《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）第三部分 基础设施篇《复杂地质条件高速公路边坡施工安全风险管理与动态调控技术》

完成单位：广州市高速公路有限公司、招商局重庆交通科研设计院有限公司

主要完成人：何庆华、岳伟杰、卢辉、阎宗岭、刘桂强、陈超、李正凯、谭 玲、尤帆帆、黄河、吕勇平、林海腾、张伟、徐霈、赵义

项目简介

（一）项目背景

　　我国每年修建高速公路数千公里，其中边坡加固、处治与养护费用占25%左右，每年由边坡造成施工事故损失高达数亿元，而花岗岩广泛分布的广东则费用更高，可见边坡处治在高速公路建设中的重要地位。边坡施工安全问题不仅严重影响施工现场安全，对现场人员生命财产造成巨大威胁，同时将导致设计单位频繁变更防护设计方案，施工单位重新施工防护，最终将对整个工程的质量、工期和造价造成严重影响。当前是高速公路加快成网的关键时期，如何使边坡在保证施工质量、进度、费用控制目标的同时保障工程安全、文明地实施，是高速公路建设项目中业主、承包商、监理工程师最为关注的问题，也是交通建设迫切解决的关键问题。

（二）技术概况

　　在科技部、广东省交通厅等10余项重大科技项目支持下，聚焦高速公路边坡施工风险管控的技术瓶颈与需求，历时多年攻关，突破了高速公路施工风险识别和评估、智能监控预警、灾变动态调控等相关理论和技术难题，通过理论分析、数值模拟、系统研发和实体工程验证等手段，建立了风化花岗岩边坡典型施工安全事故及灾变的风险评估模型，研发了公路边坡灾害智能监测及预警系列装备，构建了以边坡总体风险评估和专项风险评估为基础，以自动化监控为手段的安全风险调控体系。

（三）适用范围

　　对保障高速公路施工安全、保障车辆和人民生命安全具有重大工程价值。

（四）获奖情况

　　成果入选交通运输部重大科技成果库1项，获重庆市高新技术产品认证1项；获国家发明专利14件，实用新型专利4项，软件著作权5件；发表高质量学术论文10余篇，出版专著2部；相关成果纳入《崩塌防治工程设计规范》、《地质灾害治理锚固工程设计规范》和《重庆公路边坡养护技术指南》。

项目创新点

　　本项目聚焦高速公路边坡施工风险管控的技术瓶颈与需求，为提高复杂地质条件下高速公路边坡施工安全风险识别、监控与管养水平，通过理论分析、数值模拟、工程监测和验证等手段，对高速公路边坡施工安全风险调控、施工安全监控与预警等关键技术进行了系统研究，取得了以下创新成果：

　　（一）建立了高速公路边坡施工风险辨识、分级方法

　　通过对风化花岗岩高边坡演变过程变形破坏现象与稳定性关联特征研究，揭示了花岗岩边坡体演化过程与致灾机理，提出了稳定性动态评价方法和花岗岩边坡风险评估模型，建立了基于人员素质和安全管理补偿因素修正LEC施工安全风险预测方法，并确定了边坡风险等级和分级预警机制。为花岗岩高边坡施工安全的过程控制提供了理论支撑。

　　（二）开发了经济、耐久、低功耗、易维护的边坡安全风险监控及应急抢险装备与安全预警系统和数据发布展示平台云平台

　　针对高速公路边坡位置险峻、施工维护难度高、监测成本高等难题，基于激光测距、MEMS和NB-IoT技术研发了边坡远程监控与应急抢险系列设备，开发了公路边坡全天候监测与预警云平台，构建了以边坡表面位移、深部位移、防护结构应力应变为主体的多维多场远程智能监测体系，其经济、耐久、低功耗、易维护的优势为工程施工安全提供了有效保障。

　　（三）构建了风化花岗岩边坡施工安全动态管控技术体系

　　基于风险评估、预测及自动化安全监控，提出不同边坡风险等级和监测信息的风险分级管控策略，建立了以风险评估和预测为基础，以动态监控为核心的边坡安全风险调控策略技术体系，为高速公路边坡施工的过程控制和防灾减灾提供了技术与手段。边坡施工安全风险调控技术流程如图1所示：

图1 边坡施工安全风险调控技术流程图

应用案例

　　广州某高速公路高边坡为风化花岗岩土岩混合边坡，高56.3m，地面坡度15°～32°，边坡上部以残积粘性土为主，中下部多为砂土状和碎块状强风化花岗岩，边坡属于土岩混合边坡。边坡在连续降雨或暴雨季节时，边坡表面冲刷严重，而且易出现局部的边坡变形和坍塌，在软硬土层分界面处易形成滑动面，导致边坡沿滑动面发生滑移变形。

　　在边坡段开挖施工开始，就同步实施了自动化安全监控，且以边坡深部位移和坡体表面位移、坡表土体倾斜为监测核心，能较全面监控边坡宏观变形发展趋势。监测设备布设如图2所示：

　　图2监测设备布设图

　　自对边坡开展自动监控以来，监测数据可实时反映边坡的变形动态。在2017年11月1日至12月15日期间，边坡正处于放坡开挖施工中，监控地区持续大风及暴雨天气对边坡造成不利影响。由图3边坡表面位移监测曲线可知，测点2-2，2-6和2-7的监测数据表明，边坡表面无明显变形。由图4边坡深部位移监测曲线显示，在降雨作用下深部位移变形出现明显增大趋势，在X轴正方向（倾向坡外）及Y轴正方向（倾向边坡左侧）均产生了位移，且坡体深部位移发展比表面位移和坡表土体倾斜明显，表明在降雨和施工扰动的作用下，边坡内部产生了倾向公路的变形趋势。

　　图3边坡表面位移监测

　　图4边坡深部位移监测

　　在2017年11月15～20日期间，坡体变形开始显现，11月22日现场人工巡查发现，边坡三、四、五级平台截水沟、格子梁及边坡表面均出现了明显裂缝，边坡右侧边缘坡体裂缝和格子梁裂缝在竖向已贯通。如图5所示：

　　图5现场人工巡查

　　通过以上案例展示了基于自动化安全监测的边坡施工安全风险调控，可实现复杂地质边坡施工安全风险的动态管理，为边坡动态安全风险评估和管控提供技术支撑，边坡安全风险的自动化监测信息可及时反映出边坡内部应力调整和位移变形趋势，比现场巡视发现边坡表面变形早2周左右，为尽早进行安全动态评估争取宝贵时间。

社会效益与经济效益

　　成果已广泛应用于广州、福建、贵州、重庆等10余省市的高速公路建设、运营和应急抢险工程，为高速公路施工安全的应急处治和风险管控提供了有力支撑，取得了显著的社会经济效益。