基于故障樹模型的橋梁樁基風險研究及應用

肖坤

摘要：為了節約土地資源，提高鐵路線路駕駛安全及平穩度，橋梁在高鐵中使用頻率越來越高。然而在高鐵運營過程中橋梁一旦發生破壞，其造成的社會影響和經濟損失難以估量。本文根據實際案例情況，利用故障樹模型對橋梁樁基結構進行了詳細的風險研究和探討，并給出了相應的風險應對策略

關鍵詞：樁基;風險;故障樹

一、引言

現代橋梁建設己經取得了很多舉世矚目的成績，特別是國內橋梁技術迅猛的發展，己經達到了世界領先水平，斜拉橋、懸索橋、跨海大橋等取得的技術突破讓其成為許多城市的地標性建筑。在我國經濟快速發展的背景下，高速鐵路項目中的橋梁占比越來越高，例如京滬高鐵橋占比為80%，京津城際為88%，滬杭高鐵高達92%。橋梁的安全、質量無疑是重點關注對象，樁基作為橋梁主要受力部分承擔著橋梁是否安全運營的關鍵所在，由于其隱蔽性特點，樁基施工直接造成的橋梁事故眾多，除地質本身情況外，人為操作因素占比較大。一旦發生安全質量事故，其造成的后果將不堪設想。不僅會造成較大的經濟損失，更有可能造成各類人員傷亡，這就表明在橋梁方案制定和施工過程中，對事故安全風險的認識和防范都是極為重要。

從橋梁發生的重大事故原因來看，許多事故的案例都表現出極其復雜的邏輯關系。在各項邏輯關系的基礎上采用故障樹分析方法可以對橋梁樁基的風險因素進行識別，從而計算事故發生的概率。

二、模糊故障樹法的橋梁樁基分析

2.1工程概況

某JT城際鐵路，起止里程為DK101+167.09～DK128+077.46。主要工作內容為特大橋一座，正線長26.91公里，施工范圍為501#墩～1292#墩，鉆孔樁基礎7966根，地質多為粉質黏土、粉、細砂，部分地區分布有粗砂、礫砂、礫土。設計時速目標值350公里/小時。

2.2風險因素識別及風險清單的建立

由于該項目地處北方，地質結構復雜，繁雜的施工工藝以及漫長的冬季施工工期等各種不確定性都決定了橋梁風險的不可預見性。橋梁樁基的風險事故一般包括：樁基底沉渣過厚、樁基礎軸線偏差、承載力不足、斷樁、地基沉降過大等。但究其原因，橋梁樁基事故經歸納總結其一級風險因素不外乎勘察、設計、施工和自然災害等原因，下面就以上因素進一步分析得出二級風險因素。

在橋梁勘察設計階段，勘察設計失誤往往會對樁基施工構成致命風險，設計經驗豐富與否將直接決定橋梁建設成敗。而在橋梁施工作業階段，由于橋梁施工地處野外，作業過程環境變化難控，室外溫度起伏不定，施工工期持續時間過長等因素都會導致橋梁的結構得不到精準的控制。與此同時，在組織施工過程中，施工工序復雜多變，垂直交叉作業頻發，工程物資和機械設備在橋梁建設過程中也是風險因素的重要組成部分，具體清單如表1所示。

清單中的風險因素僅為橋梁樁基礎的一些常見風險。實際情況中，從橋梁的勘察設計到施工運營風險因素眾多，樁基事故的發生是復雜多變的，也是不可預測的，所以本文也就不可能對每一種風險因素加以預判。

2.3故障樹定性分析

故障樹法在項目風險管理中應用的比較多，本文根據每一個風險因素可能發生的概率，用下行法求出故障樹所有的最小割集，得出故障樹的結構函數為：

式中：X1，X2，X3……Xn表示故障樹的n個基本事件;Mi表示第i個最小割集，并有：Mi=∏xi∈miXj（2）構建故障樹，如下圖1所示

由以上故障樹可以看出，利用下行法求解故障樹的最小割集分別是{A1}{}、{Z2}、{A3}、{A4}、{A5}、{B1}、{B2}、{B3}、{B4}、{C1}、{C2}、{C3}、{D1}、{D2}、{D3}、{D4}、{D5}，以上割集為最小割集，只要最小割集內的任意一個事件發生都會造成T事件的發生。

2.4故障樹定量分析

由于在二級風險下還有三級風險，例如在施工措施當中就含有：造漿、鉆孔沖擊、清孔、二次清孔;通過對各項風險進行專家打分，與此同時通過以往數據和經驗得到二級風險因素發生的概率如表1中所示：

設xi（t）=1表示第i個部件在t時刻故障。本文計算事件i發生的概率，也就是計算隨機變量xi（t）的期望值，即：

經計算得出頂事件T發生的概率P（T）=0.991，由此可知在樁基施工過程中發生事故的概率較大。

2.5概率重要度分析

既然頂事件樁基發生事故的概率極大，也難以避免，那么通過有針對性的分析最小割集的重要度來研究下一步對策。其相關函數如下所示：

根據以上各項底事件的概率重要度值來判斷，排在前三位的分別是D5>D1>D3=A3。

三、風險的評估

通過以上數據分析得出，在橋梁樁基事故風險分析中施工管理、施工組織、材料質量以及地質勘察洗洗度等因素存在較大風險，針對以上情況提出如下建議：

3.1加強過程施工管理

在項目開工前應該建立健全項目經理部的各項管理制度，明確責任。對每一項工作應該有目標、有計劃、有落實、有獎懲。特別是在樁基施工過程中應該尤其關注施工人員和機械設備的管理。

3.2科學部署施工組織設計

施工組織設計是工程項目的綱領性文件，一方面在編制施工組織設計時應該根據項目施工實際情況科學的安排各項施工方案，避免由于方案不合理造成返工，甚至發生安全、質量事故;另一方面，在確定好施工組織設計后，現場應該嚴格按照方案施工，如需變更方案應該組織專家進行方案論證。

3.3杜絕不合格原材料的使用

工程項目涉及的材料眾多，而工程質量的合格與否直接取決于原材料的好壞。一方面，在項目物資招標采購環節，項目物資人員應該加大甄別力度，貨比三家;另一方面，已進場的關鍵物資應該加大試驗檢測力度，杜絕不合格材料在實體工程中使用。

3.4加強地質的觀察與資料收集

由于項目前期勘探不可能對每一根樁基的地質情況進行全面的勘察，所以在樁基施工過程中應該加強鉆施工過程中的觀察與分析，并及時做好相關資料的收集與整理，如地質確實與設計圖紙不符應及時組織變更設計。

結語

通過以上樁基事故的研究結果來看，可以得出橋梁樁基事故的發生主要集中在施工過程中，因此，為避免樁基事故的發生應該著重關注樁基在施工過程中的管理，這對橋梁事故風險的防范有積極的意義。