新建巢湖至馬鞍山高速鐵路路基工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

吳 強(qiáng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(zhǎng)，且環(huán)境復(fù)雜、涉及利益群體多等，影響工程建設(shè)目標(biāo)的不確定因素相對(duì)較多，在工程項(xiàng)目管理中應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)管理理論對(duì)不確定因素引起的工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管理，正日益受到工程建設(shè)各方的關(guān)注和重視[1]。隨著中國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，為加強(qiáng)鐵路建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)管理工作，提高風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)水平，中國(guó)鐵路總公司于2014年頒布了《鐵路建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》[2]，并于2016年頒布了《鐵路隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》[3]，路基工程風(fēng)險(xiǎn)管理尚未有相關(guān)規(guī)范，隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路的興建，對(duì)路基工程的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出了新的要求，復(fù)雜的地質(zhì)情況和成災(zāi)原因多樣性使路基工程存在各種風(fēng)險(xiǎn)，而目前國(guó)內(nèi)，鐵路路基工程風(fēng)險(xiǎn)管理還不是很健全[4]，相關(guān)研究較少，其中魏永幸運(yùn)用專(zhuān)家評(píng)分和層次分析相結(jié)合的方法對(duì)軟土地區(qū)、山區(qū)鐵路路基進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估管理[5,6]，時(shí)紅斌開(kāi)展了大準(zhǔn)至朔黃鐵路重大路基工點(diǎn)危險(xiǎn)源辨識(shí)與評(píng)估[7]。本文對(duì)新建巢湖至馬鞍山高速鐵路路基工程施工圖設(shè)計(jì)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)估程序、評(píng)估方法和評(píng)估結(jié)論可供類(lèi)似高速鐵路路基工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參考。

1 工程概況

新建巢湖至馬鞍山鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“巢馬鐵路”)途經(jīng)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(lián)絡(luò)線11.742 km，正線設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，為無(wú)砟軌道高速鐵路，正線路基12.528 km，聯(lián)絡(luò)線路基0.912 km，路基占比正線全長(zhǎng)20.6%。

路基工點(diǎn)類(lèi)型主要有：路堤邊坡防護(hù)加固、路塹邊坡防護(hù)加固(膨脹土路塹、土質(zhì)及軟質(zhì)巖石路塹、硬質(zhì)巖路塹)；地基加固處理路基(軟土及松軟土路基、一般土質(zhì)路基)；浸水路基(水塘路堤、水塘路塹、內(nèi)澇區(qū)路基)、不良地質(zhì)路基(地下水發(fā)育路塹、順層路塹、巖溶路基)、鄰近既有線路基等。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

沿線依次通過(guò)巢湖市、含山縣、和縣等，跨越長(zhǎng)江后入馬鞍山市，沿線跨越多個(gè)地貌單元，其中巢湖段位于巢湖湖積平原區(qū)，地勢(shì)平坦、開(kāi)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(qū)，局部穿越二級(jí)階地和少量一級(jí)階地，丘陵區(qū)地面相對(duì)高差50 m～200 m，自然坡度15°～35°，地表植被發(fā)育。含山縣至馬鞍山段地貌以長(zhǎng)江及其支流的一、二級(jí)階地為主，一級(jí)階地地形平坦、開(kāi)闊，地面高程在6 m～8 m，溝、塘密布，二級(jí)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(qū)，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(zhǎng)江沖積平原；區(qū)內(nèi)燕山期多次巖漿侵入，巖性主要為花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖等。第四系各類(lèi)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(zhì)

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

2.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震動(dòng)參數(shù)

線路經(jīng)過(guò)一級(jí)大地構(gòu)造單元為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)，位于郯廬斷裂帶以南，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)大致經(jīng)歷了四個(gè)旋回：印支以前、印支期、燕山期、喜馬拉雅期。根據(jù)巢馬鐵路地震安全性評(píng)價(jià)成果，50年超越概率10%水平下工程線路歸檔為0.05g分區(qū)，工程線路Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

2.5 不良地質(zhì)與特殊巖土

本線不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有滑坡、危巖落石崩塌、巖溶、不穩(wěn)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(píng)估程序和方法

3.1 評(píng)估程序

首先對(duì)初始風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，形成風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)體系，然后對(duì)初始風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)其發(fā)生的概率和后果等級(jí)，并最終確定出初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范方案和措施，最后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行再評(píng)估，確定殘留風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(見(jiàn)圖1)。

3.2 評(píng)估方法

路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可采用專(zhuān)家調(diào)查法、指標(biāo)體系法、核對(duì)樹(shù)法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、層次分析法、故障樹(shù)法、模糊綜合評(píng)估法、敏感性分析法等方法。本文路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用定性與定量相結(jié)合，以指標(biāo)體系法為主，專(zhuān)家調(diào)查法為輔，兩者相結(jié)合，綜合分析評(píng)判路基風(fēng)險(xiǎn)因素、風(fēng)險(xiǎn)事件的概率大小及后果嚴(yán)重程度，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1)專(zhuān)家調(diào)查法(如表1所示)是在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的基礎(chǔ)之上，請(qǐng)有關(guān)專(zhuān)家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率和影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后再綜合整體風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，能夠節(jié)約成本和時(shí)間。專(zhuān)家組每個(gè)成員，首先分別對(duì)建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)條件、誘發(fā)因素和施工環(huán)境4個(gè)分項(xiàng)，按4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別給出分項(xiàng)評(píng)定分值Ri，即：等級(jí)Ⅳ(極高風(fēng)險(xiǎn))(4分)、等級(jí)Ⅲ(高風(fēng)險(xiǎn))(3分)，等級(jí)Ⅱ(中度風(fēng)險(xiǎn))(2分)，等級(jí)Ⅰ(低度風(fēng)險(xiǎn))(1分)；其次，專(zhuān)家對(duì)分項(xiàng)評(píng)估分值給出專(zhuān)家信心指數(shù)Wi。專(zhuān)家信心指數(shù)可根據(jù)對(duì)評(píng)估對(duì)象的認(rèn)知程度、類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平等給出。

表1 專(zhuān)家調(diào)查評(píng)估表

最后根據(jù)專(zhuān)家評(píng)定的評(píng)價(jià)Dr，按下列界限劃分路基工程安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：

Dr≥3.5 等級(jí)Ⅳ (極高風(fēng)險(xiǎn))；

3.5>Dr≥2.5 等級(jí)Ⅲ (高度風(fēng)險(xiǎn))；

2.5>Dr≥1.5 等級(jí)Ⅱ (中度風(fēng)險(xiǎn))；

Dr<1.5 等級(jí)Ⅰ(低度風(fēng)險(xiǎn))。

2)指標(biāo)體系法(如表2所示)是根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事件，逐級(jí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分類(lèi)，然后對(duì)每一類(lèi)再進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)分析，提出評(píng)估指標(biāo)，形成完善的指標(biāo)體系。對(duì)于路基工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)則根據(jù)建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)條件、誘發(fā)因素、施工環(huán)境將指標(biāo)分為4個(gè)主要反映路基風(fēng)險(xiǎn)的大類(lèi)。在指標(biāo)分類(lèi)的基礎(chǔ)上，提出評(píng)估指標(biāo)，形成路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

表2 指標(biāo)體系法評(píng)估表

采用“按評(píng)估指標(biāo)重要性排序確定權(quán)重取值”的方法。

(1)

其中，γ為權(quán)重系數(shù)；n為評(píng)估指標(biāo)(重要指標(biāo))項(xiàng)數(shù)；m為重要性排序號(hào)，m≤n。

路基工程安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值按式(2)、式(3)計(jì)算確定：

F=∑Xij

(2)

Xij=Rij×γij

(3)

其中，Xij為評(píng)估指標(biāo)的分值，i=1,2,3,…,n；j=1,2,…,n；n為對(duì)應(yīng)第i類(lèi)評(píng)估指標(biāo)中重要指標(biāo)的數(shù)量。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)及接受準(zhǔn)則

根據(jù)事故發(fā)生的概率和后果等級(jí)，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為四級(jí)：低度、中度、高度、極高。低度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接受準(zhǔn)則為可忽略，此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)較小，不需采取專(zhuān)門(mén)的風(fēng)險(xiǎn)處理措施，后續(xù)施工過(guò)程中做好風(fēng)險(xiǎn)管控；中度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接受準(zhǔn)則為可接受，此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)次之，一般不需(或適當(dāng))采取風(fēng)險(xiǎn)處理措施，但需予以監(jiān)測(cè)；高度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接受準(zhǔn)則為不期望，此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)較大，必須采取處理措施降低風(fēng)險(xiǎn)并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；極高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接受準(zhǔn)則為不可接受，此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)最大，必須高度重視，一般應(yīng)規(guī)避，否則要不惜代價(jià)降低，至少降低到不期望的程度。

4 路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 路基風(fēng)險(xiǎn)事件分析

根據(jù)巢馬鐵路路基工點(diǎn)的建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)條件、誘發(fā)因素、施工環(huán)境等因素，可將全線路基工點(diǎn)按類(lèi)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(fēng)險(xiǎn)事件有路基整體失穩(wěn)、路堤邊坡溜坍垮塌、路堤工后沉降差異沉降超過(guò)規(guī)范允許值、路塹邊坡失穩(wěn)垮塌、支擋結(jié)構(gòu)變形破壞、危及既有線安全等。

4.2 路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

通過(guò)對(duì)巢馬鐵路全線路基工點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)事件和主要風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析(見(jiàn)表3)，確定初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，針對(duì)初始風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，采取有效的風(fēng)險(xiǎn)控制措施降低風(fēng)險(xiǎn)，如膨脹土路基合理選擇支擋結(jié)構(gòu)、路塹邊坡加強(qiáng)坡面防護(hù)，深路塹邊坡分級(jí)開(kāi)挖、分級(jí)支護(hù)，軟土路基路堤填筑期間加強(qiáng)沉降變形監(jiān)測(cè)，巖溶路基加強(qiáng)地質(zhì)補(bǔ)充勘探，鄰近既有線路基加強(qiáng)施工安全防護(hù)措施和既有線變形監(jiān)測(cè)等。通過(guò)采取針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)防范措施，有效地降低路基中典型風(fēng)險(xiǎn)的概率和后果，降低路基的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并對(duì)殘留風(fēng)險(xiǎn)再次進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 巢馬鐵路路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一覽表

4.3 典型路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1)DK7+177.740～DK7+494.500順層深路塹、巖溶路基。

本段路基主要風(fēng)險(xiǎn)因素為：下伏灰?guī)r，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育；左側(cè)路塹為石英砂巖夾泥質(zhì)砂巖地層，橫斷面視傾角30.8°，傾向右側(cè)，路塹最大邊坡高度約21 m。表層粉質(zhì)黏土具中等膨脹，厚3 m～7 m。

該路基可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事件包括：路堤整體失穩(wěn)、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(dòng)；路塹邊坡或路堤隆起。

經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)，該段路基初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高度。

主要風(fēng)險(xiǎn)防范措施：灰?guī)r段采用樁板結(jié)構(gòu)地基加固；鉆孔樁在施工前進(jìn)行補(bǔ)勘，補(bǔ)勘后完善樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工；深路塹地段采用樁板墻、擋墻防護(hù)，邊坡采用框架錨桿護(hù)坡；膨脹土路塹邊坡采用C25混凝土拱形截水骨架內(nèi)空心磚客土撒草籽+栽種灌木防護(hù)。

在采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施后，其殘留的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低度，主要為施工風(fēng)險(xiǎn)，在后續(xù)施工中仍需重點(diǎn)關(guān)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(fēng)險(xiǎn)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(fā)線鋪設(shè)無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km/h，巢馬聯(lián)絡(luò)線需對(duì)既有線進(jìn)行幫寬；路堤幫寬最大高度約5.0 m。

該路基可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事件包括：路堤整體失穩(wěn)、邊坡局部坍塌、溜坍；路堤差異沉降、不均勻沉降；支擋結(jié)構(gòu)變形、破壞；鄰近既有線施工，危及既有線安全；泡沫輕質(zhì)土新材料施工風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)，該段路基初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高度。

主要風(fēng)險(xiǎn)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(zhì)土幫寬；幫寬路堤時(shí)沿既有路堤坡面挖寬度不小于1 m的臺(tái)階，分層加筋碾壓；鄰近既有線施工采取必要的安全防護(hù)措施，如鋼板樁防護(hù)，鋼管防護(hù)網(wǎng)、擋板等，緊鄰既有線鉆孔樁施工采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)；每20 m設(shè)置一個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)既有線路基進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)；施工前編制專(zhuān)項(xiàng)施工方案報(bào)建設(shè)和既有線設(shè)備產(chǎn)權(quán)、運(yùn)營(yíng)單位審批。

采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施后，其殘留的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中度，主要為鄰近既有線鉆孔樁、路基幫寬的施工風(fēng)險(xiǎn)及泡沫輕質(zhì)土新材料的施工風(fēng)險(xiǎn)，在后續(xù)施工過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注，加強(qiáng)施工風(fēng)險(xiǎn)管理。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)高速鐵路路基進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，形成風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)體系，采用定性與定量相結(jié)合，以指標(biāo)體系法為主，專(zhuān)家調(diào)查法為輔，兩者相結(jié)合，對(duì)高速鐵路路基進(jìn)行初始風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。建立路基風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)及接受準(zhǔn)則，結(jié)合初始風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，進(jìn)行路基工點(diǎn)針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)防范設(shè)計(jì)，并對(duì)采取風(fēng)險(xiǎn)防范措施后的路基工點(diǎn)進(jìn)行殘留風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果可作為下階段路基施工風(fēng)險(xiǎn)管理的依據(jù)，并指導(dǎo)施工，使得風(fēng)險(xiǎn)可控。

2)新建高速鐵路路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是鐵路建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)管理面臨的新課題，本文以巢馬鐵路為例，根據(jù)路基的地質(zhì)條件和工點(diǎn)類(lèi)型，對(duì)路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序、評(píng)估方法、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)及接受準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，形成一套新建高速鐵路路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，對(duì)類(lèi)似新建高速鐵路工程路基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作具有參考意義。