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隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高速公路的路網(wǎng)覆蓋范圍越來越大。而數(shù)量不斷增多的路塹高邊坡,也在施工階段當(dāng)中對于安全穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。影響高邊坡的穩(wěn)定性的因素有很多,如邊坡幾何形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性以及加固方法等因素。文章以重慶市滬蓉高速公路的路塹高邊坡工程為依托項(xiàng)目,結(jié)合邊坡固有屬性和路塹高邊坡施工動(dòng)態(tài)信息,對路塹邊坡進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究,從而采取相應(yīng)的分級控制措施,建設(shè)更加安全的路塹邊坡施工工程。
1.概述
我國高速公路路塹邊坡通常具有沿路線呈點(diǎn)狀分布、規(guī)模相對較小、數(shù)量眾多的特點(diǎn),在施工過程中,許多有效的信息,諸如工程地質(zhì)信息、施工參數(shù)信息等,成為路塹高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估的重要依據(jù)。
2.邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估控制基本理論
根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的特征,可以將其分為三方面說明:首先,風(fēng)險(xiǎn)具有損害可能性,是指由于風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生,會(huì)造成相關(guān)損害的可能性;其次,風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性,風(fēng)險(xiǎn)是否會(huì)發(fā)生以及發(fā)生的時(shí)間和可能的結(jié)果,都具有不確定性;最后,風(fēng)險(xiǎn)具有客觀性,即風(fēng)險(xiǎn)是可以通過客觀尺度進(jìn)行定量描述的。路塹邊坡在施工過程中,還要注重風(fēng)險(xiǎn)的評估工作,分別為風(fēng)險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)控制。路塹邊坡在施工過程中,最經(jīng)常發(fā)生的事故是邊坡失穩(wěn)。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù),首先要識別邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素,然后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識別結(jié)果,進(jìn)行邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)的估計(jì)與評價(jià),最后在滿足風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則的條件下采取合適的風(fēng)險(xiǎn)控制措施,實(shí)現(xiàn)發(fā)生成本與所獲效益相匹配。為了有效進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制,需要改變邊坡的設(shè)計(jì)及施工等人為因素,維護(hù)路塹邊坡施工安全性,使得邊坡發(fā)生失穩(wěn)的可能性大大降低。
3.高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制應(yīng)用實(shí)例
3.1工程基本情況
K443高邊坡處于滬蓉高速公路路線樁號K443+260~K443+585的右側(cè)方向,其邊坡最大坡高約為62m。K443邊坡是基于自上而下的原則進(jìn)行開挖施工,然而經(jīng)歷了連續(xù)3d的降雨,邊坡出現(xiàn)了局部滑塌破壞現(xiàn)象。根據(jù)這一事實(shí),有關(guān)人員需要重新對其進(jìn)行相關(guān)的施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),并提出適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)控制措施。
3.2K443高邊坡初始設(shè)計(jì)方案
K443路塹邊坡采取的形式為臺階式,開挖時(shí)分為6級。其中,第一至第五級的坡高均為10m,而第六級坡高并不相等。坡率根據(jù)級數(shù)的不同,也會(huì)有不同的數(shù)值:第一、二級坡為1:0.75,第三、四、五級為1:1,第六級坡坡率為1:1.25。同時(shí)各級坡之間也會(huì)相應(yīng)設(shè)置寬為2m的平臺,并適當(dāng)采取加固措施,如在第一級坡設(shè)置錨桿格梁加固,第二、三、四級坡設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架等。
3.3K443高邊坡工程的基本地質(zhì)概況
(1)地形地貌。由于K443路塹邊坡地處丘陵,整體地形起伏較大,山體上植被有所發(fā)育,有松樹、柑橘樹等多種植物的生長,整個(gè)坡體的自然坡角最大約為40°。(2)地層巖性。從地層巖性的角度來說,邊坡的組成部分主要為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和石炭系、泥盤系粉砂巖及其風(fēng)化層,且各主要巖土層風(fēng)格迥異,如粉質(zhì)黏土具有可塑、土質(zhì)不均、黏性較差的特性。(3)地質(zhì)構(gòu)造。據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪成果顯示,坡體范圍內(nèi)并未測得地層結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,而坡體植被發(fā)育,第四系具有覆蓋層及全-強(qiáng)風(fēng)化層較厚的特點(diǎn)。(4)水文地質(zhì)概況。鑒于邊坡處于重慶市中東部的地理位置特點(diǎn),所以其屬于中緯度的亞熱帶季風(fēng)性,受季風(fēng)的影響,降雨量充沛,并且降雨具有強(qiáng)度大、雨日多、持續(xù)季節(jié)長等特點(diǎn)。從風(fēng)向的角度來看,夏秋季的風(fēng)向多為南風(fēng),冬春季的風(fēng)向多為北風(fēng)。
3.4K443高邊坡的現(xiàn)場施工情況
K443的局部滑塌破壞現(xiàn)象,具體體現(xiàn)在邊坡的第四級與第五級坡面上。探究原因,主要是邊坡是由全強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖組成,該砂巖具有遇水軟化的特性。在連續(xù)降雨的情況下,大面積的雨水會(huì)向坡體滲透,因此坡面巖土體軟化、坡面強(qiáng)度降低、邊坡局部滑塌的現(xiàn)象隨即發(fā)生。鑒于以上現(xiàn)象,為了確保邊坡和坡頂電塔的安全,需要及時(shí)有效地采取加固處理方案,增強(qiáng)坡面強(qiáng)度,使之在連續(xù)降雨的條件下也能夠避免滑塌范圍的擴(kuò)大。連續(xù)的降雨導(dǎo)致局部滑塌的現(xiàn)象發(fā)生后,為了及時(shí)控制風(fēng)險(xiǎn),相關(guān)施工建設(shè)單位及時(shí)有效地制定邊坡工程搶險(xiǎn)方案,具體采取了以下三種措施:(1)即刻停止邊坡的開挖;(2)對發(fā)生在第四級坡坡腳的滑塌破壞部分采取了回填反壓的施工方式;(3)利用對預(yù)應(yīng)力錨索框架格梁方式,以實(shí)現(xiàn)對第四級坡面的加固。通過施工建設(shè)單位的及時(shí)止損措施,使得在連續(xù)降雨的極端環(huán)境下,滑塌破壞的發(fā)生得到有效的抑制,坡面強(qiáng)度得以增強(qiáng),阻止了滑塌破壞的現(xiàn)象的進(jìn)一步加劇。
3.5K443高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制
(1)施工方案的調(diào)整。雖然初始設(shè)計(jì)方案滿足公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求,但是考慮到連續(xù)降雨的情況下,仍然會(huì)出現(xiàn)局部滑塌現(xiàn)象,并且邊坡上方高壓電塔的存在,會(huì)加強(qiáng)了對風(fēng)險(xiǎn)控制的要求,因此需要對原方案進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。設(shè)計(jì)方案的變更思路主要為,遵循從上往下開挖的原則,在開挖的同時(shí)采取加固措施,如果該建設(shè)的一級尚未完成,或者完成情況尚且不能滿足建設(shè)施工的要求,則不能進(jìn)行下一級的施工于加固。本案例中,首先針對第四、五、六級,初始設(shè)計(jì)方案僅進(jìn)行了開挖,尚未加固,因此需要進(jìn)行加固調(diào)整。在第四、五、六級滿足加固要求后,再進(jìn)一步開挖第三、二、一級坡。(2)施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控。對施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的原則,是在原有監(jiān)測斷面的基礎(chǔ)上,新增監(jiān)測斷面層,同時(shí)對兩個(gè)監(jiān)測斷面層也進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測內(nèi)容主要針對坡面位移、變形狀況、錨索應(yīng)力監(jiān)測、深層水平位移等監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,以減少邊坡局部滑塌的發(fā)生。
3.6路塹邊坡施工過程數(shù)值模擬
(1)有限元強(qiáng)度折減法的基本原理。有限元強(qiáng)度折減法是一種計(jì)算邊坡穩(wěn)定的方法,其在建筑工程中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。有限元強(qiáng)度折減法是在保持荷載不變的前提下,通過降低相關(guān)參數(shù)指標(biāo),如邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度,最終達(dá)到極限破壞狀態(tài),并利用破壞滑動(dòng)面,計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的方法。文章利用有限元強(qiáng)度折減法,在公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范所提出的極限平衡法的指導(dǎo)思想下,通過對比在兩種工況條件—未加固和加固后,依據(jù)初始設(shè)計(jì)方案所計(jì)算得出的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),進(jìn)行路塹邊坡施工過程數(shù)值模擬。(2)計(jì)算過程。該部分?jǐn)M分別計(jì)算3種工況下不同。施工階段的穩(wěn)定安全系數(shù):①工況1是指邊坡在初始設(shè)計(jì)方案下,一次開挖成型后進(jìn)行支護(hù)。②工況2是指邊坡在初始設(shè)計(jì)方案下,開挖一級同時(shí)支護(hù)一級。③工況3是指邊坡在變更設(shè)計(jì)方案下,開挖一級同時(shí)支護(hù)一級。文章的模擬開挖過程是針對第一、二、三級坡進(jìn)行施工過程。開挖的順序分別為第三級坡、第二級坡以及第一級坡。需要說明的是,由于第一級的開挖相比其他兩級來說變形程度較大,所以要分別進(jìn)行三次開挖,依次為第一部分、第二部分和第三部分,數(shù)值為3m、3m和4m。
4結(jié)束語
文章根據(jù)高速公路高邊坡的施工特點(diǎn),以滬蓉高速公路K443高邊坡作為分析實(shí)例,結(jié)合施工過程中監(jiān)測的信息,運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法的理論方法,以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的有效控制,綜上可以得到下面幾個(gè)結(jié)論:(1)如果邊坡采取在原有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,增加一次開挖成型后期進(jìn)行支護(hù)的施工方案,檢測相關(guān)臨時(shí)安全系數(shù)可以得到,第三級坡后的相關(guān)數(shù)值為1.05,與最小臨時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值較為接近,因此可以推測該施工方案存在較高施工安全風(fēng)險(xiǎn),需要引起關(guān)注。(2)如果采用開挖一級支護(hù)一級的施工方案,檢測相關(guān)臨時(shí)安全系數(shù)可以得到,該邊坡施工過程的數(shù)值為1.20左右。與結(jié)論一中采取的方案相比較,穩(wěn)定安全系數(shù)有了明顯的提高,并且提高程度約為10%~20%,施工安全風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)降低。另外,實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),坡頂存在高壓電塔,倘若邊坡發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,將會(huì)造成重大損失。因此采取相應(yīng)措施,提高邊坡的安全穩(wěn)定性十分必要。(3)如果在采用開挖一級支護(hù)一級的施工方案的基礎(chǔ)上,對邊坡第五級增加預(yù)應(yīng)力錨索格梁,對邊坡第六級增加錨桿格梁,檢測相關(guān)臨時(shí)安全系數(shù)可以得到,數(shù)值均大于1.20。并且在全部支護(hù)措施建設(shè)完畢后,測量臨時(shí)安全系數(shù)為1.314??梢钥闯觯┕ぐ踩L(fēng)險(xiǎn)得到有效控制,邊坡的安全儲(chǔ)備程度增強(qiáng)。(4)對工況1、工況2下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行分析,開挖一級支護(hù)一級施工方案帶動(dòng)實(shí)施提高了邊坡安全穩(wěn)定性,同時(shí)邊坡第五級坡的預(yù)應(yīng)力錨索框架格梁和第六級坡的錨桿框架格梁的增加,邊坡安全穩(wěn)定性將會(huì)進(jìn)一步提升。
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作者:張俊 單位:華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司