考虑地质分类的高速公路路堑高边坡施工安全风险评估方法及应用研究

邹国庆， 潘世强

(1.湖南省平益高速公路建设开发有限公司， 湖南 岳阳 414499；2.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

随着山区高速公路发展，不可避免地出现大量深挖路堑。因路堑边坡开挖，破坏了原有应力平衡状态，导致边坡失稳破坏，不仅影响工期进度，还可能造成大量的人员伤亡和经济损失[1-3]。为加强高速公路路堑高边坡施工现场安全风险的管控，预防和规避路堑边坡工程可能发生的安全风险事件，近年来不少研究机构和研究人员对高边坡工程施工风险评估和风险防控技术开展了一系列研究工作。基于此，交通运输部组织编制了《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南(试行)》(下称《指南》)[4]。叶咸等[5]以云南某高速公路边坡为例，演绎边坡施工安全总体风险评估的详细过程，采用GeoStuido软件模拟分析边坡稳定性，验证了评估结果的可靠性。涂圣文等[6]针对高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估过程中存在模糊性与随机性的特点，基于处理不确定信息的云模型理论，提出一种基于改进 CRITIC法与云模型相结合的高速公路路堑高边坡工程施工安全总体风险评估模型。但无论采用什么评估方法，基本都借鉴了《指南》中专家调查评估法或指标体系法。而《指南》对边坡评价指标中的权重系数计算方法尚有较多待商榷之处，基于此，本文提出了考虑地质分类的高速公路路堑高边坡施工安全风险评估方法，以期达到减少评估主观因素影响、提高评估精度的目的。

1 考虑地质分类法的边坡总体评估方法

1.1 指标体系法边坡评估基本原理

《指南》推荐采用指标体系法或专家调查评估法。指标体系法以其实操性强的特点受到评估工程师信任,其计算公式如下:

(1)

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

在确定好权重系数后，对评估指标的5大类11个指标进行逐一评分并与相应的权重系数相乘后进行累加，即可获得该边坡的评估分值。

1.2 指标体系法权重系数的计算方法

传统边坡安全评估是单一地对边坡指标中的5大类11个指标进行排序，排序后即确定了每个指标的权重系数。但是不同的评估工程师对指标的重要性认识程度不一，结果受主观因素影响较大，甚至出现排序出现严重偏差的技术问题，以致评估结果的失真。

本文提出一种基于地质分类方法的权重系数计算方法，可有效提高评估效率和评估精度。具体评估方法见图1，通过此方法对边坡评估指标进行智能排序，可有效减少人为因素对边坡评估的干扰，同时可提高评估结果的准确性。

图1 基于地质分析的指标体系法边坡评估分类图

在实际工程项目中，单纯的土质边坡以及岩质边坡较少，大部分边坡为岩土混合二元坡。为便于实际工程应用，在此做如下规定：土层厚度(含全风化层)超过边坡总高度3/5的边坡为土质边坡；土层厚度(含全风化层)小于边坡总高度1/5的边坡为岩质边坡；土层厚度(含全风化层)介于边坡总高度1/5～3/5区间的边坡为二元坡。

评估指标的重要性排序决定了其权重系数的高低。根据《指南》4.4.1条规定“风险大小=事故发生可能性×事故后果严重程度,×表示事故发生可能性和事故后果严重程度的组合”可以看出，影响边坡风险等级的两个重要因素是边坡规模和失稳的可能性。由此判断，边坡高度决定了事故后果的严重程度，而水文地质条件决定了边坡失稳滑动的可能性大小。因此无论如何，边坡高度和水文地质特性必须优先考虑。

根据二级分类情况，对典型的7种边坡评价指标进行了地质分析。受篇幅限制，本文仅对如下2类边坡进行论述。

1.2.1红黏土边坡以及膨胀土边坡

红黏土边坡以及膨胀土边坡影响较大的3个参数分别为地下水、坡高、坡形坡率。本文结合前期科研成果及工程经验判定，推荐红黏土边坡以及膨胀土边坡指标排序和权重系数(见表1)。

表1 红黏土边坡以及膨胀土边权重系数推荐表序号项目权重系数γ1 地下水X230.173 62 边坡高度X110.157 03 坡形坡率X120.140 54 地层岩性X210.124 05 坡体结构X220.107 46 施工季节X310.090 97 自然灾害的影响X320.074 48 周边环境X420.057 99 工程措施类型X410.041 310 地质资料X510.024 811 设计文件X520.008 3

1.2.2节理影响较大的岩质边坡

该类边坡主要包含如下岩性：花岗岩、玄武岩、灰岩、砂岩等。由工程实践分析，坡体结构、边坡高度、坡形坡率以及地下水是影响边坡稳定的主要因素。该类边坡推荐的权重系数见表2。

表2 节理影响较大的岩质边坡权重系数推荐表序号项目权重系数γ1 坡体结构X220.173 62 边坡高度X110.157 03 坡形坡率X120.140 54 地下水X230.124 05 地层岩性X210.107 46 施工季节X310.090 97 自然灾害的影响X320.074 48 周边环境X420.057 99 工程措施类型X410.041 310 地质资料X510.024 811 设计文件X520.008 3

2 工程项目分析

2.1 工程概况

湖南省平伍高速K29+920～K30+180右边坡，最大挖高30.4m，长度260m，坡向151°。该路堑段属低山地貌，地形起伏较大，山体自然边坡约为10°～30°。地层岩性：表层为粉质黏土,黄褐色，坚硬状，含砂砾石，厚度1.0m；中部为强风化砾岩，红褐色，节理裂隙发育，岩石风化强烈，岩体破碎，岩质软，厚度13.4m；下部为中风化砾岩，红褐色，厚层状构造，砂砾质结构，节理裂隙较发育，岩石较破碎，岩质较软。岩层产状115∠24°，不利节理面180∠35°，对右侧边坡稳定不利。边坡及岩体结构面赤平投影与设计典型横断面见图2、图3。

从图2、图3可以看出，坡体主要为强风化顺层砂砾岩，且两组不利结构面的组合会形成楔形滑动体，这对边坡的稳定极为不利。

图2 边坡及岩体结构面赤平投影图

图3 K29+280典型横断面边坡设计(单位： cm)

2.2 边坡总体安全评估

基于地质分析指标体系法的边坡评估分类方法，该边坡属于节理影响较大岩质边坡。其评价指标权重系数按照表2计算，计算过程及结果见表3。由总体风险评估计算公式F=∑Xij，求得该高边坡总体风险值为40.83，根据总体风险等级标准得出结论：该边坡风险等级为Ⅱ级，中度风险。

传统评估方法一般是将地层岩性排在第一位，其次是边坡高度。本文按“地层岩性、边坡高度、坡形坡率、地下水、坡体结构、工程类型措施、施工季节、自然灾害的影响、周边环境、地质资料、设计文件”排序，即将地层岩性以及坡体结构结构两个指标进行对调，其评估分值F=37.5，虽然边坡风险仍然属于Ⅱ级，中度风险，但其评价分值相对偏低。

2.3 现场验证

该边坡于2020年5月进行开挖，边坡开挖后，边坡不利结构面受降雨影响，在7月份发生浅层垮塌，但边坡整体高度不大，并未造成较大的工程损失，充分验证了评估方法的可靠性。

表3 K29+920～K30+180右侧边坡总体安全评估计算表序号评估指标分级描述基本分值Rij权重系数γij评估分值1 坡体结构X22缓倾顺向结构面,结构面软、不贯通680.173 6 11.801 72 边坡高度X11高度H=30.4 m,级高h=8260.1570 4.082 6 3 坡形坡率X125°≤Δα=7°<10°350.140 54.917 44 地下水X23地下水贫乏,水位、水量受季节性影响较大,水文地质条件简单,坡顶反坡,无汇水条件100.124 0 1.239 7 5 地层岩性X21强风化砂砾岩300.107 4 3.223 16 施工季节X31雨季施工,地区年平均降雨量大于1 300 mm1000.090 9 9.090 97 工程类型措施X41工程措施类型为锚杆锚固工程500.074 4 3.719 0 8 自然灾害的影响X32自然灾害很少100.057 9 0.578 59 周边环境X42周边无重要建筑物100.041 3 0.413 210 地质资料X51该高边坡工点有1个勘察断面,1个勘探点580.024 8 1.438 011 设计文件X52一坡一图一说明图件较完整400.008 3 0.330 6 合计F=∑Xij=∑Rij·γij40.830 0

图4 边坡垮塌现场照片

3 结论

边坡施工总体风险评估是根据边坡现场情况、既有地质资料、设计文件等对边坡的失稳可能性以及失稳后的后果严重程度进行综合评估。其评估结果可为建设单位与施工单位做好决策及施工准备提供科学依据。具体结论如下：

1) 提出的“考虑地质分类的高速公路路堑高边坡施工安全风险评估方法”减少了主观因素对边坡施工安全评估的干扰，方法可行，评估精度有所提高。

2) 基于地质分类法的边坡总体评估方法应优先考虑水文地质结构和边坡高度两个权重系数。对于水稳定性较差的土质边坡应优先考虑地下水以及坡形坡率的影响；对于顺层边坡应优先考虑坡体结构对边坡总体评估的影响。

3) 边坡总体安全评估的评估精度除了受评估指标权重系数的影响，还与基本分值的计算方法具有较大关系，下一步应进一步开展对评价指标基本分值计算方法的研究，以减少人为因素影响。