基于故障树模型的桥梁桩基风险研究及应用

肖坤

摘要：为了节约土地资源，提高铁路线路驾驶安全及平稳度，桥梁在高铁中使用频率越来越高。然而在高铁运营过程中桥梁一旦发生破坏，其造成的社会影响和经济损失难以估量。本文根据实际案例情况，利用故障树模型对桥梁桩基结构进行了详细的风险研究和探讨，并给出了相应的风险应对策略

关键词：桩基;风险;故障树

一、引言

现代桥梁建设己经取得了很多举世瞩目的成绩，特别是国内桥梁技术迅猛的发展，己经达到了世界领先水平，斜拉桥、悬索桥、跨海大桥等取得的技术突破让其成为许多城市的地标性建筑。在我国经济快速发展的背景下，高速铁路项目中的桥梁占比越来越高，例如京沪高铁桥占比为80%，京津城际为88%，沪杭高铁高达92%。桥梁的安全、质量无疑是重点关注对象，桩基作为桥梁主要受力部分承担着桥梁是否安全运营的关键所在，由于其隐蔽性特点，桩基施工直接造成的桥梁事故众多，除地质本身情况外，人为操作因素占比较大。一旦发生安全质量事故，其造成的后果将不堪设想。不仅会造成较大的经济损失，更有可能造成各类人员伤亡，这就表明在桥梁方案制定和施工过程中，对事故安全风险的认识和防范都是极为重要。

从桥梁发生的重大事故原因来看，许多事故的案例都表现出极其复杂的逻辑关系。在各项逻辑关系的基础上采用故障树分析方法可以对桥梁桩基的风险因素进行识别，从而计算事故发生的概率。

二、模糊故障树法的桥梁桩基分析

2.1工程概况

某JT城际铁路，起止里程为DK101+167.09～DK128+077.46。主要工作内容为特大桥一座，正线长26.91公里，施工范围为501#墩～1292#墩，钻孔桩基础7966根，地质多为粉质黏土、粉、细砂，部分地区分布有粗砂、砾砂、砾土。设计时速目标值350公里/小时。

2.2风险因素识别及风险清单的建立

由于该项目地处北方，地质结构复杂，繁杂的施工工艺以及漫长的冬季施工工期等各种不确定性都决定了桥梁风险的不可预见性。桥梁桩基的风险事故一般包括：桩基底沉渣过厚、桩基础轴线偏差、承载力不足、断桩、地基沉降过大等。但究其原因，桥梁桩基事故经归纳总结其一级风险因素不外乎勘察、设计、施工和自然灾害等原因，下面就以上因素进一步分析得出二级风险因素。

在桥梁勘察设计阶段，勘察设计失误往往会对桩基施工构成致命风险，设计经验丰富与否将直接决定桥梁建设成败。而在桥梁施工作业阶段，由于桥梁施工地处野外，作业过程环境变化难控，室外温度起伏不定，施工工期持续时间过长等因素都会导致桥梁的结构得不到精准的控制。与此同时，在组织施工过程中，施工工序复杂多变，垂直交叉作业频发，工程物资和机械设备在桥梁建设过程中也是风险因素的重要组成部分，具体清单如表1所示。

清单中的风险因素仅为桥梁桩基础的一些常见风险。实际情况中，从桥梁的勘察设计到施工运营风险因素众多，桩基事故的发生是复杂多变的，也是不可预测的，所以本文也就不可能对每一种风险因素加以预判。

2.3故障树定性分析

故障树法在项目风险管理中应用的比较多，本文根据每一个风险因素可能发生的概率，用下行法求出故障树所有的最小割集，得出故障树的结构函数为：

式中：X1，X2，X3……Xn表示故障树的n个基本事件;Mi表示第i个最小割集，并有：Mi=∏xi∈miXj（2）构建故障树，如下图1所示

由以上故障树可以看出，利用下行法求解故障树的最小割集分别是{A1}{}、{Z2}、{A3}、{A4}、{A5}、{B1}、{B2}、{B3}、{B4}、{C1}、{C2}、{C3}、{D1}、{D2}、{D3}、{D4}、{D5}，以上割集为最小割集，只要最小割集内的任意一个事件发生都会造成T事件的发生。

2.4故障树定量分析

由于在二级风险下还有三级风险，例如在施工措施当中就含有：造浆、钻孔冲击、清孔、二次清孔;通过对各项风险进行专家打分，与此同时通过以往数据和经验得到二级风险因素发生的概率如表1中所示：

设xi（t）=1表示第i个部件在t时刻故障。本文计算事件i发生的概率，也就是计算随机变量xi（t）的期望值，即：

经计算得出顶事件T发生的概率P（T）=0.991，由此可知在桩基施工过程中发生事故的概率较大。

2.5概率重要度分析

既然顶事件桩基发生事故的概率极大，也难以避免，那么通过有针对性的分析最小割集的重要度来研究下一步对策。其相关函数如下所示：

根据以上各项底事件的概率重要度值来判断，排在前三位的分别是D5>D1>D3=A3。

三、风险的评估

通过以上数据分析得出，在桥梁桩基事故风险分析中施工管理、施工组织、材料质量以及地质勘察洗洗度等因素存在较大风险，针对以上情况提出如下建议：

3.1加强过程施工管理

在项目开工前应该建立健全项目经理部的各项管理制度，明确责任。对每一项工作应该有目标、有计划、有落实、有奖惩。特别是在桩基施工过程中应该尤其关注施工人员和机械设备的管理。

3.2科学部署施工组织设计

施工组织设计是工程项目的纲领性文件，一方面在编制施工组织设计时应该根据项目施工实际情况科学的安排各项施工方案，避免由于方案不合理造成返工，甚至发生安全、质量事故;另一方面，在确定好施工组织设计后，现场应该严格按照方案施工，如需变更方案应该组织专家进行方案论证。

3.3杜绝不合格原材料的使用

工程项目涉及的材料众多，而工程质量的合格与否直接取决于原材料的好坏。一方面，在项目物资招标采购环节，项目物资人员应该加大甄别力度，货比三家;另一方面，已进场的关键物资应该加大试验检测力度，杜绝不合格材料在实体工程中使用。

3.4加强地质的观察与资料收集

由于項目前期勘探不可能对每一根桩基的地质情况进行全面的勘察，所以在桩基施工过程中应该加强钻施工过程中的观察与分析，并及时做好相关资料的收集与整理，如地质确实与设计图纸不符应及时组织变更设计。

结语

通过以上桩基事故的研究结果来看，可以得出桥梁桩基事故的发生主要集中在施工过程中，因此，为避免桩基事故的发生应该着重关注桩基在施工过程中的管理，这对桥梁事故风险的防范有积极的意义。