高速公路路堑高边坡施工安全风险控制研究*

林俊勇，汪益敏，王兆阳

(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640)

0　引言

高速公路路堑高边坡由于施工环境复杂，受工程地质条件和自然环境因素影响大，施工安全风险比较高，施工过程中如何科学合理地进行动态设计和信息化施工，确保边坡安全十分重要。交通运输部自2015年颁布和实施了《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南》[1]，明确要求高速公路工程项目建设必须加强路堑高边坡施工安全风险管理，开展高边坡施工安全风险评估，加强施工现场安全风险预控，对路堑边坡工程可能发生的安全风险事件进行预防和规避。

本文结合广东省仁化至博罗高速公路路堑高边坡工程项目，开展高速公路路堑高边坡施工安全风险控制实例研究。首先通过资料收集、施工现场实地调研等手段，查明边坡工程地质条件和边坡安全风险源；然后采用有限元强度折减法建立数值模型，模拟分析边坡分级开挖及锚固过程中，不同施工工序条件下边坡的安全性能和变形规律；基于现场施工信息和数值模拟分析结果，提出针对性强的边坡施工安全风险控制措施，为确保该项目路堑高边坡的安全稳定提供科学依据，为同类型高速公路路堑边坡的施工安全风险控制提供借鉴和参考。

1　工程概况

1.1　边坡工程地质条件

广东省仁化至博罗高速公路地处粤北丘陵地带，沿线地形起伏较大，自然坡角最大约40°，工程实例边坡位于桩号K443+260～K443+585段右侧。根据本工程岩土勘察报告[2]，边坡主要由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组成。各主要岩土层特点及其分布如下：粉质黏土(Qdl)：黄色，粘性较差，坡积成因,局部分布，厚度0.50～2.80 m；粉质黏土(Qel)：黄色，湿，粘性差，残积成因,局部分布，厚度1.20～8.10 m；全风化粉砂岩(C1ds)：黄色，岩石风化完全，岩芯呈硬土状，手捏易散，母岩结构可辨,零星分布，厚度为2～10 m；强风化粉砂岩(C1ds)：灰褐色, 结构可辨，岩芯呈半岩半土状夹碎石状，粒径0.1～0.9 m，遇水易软化，岩质软,零星分布，厚度17.50～18.80 m；强风化粉砂岩(C1ds)：褐黄色, 结构可辨，岩芯呈半岩半土状夹少量碎石状，遇水易软化，岩质极软,局部分布，厚度2.70～7.90 m。边坡所处地区气候温和，雨量充沛，地表径流对坡面坡脚的冲刷较大,大气降水为地下水主要补给来源。

1.2　边坡设计方案及安全风险评估

K443+260～K443+585边坡典型断面图如图1所示，最大坡高达62 m，距离坡顶约20 m处有一座220 kV高压电塔。边坡采用台阶形式，分6级开挖，第1至第5级坡高均为10 m，第6级坡高不等。第1，2级坡坡率为1∶0.75，第3，4，5级坡坡率为1∶1，第6级坡坡率为1∶1.25，每级坡之间设置宽为2 m的平台。边坡设计采用以下加固措施：在第1级坡设置4排锚杆格梁加固，锚杆长度为8 m，设计抗拔力为60 kN；在第2，3，4级坡设置3排预应力锚索框架进行加固，锚索采用4股φ15.2低松弛预应力高强钢绞线，锚索长分别为20 m，22 m，24 m，锚固段长度均为10 m，设计预应力为400 kN。

按照《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南》[1]方法对本边坡进行安全风险评估，总体风险等级为III级[3]，需进一步开展专项风险评估。专项风险评估结果显示[4]，边坡开挖与预应力锚索施工导致失稳的危险程度为高度风险(III级)，为不期望风险，需制定风险控制专项方案。

图1　边坡典型断面设计Fig.1　Design drawingof typical section of the slope

1.3　边坡施工中出现的问题及处理方案

边坡自2016年10月份开始遵循自上而下原则开挖施工，现场开挖揭露，全强风化粉砂岩的节理裂隙十分发育(图2(a))。在2016年12月24日，当地连续3 d降雨过后，边坡在第4级与第5级坡面出现了局部滑塌破坏现象(图2(b))，边坡安全状况堪忧。分析造成该现象的原因主要是全强风化粉砂岩的节理裂隙发育，全强风化粉砂岩具有遇水易软化的特性[5]，降雨后大量的雨水沿着裂隙向坡体渗透，坡面岩土体遇水软化，强度降低，导致了边坡局部滑塌。边坡必须及时采取措施加固处理，避免滑塌范围进一步扩大，危及整个边坡以及坡顶电塔的安全。

图2　边坡现场Fig.2　The scene of the slope

边坡出现局部滑塌之后，建设单位迅速组织相关设计、施工、试验监测单位通过信息化动态设计，制定边坡工程抢险方案，对边坡采取以下措施进行应急抢险加固处理：停止边坡开挖； 在第4级坡坡脚对边坡滑塌破坏部分进行回填反压；实施第4级坡面的预应力锚索框架格梁施工，并同时进行已开挖第5级、第6级坡的坡面防护施工。由于加固处理及时得当，该路堑边坡未发生进一步的滑塌破坏，边坡安全风险得到控制。

2　边坡施工安全稳定性数值模拟分析

为全面掌握进一步施工开挖对边坡稳定性的影响，确保边坡安全稳定，利用有限元强度折减法对边坡开挖过程进行数值模拟分析，得出不同施工工序条件下边坡的稳定性，根据模拟计算分析结果确定合理的边坡加固方案和施工工序，提出针对性强的边坡施工安全风险控制措施。

2.1　数值模型建立

利用ABAQUS有限元软件模拟边坡施工过程，数值计算采用二维平面应变模型，计算模型如图3所示，左右边界从坡脚和坡顶线各向外延伸40 m，下边界从路面标高向下延伸40 m，左右两侧限制水平位移，底端限制水平和竖向位移。模型网格划分见图3，四边形单元采用CPE4单元，三角形单元采用CPE3单元，锚杆与锚索采用T2D2单元模拟，锚杆与锚索采用EMBEED功能嵌入坡体。

图3　未开挖时模型网格划分Fig.3　Mesh partition of the slope model

边坡岩土体视为摩尔—库仑理想弹塑性材料，岩土材料的本构关系采用摩尔—库仑模型。根据工程岩土勘察报告[2]，结合现场实际揭露的地层岩性，边坡各层岩土体材料计算参数如表1所示。锚索和锚杆采用线弹性模型，锚索的预应力通过定义初始应力的方式施加，支护结构的计算参数如表2所示。

表1　边坡岩土体材料计算参数

表2　支护结构计算参数

有限元强度折减法是通过不断降低边坡岩土体抗剪强度参数使其达到极限破坏状态为止，根据弹塑性有限元计算结果得到破坏滑动面，同时得到边坡的稳定安全系数，计算结果在工程中有较大的参考价值[6]。

现有研究成果反映，当采用有限元强度折减法分析边坡稳定问题时，边坡失稳判据的合理选择十分重要[7-9]。基于本工程边坡的特点，本文采用特征点位移速率突变作为边坡失稳的判据，以坡顶点的竖向位移速率及坡脚点的水平位移速率作为考察的特征参数，当特征点位移速率发生突变时则认为边坡发生失稳。对比有限元强度折减法和公路路基设计规范推荐的极限平衡法[10]边坡在未加固和加固后2种工况条件下计算所得的边坡稳定安全系数(见表3)，可见利用特征点位移速率突变作为边坡失稳的判据所得结果与极限平衡法所得结果具有较好的一致性，验证了本文建立的有限元强度折减法数值模型计算结果的合理可靠性。

表3　强度折减法与极限平衡法稳定安全系数对比

2.2　计算步骤

基于边坡现场开挖状况，数值计算主要模拟开挖第1级、第2级、第3级边坡的施工过程。第1步开挖第3级坡，第2步开挖第2级坡，由于第1级坡开挖造成的变形较大，第1级坡分3次开挖：第3步开挖第1级坡的第1部分(3 m高)，第4步开挖第1级坡的第2部分(3 m高)，第5步开挖第1级坡的第3部分(4 m高)。数值模拟步骤如下：

1)对未开挖的边坡施加重力，采用ABAQUS的Geostatic分析步进行地应力平衡，得到边坡的初始应力场。

2)通过定义单元生死的方法，移除第1步开挖的土体，并重新施加重力荷载，得到该开挖步的应力应变场。

3)通过改变土体参数的场变量实现土体强度折减，以坡顶和坡脚特征点位移速率突变作为边坡失稳判据，得到该阶段的稳定安全系数。

4)添加锚杆或预应力锚索，如果是预应力锚索，以定义锚索初始应力的方式施加锚索预应力。重复步骤3)。

5)按照模拟第1步开挖的方法，依次进行第2步、第3步开挖直至第5步开挖完成。

2.3　边坡安全性计算分析

边坡在不支护条件下，从上往下开挖时，不同开挖阶段的稳定安全系数变化规律如图4所示。由图4可知，第3级坡开挖前，边坡稳定安全系数为1.162，稳定安全系数在第3级坡开挖后出现了较大的下降，仅为1.074。第1级坡开挖完成后，稳定安全系数进一步降低到1.045，总体下降幅度达到10%左右。第3级坡开挖后的稳定安全系数虽然比现行公路路基设计规范[10]规定的最小临时稳定安全系数1.05高，但考虑到施工现场临时荷载和机械振动以及环境因素等可能对边坡造成的影响，边坡失稳风险较大。

图4　不支护稳定安全系数变化Fig.4　The change of the safety factor of the slope without reinforcement

为控制失稳风险，在第3级坡开挖前应先对第4级坡进行支护，边坡的开挖应遵循开挖1级支护1级，各施工阶段的稳定安全系数如图5所示。由图5可知，对第4级坡进行支护后，边坡的稳定安全系数从1.162提高到1.191，第3级坡开挖完成后稳定安全系数仅下降至1.186，后续安全系数在1.20左右波动，相比于不支护情况，稳定安全系数总体提高10%～20%，边坡失稳风险减小。因此，为控制开挖失稳风险，在开挖第3级坡前，需先施工第4级坡的预应力锚索框架梁，待加固措施发挥作用后才可继续开挖第3级坡。

边坡主要由强风化粉砂岩组成，表面节理裂隙发育，强风化粉砂岩具有易崩解，遇水易软化的特性。周罕等[11]的研究表明，粉砂岩在饱水条件下比自然条件下黏聚力平均降低29.7%，内摩擦角平均降低20.2%。为研究边坡在降雨条件下的稳定性，计算边坡在开挖1级防护1级条件下，土体强度分别降低10%，20%的稳定安全系数，计算结果如图5所示。由图5可知，当边坡土体强度降低10%时，除了开挖第4级坡时的稳定安全系数为1.047小于1.05，其他阶段的稳定安全系数均大于1.05，边坡基本稳定。当边坡土体强度降低20%时，各施工阶段的稳定安全系数均低于1.05，边坡处于失稳临界状态，失稳风险较高。

图5　逐级开挖逐级支护稳定安全系数变化Fig.5　The change of the safety factor of the slope with reinforcement

2.4　边坡分级开挖与加固的影响分析

边坡在开挖和锚索预应力施加过程必将产生一定的变形，当出现塑性变形时边坡的稳定性将会降低，通过研究边坡塑性变形区的发展趋势与稳定安全系数之间的关系，在掌握边坡变形状态的情况下，可以间接判断边坡的稳定安全状态。

在数值模拟过程中，ABAQUS可以输出单元高斯点上的塑性应变量(PEMAG)，由塑性应变云图可判别滑动面的位置及其发展趋势。塑性应变量(PEMAG)的表达式为[12]：

(1)

式中：εpl表示单元高斯点上的塑性应变张量。

边坡在逐级开挖逐级支护的情况下，第2级坡开挖前未出现塑性变形区，第2级坡开挖完成后的塑性应变云图如图6(a)，第1级坡开挖时的塑性应变云图如图6(b),(c)。由图6(c)可知，第2，3，4级坡的塑性变形区域未超过预应力锚索的锚固区，第1级坡的塑性变形区也未超过锚杆的加固区，反映了预应力锚索和锚杆对坡体加固的有效性。

由图6(a)可知在第2级坡开挖完成后，第3级和第2级平台坡脚首先出现塑性变形区域，但是延伸范围不大，稳定安全系数有一定的降低，由1.197下降到1.189，在开挖第1级坡前如果不进行预应力锚索施工，稳定安全系数将进一步降低，因此在开挖第1级坡前应当施工第2级坡的预应力锚索，避免塑性变形区的进一步扩大。

由图6(b),(c)可知，第1级坡开挖时，模型的塑性变形区出现了较大范围的扩展，其扩展的顺序是：坡脚最先出现塑性变形区，随着开挖的进行，坡顶也开始出现塑性变形区，最后塑性变形区从坡脚和坡顶向坡体中部扩展，最终形成贯通的塑性变形区域。根据位移计算结果，考察坡顶特征点的竖直方向位移量大小，在第1级坡开挖前总位移为8.4 mm，在第1级坡开挖完成后总位移量为17.3 mm，总位移增大了接近1倍。由此可见，塑性变形区的贯通增加了坡顶特征点的位移量。

图6　边坡不同施工阶段塑性应变Fig.6　Plastic strain distributions of the slope in different stage

3　边坡施工安全风险控制方法

基于边坡施工阶段稳定性数值模拟分析结果和现场开挖情况，边坡施工安全稳定性的主要影响因素有：边坡的加固方法；边坡的施工工序；边坡的岩土体工程性质；降雨因素。

3.1　合理安排施工工序

由图4可知，边坡在不支护，分级开挖情况下，在开挖到第3级坡时，边坡的稳定安全系数只有1.074，如果继续开挖，到第1级坡开挖完成，边坡的稳定安全系数进一步降低到1.045，边坡的安全稳定性较差。因此，在开挖第3级坡前需完成第四级坡预应力锚索的施加。由图5可知，边坡在逐级开挖逐级支护情况下，边坡开挖时稳定安全系数有一定的下降，在开挖第3级坡时下降幅度最大，约为0.6%，下降幅度较小。在进行支护后稳定安全系数又有一定的增加，在加固第2级坡时增加幅度最大，约为1.6%。整个施工过程的稳定安全系数在1.20左右波动，失稳风险得到了一定的控制。

由图6(c)可知，开挖第1级坡时，边坡塑性变形区出现较大范围扩展。根据位移计算结果，坡顶特征点竖直方向的位移在第1级坡开挖时由8.4 mm增加到17.3 mm。因此需控制第1级坡的开挖速度，待边坡应力调整、变形稳定后再继续开挖，避免边坡应力调整过大出现较大位移而发生破坏。

3.2　做好防排水措施

造成边坡出现滑塌的原因主要分为内因和外因，而水是导致滑塌的主要外部因素[13]。边坡主要由强风化粉砂岩组成，表面节理裂隙发育，开挖过程中，坡面临时处于裸露状态，降水易通过裂隙渗入坡体内。由图5可知，当降雨导致边坡强度降低10%时，在不同施工阶段，边坡的稳定安全系数接近公路路基设计规范[10]规定的最小临时稳定安全系数1.05，当降雨导致边坡强度降低20%时，边坡的稳定安全系数均低于最小临时稳定安全系数，不满足安全稳定性要求。

因此，边坡开挖应尽量选择在旱季施工，在具备施作坡面防护条件时应及早进行坡面防护。开挖过程出现降雨时，需及时对开挖面进行临时覆盖并做好临时排水措施，避免雨水沿着节理裂隙面下渗，降低边坡失稳的可能性。

3.3　加强施工监控

路堑高边坡的稳定是极为复杂的非线性、多参数岩土力学问题，单靠理论分析很难把握其稳定状态，必须建立动态监测体系[14]。边坡变形失稳过程一般可划分成平稳、缓增启动、变形加速、失稳等阶段[15]。边坡施工监控的意义在于提前发现边坡失稳破坏的迹象，对边坡采取紧急措施，防止边坡发展到变形加速阶段，降低边坡失稳的可能性。根据有限元模拟结果(图6)，开挖过程中坡脚最先出现塑性变形，当坡脚变形量较大时，需加强整个边坡的变形监测，密切关注坡脚的剪切变形和坡顶的张拉变形。本工程设置两个监测断面，施工安全监测内容包括坡面位移、深层水平位移、锚索应力监测，测点布置如图7所示。

图7　监测项目布置Fig.7　Layout of the monitoring project

自2017年1月13日开始监测CX2，CX4测孔处的深部水平位移，2月23日的监控结果显示在CX2孔18～20 m深度范围内测斜曲线出现向临空面的位移突变，直到3月5号监控的结果显示，位移仍不收敛(如图8所示)。位移量虽然未达到连续3 d大于2 mm/d的报警标准，但仍需引起重视。经过现场分析，发生位移突变的高程(18～20 m)对应为第4级坡面下部，第4级坡面的预应力锚索未进行张拉，在3月5号第四级坡面预应力锚索的注浆时间满足锚索预应力张拉要求时，对第4级坡面进行张拉，作为控制坡体变形的应急措施。3月8号的监测结果显示，深层位移曲线已向坡体内部回缩，表明第4级坡的预应力锚索张拉有效地控制了坡体的变形，施工监控在防止边坡变形失稳发挥了作用。

图8　CX2累计位移-深度曲线随时间的变化规律Fig.8　Plot of accumulative displacement-depth of CX2 hole change with time history

4　结论

1)强风化粉砂岩节理裂隙发育，具有遇水易软化的特性，发生降雨时，雨水沿着节理裂隙渗入坡体，造成岩土体强度降低，易引起边坡局部滑塌。

2)边坡在不支护的情况下，进行第3级坡开挖，边坡稳定安全系数降低约10%，仅为1.074，不利于边坡的稳定。当边坡开挖遵循开挖1级支护1级原则时，边坡的稳定安全系数在1.20左右波动，失稳风险得到一定的控制。

3)根据现场施工情况和数值计算结果，高速公路路堑高边坡施工时采取合理安排施工工序、做好防排水措施、加强施工监控等安全风险控制措施十分必要。

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