路塹高邊坡施工風險研究

張洪欣，梁 寧

(河南省地質礦產勘查開發局第三地質勘查院 河南省金屬礦產深孔鉆探工程技術研究中心，河南 洛陽 471023)

目前，公路路塹高邊坡施工中面臨一定的因素，會對施工安全性帶來負面影響。這就要求引起足夠的重視，通過分析與探索找準應對各種因素的措施，以便安全有序地推進路塹高邊坡施工。

1 路塹高邊坡施工風險與鑒別分析

對于路塹高邊坡施工而言，因為可能會對原本的地質平衡帶來影響，如果無法采取有效的應對措施，就可能加大風險程度。在實際開挖環節，邊坡的深層變化相對嚴重，可能引發比較嚴重的變形問題，難以維持穩定狀態。所以需要落實施工進程之中安全意識的提升，采取科學合理的風險控制措施保障施工活動能夠順利開展[1]。

為了促進路塹高邊坡施工的順利進行，施工人員要通過加強實地勘察，落實風險因素鑒別工作，如針對施工中的地質構造、不合理開挖等因素加以分析，引入有效的識別方法，保障施工設計方案的準確性。

2 影響因素分析

針對路塹高邊坡的穩定性，其主要的影響因素在于不合理開挖。不合理開挖主要包含了支護不及時和亂爆破開挖，出現不合理開挖主要是因為施工方為了追趕進度、方便施工。所以，針對不合理開挖因素進行相應的分析，并且基于工況數值加以模擬，可以得到數據結果。

2.1 FLAC數值模擬

(1)建立模型。選擇分析某迎賓大道匝道西側不穩定斜坡文件資料，本邊坡高度為60 m，總體劃分為6級，每一級邊坡高度為10 m，前三級邊坡放坡為1.0∶1.5，后三級邊坡放坡為1.0∶2.6。針對巖體強度特征，利用Mohr-Coulomb模型加以描述。

(2)選擇參數。通過FLAC3D中的錨桿結構單元cable，這樣可以相對應地模擬出錨桿與預應力錨索的力學行為，實際參數見表1。

表1 錨索參數Tab.1 Anchor cable parameters

(3)基于FLAC初始狀態分析。邊坡實際情況的差異性分析中，首先需要對其初始狀態進行分析，這樣可以了解邊坡初始應力、應變和塑性區的基本情況[2]。基于FLAC3D本身的計算終止模式，就可以得到施工前塑性區、最大剪應變增量和位移云圖，如圖1—圖3所示。

圖1 施工開挖前塑性區Fig.1 Plastic zone before construction and excavation

圖2 施工開挖前原始應力位移云圖Fig.2 Initial stress displacement nephogram before construction and excavation

在自然狀態下，邊坡有明顯的塑性區，一般位于強風化泥巖和粉質黏土的區域。針對第二級邊坡，其施工環節的位移量最大，達到0.485 m。這一結果與實際情況相互匹配，如圖4所示。然后通過上述圖3分析，得知最大剪應變增量為0.177 m[3]。

圖3 施工開挖前最大剪應變增量Fig.3 Maximum shear strain increment before construction and excavation

圖4 邊坡第一級至第二級開挖坡腳拉裂縫Fig.4 Tensile crack of slope toe excavated from the first to the second stage

2.2 支護條件下邊坡開挖的影響分析

(1)塑性區變化特征。各級邊坡開挖主應力如圖5所示。基于圖5的模擬分析，從邊坡開挖結果來看，在從上到下的開挖中，能夠明顯地減小塑性區域。針對第一級的開挖，其主要是涉及到強風化泥巖和粉質黏土區域。在對應的支護處理中，要求其施工的開挖不能夠比不支護條件下的塑性區低。基于實際的分析，邊坡出現失穩的情況，主要是因為出現了潛在的滑移面，而將潛在滑移面貫通，就會直接導致邊坡失穩的情況出現，通過邊開挖邊支護的這一種方式，就可以實現塑性區域的減少，并且也會對應地減少邊坡開挖的影響區域，這能降低對邊坡原始應力的擾動，有利于邊坡穩定性的提高[4]。

(2)最大主應力變化特征。各級邊坡開挖最大主應力變化如圖6所示。基于邊坡開挖主應力的進行分析，最大的主應力為14.95 MPa，存在于第六級邊坡。同時，通過三到六級的邊坡應力圖的合理分析，其應力集中的顯現呈現出逐漸減小的趨勢。另外，在坡腳與在前的滑動帶，能夠滿足最大應力貫通的要求，這就表示，如果沒有進行合理的支護，一旦開挖，其后果是非常嚴重的[5]。

圖5 各級邊坡開挖塑性區變化Fig.5 Variation diagram of plastic zone of slope excavation at all levels

圖6 各級邊坡開挖最大主應力變化Fig.6 Variation of maximum principal stress of slope excavation at all levels

(3)位移變化特征。基于原始的設計資料分析，邊坡支護利用錨桿+錨索+格構的方式。本次研究主要是通過FLAC數值的模擬。基于圖形分析，在添加支護措施的條件下，開挖到第二級邊坡的坡面上達到了0.001 3 m的最大位移。出現該情況主要是在邊坡支護結構的實際強度還無法匹配下一級開挖的要求，出現的位移具體如圖7所示，支護條件下局部拉裂縫如圖8所示。相比不支護的情況，明顯減少了坡腳位移，進而提升安全性[6]。

2.3 穩定性系數特征分析

穩定性系數特征分析如圖9所示。由圖9可知，在天然狀態下，要求進行逐級的開挖處理，而伴隨著開挖的進行，也會相應地增大其穩定系數。其中，第一級為1.165，第二級為1.234，第三級為1.3，第四級為1.364，第五級為1.45，第六級為1.56。針對穩定性系數而言，與不及時支護的情況比較，其分析為：第二級邊坡開挖穩定性系數提升12.2%，第三級22.6%，第四級37.9%，第五級48.6%，第六級61.2%。因此，在進行不同邊坡開挖中，還需要確保其穩定性系數能夠與實際要求匹配[7]。

3 爆破對邊坡的影響

針對本項目的邊坡坡腳分析，考慮到第五級和第六級屬于中風化泥巖，所以需要進行爆破開挖處理。從第五級開始，爆破要求每間隔2 m進行，爆破孔總共設置10個。基于巖石爆破的基本原理：①在啟動爆破之后，爆炸所產生的氣體在膨脹之后，就會直接作用到藥包的周邊巖體上，屬于巖體本身出現的剪切破壞。②對于爆破之后產生的沖擊與壓縮巖體，會破壞局部巖體，并且壓力波也會逐漸朝著四周傳播，進而出現拉伸破壞力[8]。

圖7 各級邊坡開挖位移變化Fig.7 Variation of excavation displacement of slopes at all levels

圖8 支護條件下局部拉裂縫Fig.8 Local tensile crack under supporting condition

圖9 穩定性系數結果Fig.9 Stability coefficient results

3.1 巖質邊坡動力穩定性分析

目前，判斷巖質邊坡動力穩定性主要是采用經驗法和安全系數評價法。①經驗法。這是最為行之有效的判斷方法。一般來說，邊坡本身的破碎度直接關聯到爆破振動速度，所以需要做好振動安全臨界值的設定，以此實現施工爆破的控制。不過需要考慮到在不同的工程條件下振動安全臨界值會受到爆破施工、邊坡形狀等因素的影響，不能設置單一的施工標準。②安全系數評價法。一般而言，邊坡穩定性系數為抗滑力和下滑力的比值，然后獲取最小的穩定安全系數，從而將其定義為動力安全系數。研究中直接利用安全振動速度閾值法，再結合現場的檢測情況加以控制。具體的速度控制見表2。

表2 巖體爆破損傷的質點振動速度Tab.2 Particle vibration velocity of blasting damage of rock mass

3.2 路塹高邊坡爆破設計

對于路塹高邊坡，實際的開挖高度在2～70 m，第五級和第六級的坡比為1.0∶2.6，這就要求能夠進行臺階式的布置處理。基于其相應的工程性質、環境和資料的分析，最終選擇淺孔爆破，再輔以深孔爆破[9]。

4 模擬爆破結果分析

4.1 位移云圖

邊坡位移云圖如圖10所示。由圖10可知，對于小型爆破，在第五級邊坡的開挖最大位移為0.001 5 m，第六級邊坡的開挖最大位移為0.004 7 m。

圖10 邊坡位移云圖Fig.10 Cloud map of slope displacement

針對大型爆破，在第五級邊坡的開挖最大位移為0.082 m，第六級邊坡的開挖最大位移為0.16 m。相對于小型爆破，第五級位移增大54倍，第六級增大33倍。所以，大型爆破會構成一定的威脅。基于現場實際情況進行分析，在完成爆破之后邊坡巖體破碎，而巖塊也出現了松動現象，還有明顯的開裂現象。出現這一情況主要是因為在爆破中大型爆破會極大地影響邊坡的穩定性，導致巖體松動。同時，針對節理裂隙發育的巖質邊坡有著更為明顯的松動效果。爆破開挖一方面會對邊坡的坡面造成貫通性的徑向裂紋，一旦處理不及時，就可能出現局部落石與垮塌的現象，另一方面爆破的應力波就會在巖體內進行傳遞，從而進一步發展節理裂隙，甚至可能導致結構面出現滑移的現象，影響整體穩定性。

4.2 邊坡塑性區分析

基于圖11分析，處于爆破點附近的巖體會出現較大的相對變形，相對應的，距離爆破點較遠，其出現的變形量就會有所降低。同時，由于塑性區不夠明顯，所以小型爆破本身產生的影響偏小，對于邊坡的穩定性影響較小，不會構成太大的威脅。

圖11 爆破過后的巖體Fig.11 Rock mass after blasting

對于大型爆破施工開挖，明顯增加了剪切區域，會對坡腳產生極大的影響，并且還會在邊坡表面形成拉張區域，可能導致邊坡出現失穩的情況。

4.3 路塹高邊坡施工風險的控制措施

考慮到不合理的開挖產生的影響，如果不能引起足夠的重視，就會造成嚴重的后果。所以，在實際的施工風險控制中要求按照“隨開挖、隨加固、隨防護”的基本原則，按照設計方案進行合理有效的控制處理。

(1)不允許出現超挖現象。作為施工單位，要求禁止出現超挖的現象。超挖會產生極大的風險事故，會影響邊坡的穩定性。如果因為其他因素需要超挖，必須聯系設計單位，做好對應的分析和控制。

(2)落實施工安全保證措施。對于邊坡坡體，不允許車輛通行，防范不必要加載問題的出現，并且要求停止下方施工，不允許擾動上部坡體。同時，在施工環節還需要考慮到變形監測點的增加，能夠對其變形情況加以關注，采取合理有效的規避措施。

(3)落實邊支護邊開挖。對于邊坡施工平場開挖作業，需要落實邊開挖邊支護的處理，等待一級開挖之后，就需要及時進行支護處理，在完成支護之后，才能夠開展下一級的開挖處理，而且要等待支護結構的強度達到要求之后再進行下一級支護，同時做好邊坡變形和具體支護情況的記錄[10]。

(4)完善預應力技術措施。預應力錨索深度要求匹配設計要求，如果地段處于地下水、破碎和軟弱夾層位置，就要求穿透進入較為完整的基巖。錨索接觸位置的錨固體面臨集中壓力，本身的抗壓強度較高，也需要確保預應力錨索結構的可靠性以及對應的施工工藝質量。影響爆破的因素較多，如爆破的位置、孔深度、用藥量等。基于邊坡工程的具體特點加以分析，在爆破開挖處理中要求做到：①落實爆破安全措施。考慮到本項目節理裂隙較發育，并且貫通性良好，所以要選擇小范圍爆破；注重人員的安全性，避免施工人員受傷；在爆破期間不允許人員進入現場。②按照爆破設計來進行布孔施工處理，在鉆孔之前要求做好爆破作業技術交底工作，做好眼位的定位，并且按照定位來進行鉆孔，逐孔認真檢查。③合理選擇爆破參數，要求先進行小范圍的試爆處理，然后進行實驗結果的歸納與整理，以便在正式施工中使用。④爆破裝藥也需要嚴格按照設計規范標準進行，并且要求有專門的安全人員在現場指揮。⑤等待爆破完畢后要及時檢查爆破段的具體情況，一旦發現問題要及時上報，做好針對性的處理。

5 結語

針對公路建設施工而言，路塹高邊坡是比較常見的，考慮到邊坡本身有缺陷的存在，如穩定性較差等情況，很容易發生安全事故，為了保證公路建設施工的順利實施，必須要落實對路塹高邊坡施工風險的合理分析，找到行之有效的控制措施，保障路塹高邊坡安全施工，提升公路建設施工的綜合效益。