3.2 邊坡施工總體風險評估

邊坡施工總體風險評估是以高速公路建設項目全線高邊坡工程為評估對象，根據工程建設規模、地質條件、工程特點、誘發因素、施工環境等，評估全線路塹高邊坡施工安全風險，確定風險等級并提出控制措施。邊坡施工總體風險評估包括挖方路塹施工風險評估和填方路堤施工風險評估。

3.2.1 評估過程與評估方法

3.2.1.1 評估過程

風險評估過程包括以下幾個步驟：

1）準備階段

（1）成立評估小組，明確職責分工，其中小組負責人應當具有5年以上工程管理經驗。

（2）明確評估對象和范圍，收集國內外相關法律和標準，了解同類工程的事故情況。

（3）現場查勘評估對象的地理、水文、氣象條件，收集工程建設有關資料。

2）開展總體風險評估

根據建立的安全評估指標體系，用定性和定量相結合的方法初步分析項目中高邊坡、高路堤在施工過程中的孕險環境與致險因子，估測施工中發生重大事故的可能性，確定項目總體風險等級。

3）制定風險控制措施

根據風險接受準則的相關規定，提出風險源的專項評估控制要點和監測、監控、預警措施。高速公路高邊坡、高路堤施工安全總體風險評估工作程序見圖3-5。

3.2.1.2 評估方法

邊坡施工總體風險評估通常采用指標體系法。首先對影響邊坡施工風險的指標進行分類，在指標分類的基礎上，提出評估指標。將各評估指標按重要性從高到低順序進行排序，可采用權重系數對各評估指標重要性進行區分。權重系數采用重要性排序法確定，計算公式如式（3.23）所示。

式中，γ為權重系數；n為評估指標（重要指標）項數；k為重要性排序號，k＜n。

邊坡施工安全總體風險按式計算確定

式中，Xij為評估指標分值；Rij為評估指標的基本分值。其中，i=1,2,3, …m；j=1,2,3…n。m為指標分類的數量，n為對應第i類評估指標包括的重要指標的數量。

計算得出F值后，依據總體風險分級標準確定邊坡施工安全總體風險等級。

3.2.2 挖方路塹施工風險評估

3.2.2.1 總體風險評估指標體系的構建

影響公路邊坡施工安全的因素較多，既有定性的，也有定量的，有簡單的，也有十分復雜的。因此，如何正確確定公路邊坡施工安全的評估評價指標是一項復雜的、難度較大的系統工程。對因素的選取既不能過多也不能太少，評價因素少會導致信息的缺失，不能把影響公路邊坡穩定性的綜合因素全部考慮，致使評判結果失真；評判因素過多，一是會增加不必要的計算負擔，二是會影響對評價因素主次關系的判斷，不利于指標的權重分配。因此，在選取公路邊坡安全評判指標因素時應遵循系統性、靈活性、針對性、實用性及綜合性的原則。

考慮到現有技術條件下易于獲得和便于實際應用并針對高速公路邊坡的特點，結合鄂西某公路工程建立了其高速公路路塹邊坡施工安全風險評估指標體系。公路邊坡工程施工安全總體風險評估主要考慮高邊坡的地質條件、氣候環境條件、地形地貌、開挖邊坡幾何形態、施工工藝等五個評估指標，評估指標的分類、賦值標準可參見表3.11。

公路路塹邊坡工程總體風險評估指標和風險的關系如下：

1）地質條件

地質條件主要考慮地層巖性、優勢結構面與挖方邊坡坡向、巖層風化程度、巖體結構與地下水，這些因素是公路高邊坡發生坍塌、滑坡事故的主要客觀因素。

地層巖性及其組合是構成邊坡的物質基礎，巖性決定巖石的強度、抗風化能力、巖體結構及所能保持的邊坡高度。巖石軟弱，則風化深度大，破碎嚴重，當邊坡高度、坡度達到一定值時會發生失穩現象。堅硬巖石邊坡失穩以崩塌和結構面控制型失穩為主，軟質巖邊坡穩定性與巖土體的工程地質性質關系密切，巖土體的工程地質性質越優良，邊坡的穩定性越高。而巖性對邊坡穩定性效應主要表現在巖性、巖性組合的多樣性與復雜性、軟硬巖及其在邊坡中的位置以及原生結構面的解體性等。當結構面較發育、規模較大、連通性較好、充填物強度較低時，邊坡穩定性就較差。

風化作用使巖土體的抗剪強度減弱，裂隙增加、擴大，影響斜坡的形狀和坡度。同時，風化作用使坡體透水性增加，地面水則易于浸入，改變地下水的動態，從而降低斜坡的穩定性。若沿裂隙風化，可使巖土體脫落或沿斜坡崩塌、堆積、滑移等。

另外，結構面的產狀與邊坡面的相互關系也是影響邊坡穩定性的重要因素。不同結構的巖體，物理力學性質差別很大，邊坡變形破壞形式也不同。但具有相同結構的巖體，其穩定性主要取決于邊坡巖體中的結構面。而軟弱結構面（帶）控制邊坡失穩的規模、滑動方式以及滑動速度等，如果軟弱夾層的抗剪強度低，便容易產生剪切破壞，進而產生邊坡失穩，主要有順層邊坡和水平層邊坡。在具體研究中需要考慮各類型結構面的間距、產狀、充填物以及連通性等因素。在風險評估中，主要考慮巖層傾向與地面坡向之間的關系造成的影響。

巖土體的力學性質受水的影響很大，大多數邊坡失穩的發生與地下水活動有關，地下水的動態變化直接關系到邊坡的穩定性狀況。由于邊坡介質的非均勻性，以及失穩過程中邊坡的變形破壞具有非連續性，故在邊坡失穩發生的過程中地下水對邊坡穩定性的影響不可忽略。地下水富集程度提高，一方面會增大坡體下滑力，另一方面會降低軟弱夾層和結構面的抗剪強度，引起孔隙水壓力上升，降低滑動面上的有效正應力，導致滑動面抗滑力減小，從而導致邊坡失穩。

2）氣候環境條件

氣候環境條件對邊坡穩定性的影響有多種作用方式，如降雨、氣溫變化等，其中以降雨的作用最為突出。暴雨、長期降雨過后，邊坡土體含水量增加甚至飽和，致使邊坡土體強度降低，坡體下滑力增大，滑動面的抗滑力減小，從而導致邊坡失穩。

3）地形地貌

邊坡的形態和規模等地貌因素對邊坡穩定性的影響顯而易見，不利形態和較大規模的邊坡往往在坡頂產生張應力，引起坡頂出現張裂縫；在坡腳產生強烈的剪應力，出現剪切破壞帶，拉張裂縫及剪切破壞帶會極大地降低邊坡穩定性。另外，開挖體形復雜將使應力重分布不利，可能在多個部位出現應力集中帶，加劇邊坡巖體的卸荷松弛，邊坡失穩模式呈多樣化，穩定性降低。同時，還會造成高處墜落、機械傷害等生產安全事故。

4）開挖邊坡幾何形態（包括邊坡高度、邊坡坡率及開挖規模）

邊坡的設計措施是否合理是決定邊坡穩定的關鍵，它包括確定高度、坡率等。因此，在一定的工程地質條件下，邊坡的穩定性取決于設計是否與地質條件相適應。邊坡開挖高度大、坡率陡時，邊坡失穩風險高，這是眾所周知的。而值得注意與重視的是邊坡開挖坡率與原始地形坡率的關系，由于斜坡天然坡度是其自穩坡度的最直觀反映，因此當邊坡開挖坡率與原始地形坡率的比值為1時，此時開挖并未改變邊坡坡率，其失穩風險小，當邊坡開挖坡率與原始地形坡率的比值遠大于1，開挖邊坡比天然邊坡陡峭較多時，邊坡開挖規模大，較嚴重的破壞了邊坡的平衡，其失穩風險高。

5）施工工藝工法

邊坡施工開挖中經常采用的爆破施工方法也是影響邊坡穩定性的動力因素。同時，施工方法、工藝及施工順序對邊坡的穩定也有很大影響，故應結合不同地質條件及工程特性，在設計合理的前提下，做好施工組織，選擇有效的施工方法及工藝，尤其做好開挖與支擋工程的有機配合。

3.2.2.2 總體風險評估模型

高邊坡施工安全總體風險F按式（3.24）計算。

評估指標體系中各指標所賦分值應結合工程實際，綜合考慮各種因素的影響程度而定。

3.2.2.3 總體風險分級標準

計算得到總體風險值F后，對風險等級閾值運用蒙特卡洛隨機抽樣技術進行界定。

1）總體分布檢驗

危險度樣本空間總體分布檢驗采用K-S（Kolmogorov-Smirnov）法，其基本原理如下：設觀測樣本值為x1, …, xn，再設某理論分布F（x），則提出如下假設：

H0：樣本值符合 F（x）分布。檢驗統計量：，其中Sn（x）對應于樣本的累積頻率：

式中，x1, …, xn是排序后的樣本的大小。

在K-S檢驗中，Sn（x）和F（x）在整個測試范圍內的最大值D就是理論模型和觀測數據之間差值的量度，則有：

由此，若H0為真，則當n→∞時，的分布函數將收斂到L（λ），若D的觀測值為d，則當為小值時，拒絕接受假設，即認為樣本x1, …, xn不是來自F（x）。

通過編制計算程序，應用蒙特卡洛隨機抽樣技術，抽樣次數為108，樣本的值域空間在累積頻率圖上呈現鐘形分布。K-S總體分布檢驗結果顯示，所輸入數據的總體符合正態分布。

2）風險等級閾值界定

依據概率論“大數定律”，對隨機抽樣N個樣本進行統計計算，以平均值X代替總體樣本均值μ，其估計可靠性，見下式（3.29）。

式中，N為模擬的次數；R為可靠度。

運用蒙特卡洛隨機抽樣技術，抽樣次數108，可靠度R在99%以上，可滿足精度要求。按正態分布函數，以置信區間[0,20%）、[20%,40%）、[40%, 60%）、[60%,100%）作為風險等級劃分的基本區間，查詢正態分布函數數值表，可得各風險等級的閾值區間；同時結合工程實踐對風險等級閾值修正。典型鄂西地區高邊坡工程施工安全總體風險分級標準，見下表3.12。

3.2.3 填方路堤施工風險評估

3.2.3.1 總體風險評估指標體系

高填方路堤施工安全管理與穩定性受很多不確定因素的制約，同路塹邊坡風險評估類似，如何正確確定公路高填方路堤施工安全的評估評價指標是一項復雜的、難度較大的系統工程。因此，在選取公路高填方路堤安全評判指標因素時評估也應一直遵循系統性、靈活性、針對性、實用性及綜合性的原則。

基于鄂西地區高速公路項目高填方路堤施工的實際情況，建立了如下高路堤施工安全風險評估指標體系。公路高路堤工程施工安全總體風險評估主要考慮填石料種類、填方部位地表形態、填方區排水、填方高度、地基條件、填筑速率、施工機械及加固方式等八個評估指標，評估指標的分類、賦值標準可參見下表3.13。

公路高路堤工程總體風險評估指標和風險的關系如下：

（1）填石料種類。填料作為路基的主體，其反映出路基的使用功能和力學性質。不同的填料，其土工參數差異較大，具體表現在填方路基的強度和穩定性差別也很大。路基填料可以用土，也可以用石，但由于公路路堤填料沿線分布不均，其強度和穩定性受自然條件的影響很大。填料顆粒的大小、形態、級配情況會對填筑體的密實度、壓縮性、強度以及排水性等工程性能產生影響。路基填土不同，其工程性質相差甚遠。填土性質較差，將導致壓縮性增大，在路基施工和運營期間產生較大的沉降變形。若填土中混入了種植土、腐殖土或泥沼土等劣質土，或土中含有未經打碎的大土塊等，由于這類土中有機物含量多、抗水性差、強度低等特性的作用，路堤將出現塑性變形或沉陷破壞。填土的級配不勻會造成填土孔隙率增大，在一定期限內（例如經過一個雨季）可能產生局部的明顯下沉。

（2）填方部位地表形態。填方部位不同的地表形態對高路堤穩定性會產生重要影響。當工程地質條件不良，原地面比較軟弱，特別是在泥沼地段、流沙和垃圾以及其他劣質土地段填筑路堤時，若填筑前未經換土或很好地壓實，則填筑完成后，原地面上土壤易產生壓縮下沉或擠壓位移。當路堤穿過溝谷時，溝谷中心往往填土高度最大，向兩端逐漸減低，在路堤橫斷面上，往往迎水面填土高度小于背水面。這樣也將由于填土高度不同而可能產生不均勻下沉，使路堤縱斷面方向路面中間低、兩邊高，橫斷面方向的路肩一側高一側低。

（3）填方區排水。高填方會破壞原填方區的水系，路基排水的任務是把路基工作區內的土基含水量降低到一定的范圍。土基含水量過大、排水不良會引起土質松軟，強度降低，邊坡坍塌，堤身沉陷或滑動以及產生凍害等。同時，滲流也將帶走一部分土粒，使填土的孔隙率增大，在行車荷載及自重作用下壓密，造成沉降。水是路基的大敵，對路基危害極大，當水滲入路基后，使填料自身產生變形，極易造成堤身下沉滑塌。

（4）填方高度。填方高度是在公路設計中根據公路平面線、縱斷面等資料確定的。填方高度越高、路堤體積越大，要求路堤本身具有足夠的整體強度和穩定性，而路堤填筑面積和土石方工程量也會增加，這給施工過程當中控制施工質量增加了難度。

（5）地基條件。路堤的穩定性主要取決于堤身填土性質和堤底的地基承載力。在路堤填土性質滿足要求的情況下，地基承載力小的，隨路堤高度的增加易發生剪切破壞而失去穩定，造成路堤產生過大的沉降和差異沉降，導致公路路面出現斷裂性破壞，降低公路的使用壽命和使用效率。

（6）填筑速率。研究表明，無論是厚土層地基，還是較薄土層地基，施工速率越快，工后沉降越大，堤頂差異沉降也越大；同時，其發生破壞的可能性也有所增加，穩定系數降低，填筑速率對厚土層地基的影響更大。另外，在軟基上填筑路堤時，若填筑速率過快，軟基中孔隙水壓力上升，抗剪強度較低，軟基來不及固結到能夠提高承載力來克服路堤重量，容易發生路堤失穩。因此，在實際工程中，在時間許可的條件下，應盡可能采用較慢的填筑速率，尤其是地基土層較厚和軟弱時。

（7）施工機械。在高填方路基的施工過程中，應按要求配備相應的整平、碾壓機具，并按規范進行操作。若未按要求的壓實工藝進行碾壓，路基的壓實強度不均勻，壓實度達不到規定要求，將會導致高填方段路基產生較大的沉降變形。在分層填筑時，應按照《公路路基設計規范》要求的厚度進行鋪筑。若隨意將分層厚度加大，而壓實機具則按照規定的碾壓遍數壓實時，壓實度將達不到規范規定的要求；當填筑到路基設計標高時，必然產生累積的沉降變形，在重復荷載和填土自重的作用下，便會產生下沉。

（8）加固方式。在高填方路基的施工過程中，有無土工格柵或擋土墻加固對高填方路堤的穩定性及施工安全會產生重要影響。對于軟弱地基、陡坡填方路基、高填方路基等地段利用土工格柵加固。對于路基填高較大，路基穩定性不足時，采用土工格柵進行處理。對于局部特殊路段，應設有擋土墻，用于支承路基填土或山坡土體以防止變形失穩，確保路基施工與防護同步。防止防護和路基施工的不同步處理不徹底、不完全，給后期施工和運營留下隱患，造成邊坡部分開裂、局部滑塌和路面的不均勻下沉等病害。

3.2.3.2 總體風險評估模型

高路堤施工安全總體風險F按式（3.24）計算。

評估指標體系中各指標所賦分值應結合工程實際，綜合考慮各種因素的影響程度而定。

3.2.3.3 總體風險分級標準

高路堤風險分級標準同樣采用蒙特卡洛抽樣技術進行確定，計算得到總體風險值F后，對照表3.14確定高路堤工程施工安全總體風險等級。

3.2.4 邊坡施工總體風險評估實例

按照本章介紹的方法并參考《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風險評估指南》對典型深路塹與高路堤進行施工總體風險評估，實例如下。

3.2.4.1 鄖十高速YSTJ-10合同段K59+920～K60+100段右側深路塹總體風險評估

主線路基K59+920～K60+100段路基開挖高度為16～35m、共設5級邊坡。勘察結果表明，從邊坡的巖體結構看，上部為強風化片巖，下部為中風化片巖，片狀結構，邊坡巖體節理裂隙較發育，巖體較破碎。開挖揭露情況表明3、4、5級邊坡出露強風化片巖，局部已風化為土和碎石土，強度較差；第1、2級邊坡出露中風化片巖，第1級邊坡巖體較完整，第2級邊坡巖體呈碎裂—塊裂結構。對邊坡穩定起控制作用的是巖體結構面，結構面與坡面構成楔形體，巖體可能產生楔形體破壞。巖層產狀為80°∠65°，節理面產狀為J1：130°∠60°，路塹開挖后邊坡產狀為100°∠45°，極射赤平投影如圖3-6所示。該邊坡巖層層面與節理面傾角均較陡，正常情況下巖體沿層面與節理面滑動的可能性不大，若施工過程中形成陡于60°的坡面時會出現楔形體破壞。

按挖方路塹邊坡施工總體風險評估方法對該邊坡進行評估，評估情況表如下。

由總體風險評估表計算得出該邊坡工程總體風險值R=33分，根據公路邊坡施工安全總體風險等級標準得出結論：該邊坡風險等級為Ⅲ級，屬高度風險，需要組織施工單位開展專項風險評估。該邊坡巖層面傾角較陡，巖體傾向與邊坡傾向呈順向坡，有滑坡的可能，由于切坡較大，應對路塹邊坡采取支護措施，在施工過程中注意加強邊坡監控，在邊溝外側設置破碎臺，從施工現場操作管理評估與邊坡穩定性評估兩個層面加強高邊坡專項風險評估，采取邊坡加固、邊坡防護等措施保障施工安全。

3.2.4.2 鄖十高速YSTJ-6合同段K36+225～K36+465高路堤總體施工風險評估

該段路堤位于鄖縣楊溪鋪鎮烽火村境內，為線路穿越溝谷而建，設計里程樁號為K36+230～K36+470，長240m，右側最大填方高度58.9m，中心最大填方高度約21.1m，路堤左側最大填方高度7.1m，見圖3-7所示。

路堤段地貌單元屬構造剝蝕丘陵區。總體地勢東高西低，地形陡峭，自然坡度15°～30°左右；路堤段處于半坡處，中部跨越的沖溝寬60m，沖溝中上部分布著大片的旱地，沖溝下為強風化片巖。路堤區下伏基巖巖性為震旦系下統耀嶺河組（Z1y）絹云鈉長片巖、鈣質片巖、石英片巖等，斜坡及坡腳地帶分布第四系殘坡積（Qel+dl）粉質黏土。路堤段地表水不發育，無常年地表流水，主要為雨季時形成的地表面流；水文地質條件屬簡單類型。但K36+300段地表潮濕，冬季可見地下水出露，主線左側有一個小山谷，不利于路基排水。徑流方向多垂直或斜交谷底，山坡及坡腳處孔隙潛水向附近低洼處排泄，多形成基巖面附近的賦存水，該類型地下水易使路基地基土泥化、軟化、變形，產生不均勻沉降、裂縫等危害，對路基工程影響較大。采用強風化、中風化片巖填筑。

按填方路堤邊坡施工總體風險評估方法對該邊坡進行評估，評估情況表如下表3.16。

由總體風險評估表計算得出該路堤總體風險值R=24分，根據公路邊坡施工安全總體風險等級標準得出結論：該邊坡風險等級為Ⅳ級，屬極高風險，需要組織施工單位開展專項風險評估，在施工過程中應加強沉降觀測和動態監控，嚴格控制填筑速率。同時，該路堤由于臨近小山谷，需對其進行填平處理，應加強路基排水措施。在施工過程中，應從加強現場施工安全組織管理與高路堤過程監控兩個方面，確保施工安全。