新建巢湖至馬鞍山高速鐵路路基工程風險評估

吳 強

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

由于交通土建工程往往投資大、周期長，且環境復雜、涉及利益群體多等，影響工程建設目標的不確定因素相對較多，在工程項目管理中應用風險管理理論對不確定因素引起的工程建設風險進行管理，正日益受到工程建設各方的關注和重視[1]。隨著中國鐵路建設的快速發展，為加強鐵路建設工程風險管理工作，提高風險管理技術水平，中國鐵路總公司于2014年頒布了《鐵路建設工程風險管理技術規范》[2]，并于2016年頒布了《鐵路隧道工程風險管理技術規范》[3]，路基工程風險管理尚未有相關規范，隨著國內高速鐵路的興建，對路基工程的質量標準提出了新的要求，復雜的地質情況和成災原因多樣性使路基工程存在各種風險，而目前國內，鐵路路基工程風險管理還不是很健全[4]，相關研究較少，其中魏永幸運用專家評分和層次分析相結合的方法對軟土地區、山區鐵路路基進行風險評估管理[5,6]，時紅斌開展了大準至朔黃鐵路重大路基工點危險源辨識與評估[7]。本文對新建巢湖至馬鞍山高速鐵路路基工程施工圖設計進行了風險評估，評估程序、評估方法和評估結論可供類似高速鐵路路基工程風險評估參考。

1 工程概況

新建巢湖至馬鞍山鐵路(以下簡稱“巢馬鐵路”)途經安徽省巢湖市、馬鞍山市，是合肥南向沿江高鐵的重要組成。巢馬鐵路新建正線60.691 km，聯絡線11.742 km，正線設計時速350 km/h，為無砟軌道高速鐵路，正線路基12.528 km，聯絡線路基0.912 km，路基占比正線全長20.6%。

路基工點類型主要有：路堤邊坡防護加固、路塹邊坡防護加固(膨脹土路塹、土質及軟質巖石路塹、硬質巖路塹)；地基加固處理路基(軟土及松軟土路基、一般土質路基)；浸水路基(水塘路堤、水塘路塹、內澇區路基)、不良地質路基(地下水發育路塹、順層路塹、巖溶路基)、鄰近既有線路基等。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

沿線依次通過巢湖市、含山縣、和縣等，跨越長江后入馬鞍山市，沿線跨越多個地貌單元，其中巢湖段位于巢湖湖積平原區，地勢平坦、開闊，地面高程6 m～8 m。巢湖至含山縣段線路穿越剝蝕殘丘間谷地區，局部穿越二級階地和少量一級階地，丘陵區地面相對高差50 m～200 m，自然坡度15°～35°，地表植被發育。含山縣至馬鞍山段地貌以長江及其支流的一、二級階地為主，一級階地地形平坦、開闊，地面高程在6 m～8 m，溝、塘密布，二級階地呈壟崗地貌，波狀起伏，地面高程10 m～20 m。局部穿越剝蝕丘陵區，地形較起伏，地面高程20 m～120 m。

2.2 地層巖性

沿線志留系、泥盆系均為碎屑巖，主要分布于巢湖至含山縣及馬鞍山附近；石炭系、二疊系、三疊系主要以碳酸鹽巖為主，主要分布于含山褶皺帶兩翼，侏羅系巖性以碎屑巖及火山碎屑巖為主，在巢湖至含山縣及馬鞍山附近零星出露；白堊系為紅色碎屑巖，廣泛分布于含山至馬鞍山段長江沖積平原；區內燕山期多次巖漿侵入，巖性主要為花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖等。第四系各類成因的松散堆積物全線廣袤分布，以平原、谷地地帶較為集中，厚度變化大。

2.3 水文地質

本線地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水，不同的地貌單元其水文地質特征各不相同。

2.4 地質構造與地震動參數

線路經過一級大地構造單元為揚子準地臺，位于郯廬斷裂帶以南，區域地質構造運動大致經歷了四個旋回：印支以前、印支期、燕山期、喜馬拉雅期。根據巢馬鐵路地震安全性評價成果，50年超越概率10%水平下工程線路歸檔為0.05g分區，工程線路Ⅱ類場地反應譜特征周期0.35 s。

2.5 不良地質與特殊巖土

本線不良地質現象主要有滑坡、危巖落石崩塌、巖溶、不穩定斜坡(順層、礦坑)等，特殊巖土主要為軟土及松軟土、膨脹土、人工填土。

3 評估程序和方法

3.1 評估程序

首先對初始風險進行識別，形成風險源指標體系，然后對初始風險進行評價，對各個風險因素評價其發生的概率和后果等級，并最終確定出初始風險等級，依據風險評價結果和風險接受準則，制定相應的風險防范方案和措施，最后根據風險接受準則對風險進行再評估，確定殘留風險等級(見圖1)。

3.2 評估方法

路基風險評估可采用專家調查法、指標體系法、核對樹法、風險矩陣法、層次分析法、故障樹法、模糊綜合評估法、敏感性分析法等方法。本文路基風險評估采用定性與定量相結合，以指標體系法為主，專家調查法為輔，兩者相結合，綜合分析評判路基風險因素、風險事件的概率大小及后果嚴重程度，確定風險等級。

1)專家調查法(如表1所示)是在風險識別的基礎之上，請有關專家對風險因素發生的概率和影響程度進行評價，然后再綜合整體風險水平進行評價。該方法的優點是簡單易行，能夠節約成本和時間。專家組每個成員，首先分別對建設規模、地質條件、誘發因素和施工環境4個分項，按4個風險等級分別給出分項評定分值Ri，即：等級Ⅳ(極高風險)(4分)、等級Ⅲ(高風險)(3分)，等級Ⅱ(中度風險)(2分)，等級Ⅰ(低度風險)(1分)；其次，專家對分項評估分值給出專家信心指數Wi。專家信心指數可根據對評估對象的認知程度、類似工程經驗，專業技術水平等給出。

表1 專家調查評估表

最后根據專家評定的評價Dr，按下列界限劃分路基工程安全風險等級：

Dr≥3.5 等級Ⅳ (極高風險)；

3.5>Dr≥2.5 等級Ⅲ (高度風險)；

2.5>Dr≥1.5 等級Ⅱ (中度風險)；

Dr<1.5 等級Ⅰ(低度風險)。

2)指標體系法(如表2所示)是根據評價對象可能發生的風險事件，逐級進行風險因素分類，然后對每一類再進行風險因素指標分析，提出評估指標，形成完善的指標體系。對于路基工程風險評價則根據建設規模、地質條件、誘發因素、施工環境將指標分為4個主要反映路基風險的大類。在指標分類的基礎上，提出評估指標，形成路基風險評價指標體系。

表2 指標體系法評估表

采用“按評估指標重要性排序確定權重取值”的方法。

(1)

其中，γ為權重系數；n為評估指標(重要指標)項數；m為重要性排序號，m≤n。

路基工程安全風險指標值按式(2)、式(3)計算確定：

F=∑Xij

(2)

Xij=Rij×γij

(3)

其中，Xij為評估指標的分值，i=1,2,3,…,n；j=1,2,…,n；n為對應第i類評估指標中重要指標的數量。

3.3 風險分級及接受準則

根據事故發生的概率和后果等級，將風險等級分為四級：低度、中度、高度、極高。低度風險等級接受準則為可忽略，此類風險較小，不需采取專門的風險處理措施，后續施工過程中做好風險管控；中度風險等級接受準則為可接受，此類風險次之，一般不需(或適當)采取風險處理措施，但需予以監測；高度風險等級接受準則為不期望，此類風險較大，必須采取處理措施降低風險并加強監測；極高風險等級接受準則為不可接受，此類風險最大，必須高度重視，一般應規避，否則要不惜代價降低，至少降低到不期望的程度。

4 路基風險評估

4.1 路基風險事件分析

根據巢馬鐵路路基工點的建設規模、地質條件、誘發因素、施工環境等因素，可將全線路基工點按類型分為一般路基、高填路堤、膨脹土路基、軟土路基、深路塹高邊坡路基、巖溶路基和鄰近既有線路基。路基可能存在的風險事件有路基整體失穩、路堤邊坡溜坍垮塌、路堤工后沉降差異沉降超過規范允許值、路塹邊坡失穩垮塌、支擋結構變形破壞、危及既有線安全等。

4.2 路基風險評估結果

通過對巢馬鐵路全線路基工點的風險事件和主要風險因素進行分析(見表3)，確定初始風險等級，針對初始風險評估結果，采取有效的風險控制措施降低風險，如膨脹土路基合理選擇支擋結構、路塹邊坡加強坡面防護，深路塹邊坡分級開挖、分級支護，軟土路基路堤填筑期間加強沉降變形監測，巖溶路基加強地質補充勘探，鄰近既有線路基加強施工安全防護措施和既有線變形監測等。通過采取針對性的風險防范措施，有效地降低路基中典型風險的概率和后果，降低路基的風險等級，并對殘留風險再次進行評價。

表3 巢馬鐵路路基風險評估一覽表

4.3 典型路基風險評估

1)DK7+177.740～DK7+494.500順層深路塹、巖溶路基。

本段路基主要風險因素為：下伏灰巖，巖溶強烈發育；左側路塹為石英砂巖夾泥質砂巖地層，橫斷面視傾角30.8°，傾向右側，路塹最大邊坡高度約21 m。表層粉質黏土具中等膨脹，厚3 m～7 m。

該路基可能發生的風險事件包括：路堤整體失穩、邊坡局部坍塌、溜坍；路堤差異沉降、不均勻沉降；路塹邊坡順層滑動；路塹邊坡或路堤隆起。

經風險綜合評價，該段路基初始風險等級為高度。

主要風險防范措施：灰巖段采用樁板結構地基加固；鉆孔樁在施工前進行補勘，補勘后完善樁長設計，以指導現場施工；深路塹地段采用樁板墻、擋墻防護，邊坡采用框架錨桿護坡；膨脹土路塹邊坡采用C25混凝土拱形截水骨架內空心磚客土撒草籽+栽種灌木防護。

在采取相應的風險防范措施后，其殘留的風險等級為低度，主要為施工風險，在后續施工中仍需重點關注。

2)K43+355.000～K43+656.130鄰近既有線路基(馬鞍山東站)。

該段路基主要風險影響因素為：鄰近既有寧安鐵路馬鞍山東站，馬鞍山東站正線及緊鄰正線的到發線鋪設無砟軌道，設計時速250 km/h，巢馬聯絡線需對既有線進行幫寬；路堤幫寬最大高度約5.0 m。

該路基可能發生的風險事件包括：路堤整體失穩、邊坡局部坍塌、溜坍；路堤差異沉降、不均勻沉降；支擋結構變形、破壞；鄰近既有線施工，危及既有線安全；泡沫輕質土新材料施工風險。

經風險綜合評價，該段路基初始風險等級為高度。

主要風險防范措施：路基幫寬采用C40鋼筋混凝土鉆孔樁+槽型擋土墻支擋收坡；路基填料采用泡沫輕質土幫寬；幫寬路堤時沿既有路堤坡面挖寬度不小于1 m的臺階，分層加筋碾壓；鄰近既有線施工采取必要的安全防護措施，如鋼板樁防護，鋼管防護網、擋板等，緊鄰既有線鉆孔樁施工采取鋼護筒跟進；每20 m設置一個自動監測斷面，對既有線路基進行變形監測；施工前編制專項施工方案報建設和既有線設備產權、運營單位審批。

采取相應的風險防范措施后，其殘留的風險等級為中度，主要為鄰近既有線鉆孔樁、路基幫寬的施工風險及泡沫輕質土新材料的施工風險，在后續施工過程中需重點關注，加強施工風險管理。

5 結語

1)通過對高速鐵路路基進行風險辨識，形成風險源指標體系，采用定性與定量相結合，以指標體系法為主，專家調查法為輔，兩者相結合，對高速鐵路路基進行初始風險評估。建立路基風險分級及接受準則，結合初始風險評估結果，進行路基工點針對性風險防范設計，并對采取風險防范措施后的路基工點進行殘留風險評估。風險評估結果可作為下階段路基施工風險管理的依據，并指導施工，使得風險可控。

2)新建高速鐵路路基風險評估是鐵路建設工程風險管理面臨的新課題，本文以巢馬鐵路為例，根據路基的地質條件和工點類型，對路基風險評估程序、評估方法、風險分級及接受準則進行了研究，形成一套新建高速鐵路路基風險評估體系，對類似新建高速鐵路工程路基風險評估工作具有參考意義。