理面产状为J1:130°∠60°，路堑开挖后边坡产状为100°∠45°，极射赤平投影如图3－6所示。该边坡岩层层面与节理面倾角均较陡，正常情况下岩体沿层面与节理面滑动的可能性不大，若施工过程中形成陡于60°的坡面时会出现楔形体破坏。

图3－6K59+920～K60+100段路基边坡赤平投影图

按挖方路堑边坡施工总体风险评估方法对该边坡进行评估，评估情况表如下。

表3.15K59+920～K60+100右侧边坡总体施工风险评估情况表

由总体风险评估表计算得出该边坡工程总体风险值R=33分，根据公路边坡施工安全总体风险等级标准得出结论:该边坡风险等级为Ⅲ级，属高度风险，需要组织施工单位开展专项风险评估。该边坡岩层面倾角较陡，岩体倾向与边坡倾向呈顺向坡，有滑坡的可能，由于切坡较大，应对路堑边坡采取支护措施，在施工过程中注意加强边坡监控，在边沟外侧设置破碎台，从施工现场操作管理评估与边坡稳定性评估两个层面加强高边坡专项风险评估，采取边坡加固、边坡防护等措施保障施工安全。

3.2.4.2　郧十高速YSTJ－6合同段K36+225～K36+465高路堤总体施工风险评估

该段路堤位于郧县杨溪铺镇烽火村境内，为线路穿越沟谷而建，设计里程桩号为K36+230～K36+470，长240m，右侧最大填方高度58.9m，中心最大填方高度约21.1m，路堤左侧最大填方高度7.1m，见图3－7所示。

图3－7K36+225～K36+465高路堤段高填路堤设计断面图(单位:cm)

路堤段地貌单元属构造剥蚀丘陵区。总体地势东高西低，地形陡峭，自然坡度15°～30°左右;路堤段处于半坡处，中部跨越的冲沟宽60m，冲沟中上部分布着大片的旱地，冲沟下为强风化片岩。路堤区下伏基岩岩性为震旦系下统耀岭河组(Z1y)绢云钠长片岩、钙质片岩、石英片岩等，斜坡及坡脚地带分布第四系残坡积(Qel+dl)粉质黏土。路堤段地表水不发育，无常年地表流水，主要为雨季时形成的地表面流;水文地质条件属简单类型。但K36+300段地表潮湿，冬季可见地下水出露，主线左侧有一个小山谷，不利于路基排水。径流方向多垂直或斜交谷底，山坡及坡脚处孔隙潜水向附近低洼处排泄，多形成基岩面附近的赋存水，该类型地下水易使路基地基土泥化、软化、变形，产生不均匀沉降、裂缝等危害，对路基工程影响较大。采用强风化、中风化片岩填筑。

按填方路堤边坡施工总体风险评估方法对该边坡进行评估，评估情况表如下表3.16。

表3.16K36+225～K36+465高路堤总体风险评估情况表

由总体风险评估表计算得出该路堤总体风险值R=24分，根据公路边坡施工安全总体风险等级标准得出结论:该边坡风险等级为Ⅳ级，属极高风险，需要组织施工单位开展专项风险评估，在施工过程中应加强沉降观测和动态监控，严格控制填筑速率。同时，该路堤由于临近小山谷，需对其进行填平处理，应加强路基排水措施。在施工过程中，应从加强现场施工安全组织管理与高路堤过程监控两个方面，确保施工安全。