基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的鋼管樁圍堰安全評(píng)價(jià)研究*

王妍蒙 胡長(zhǎng)明，2 王旭東 楊超

（1.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，陜西西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055；3.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西西安 710082）

0 引言

隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善與發(fā)展，我國(guó)的橋梁工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，因此遇到的建設(shè)環(huán)境也越趨復(fù)雜，尤其是深水條件下的橋梁施工愈加頻繁，其基礎(chǔ)工程的穩(wěn)定性與安全性成為整個(gè)項(xiàng)目建成的首要前提。圍堰作為橋梁下部結(jié)構(gòu)施工的擋水結(jié)構(gòu)及作業(yè)平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)，更好地抵御了土體壓力及動(dòng)水壓力等外界因素對(duì)基坑內(nèi)部環(huán)境的影響，大多數(shù)施工企業(yè)都會(huì)采用強(qiáng)度高、防水性強(qiáng)的鋼圍堰來(lái)保障橋墩承臺(tái)的順利施工［1］，5 m 及以上深基坑的圍堰支護(hù)作為危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程具有極高的事故發(fā)生率，在外部荷載的作用下易發(fā)生坍塌、滑移、失穩(wěn)、滲漏等事故，而一旦發(fā)生此類風(fēng)險(xiǎn)安全事故，則會(huì)造成群死群傷的不良社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失，因此在施工前對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素的把控與研究必不可少。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者從不同角度對(duì)鋼圍堰的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行過(guò)研究分析，劉沐宇等［2］利用模糊故障樹理論明確了雙壁鋼圍堰在水中墩施工風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵工序；朱艷等［3］基于貝葉斯方法對(duì)鋼圍堰的結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度分析，被廣泛應(yīng)用于在深水作業(yè)時(shí)影響鋼圍堰的穩(wěn)定性研究；戴良軍等［4］基于鋼圍堰在陡峭巖面條件下的施工工藝構(gòu)建出鋼圍堰整體抗滑風(fēng)險(xiǎn)模型，對(duì)其施工階段的總體風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評(píng)估計(jì)算；左翼等［5］基于LEC法首次考慮了血吸蟲在鋼圍堰涉水施工中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；HU Y Q 等［6］基于有限元數(shù)值模擬研究了水位波動(dòng)對(duì)圍堰失穩(wěn)及滲流的風(fēng)險(xiǎn)分析。

上述研究對(duì)鋼圍堰的風(fēng)險(xiǎn)分析具有一定的積極作用，但就研究對(duì)象方面，沒(méi)有針對(duì)性地考慮鋼管樁圍堰的失穩(wěn)條件；在研究手段方面，沒(méi)有建立起鋼圍堰在施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系；尤其是在研究?jī)?nèi)容方面，定量化研究中沒(méi)有考慮因素事件對(duì)整體事故發(fā)生率的影響以及因素間的耦合效應(yīng)，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能夠很好地彌補(bǔ)相關(guān)研究缺口［7-8］。因此，本文就鋼圍堰類型之一的鎖扣鋼管樁圍堰在施工過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析研究，建立合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正向推理、反向診斷及各敏感性分析，最終實(shí)現(xiàn)鋼管樁圍堰在施工過(guò)程中失效因素的路徑，在施工前期遏制危險(xiǎn)源的產(chǎn)生與發(fā)展，有效降低事故發(fā)生率，提高安全、綠色、可持續(xù)建設(shè)目標(biāo)，為鋼圍堰施工風(fēng)險(xiǎn)控制提供科學(xué)合理的理論依據(jù)。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

在不同領(lǐng)域中，安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)所采用的研究方法和計(jì)算模型不盡相同，可歸納總結(jié)為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型（BN）、解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型（SD）以及N-K 模型等。其中BN 網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)計(jì)算概率數(shù)值合理地表現(xiàn)出不確定性因素間耦合作用，分別利用有向邊和條件概率表確定各因素節(jié)點(diǎn)間的依賴關(guān)系和轉(zhuǎn)移關(guān)系，建立起整個(gè)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地體現(xiàn)出圖論法與概率論原理兩者的優(yōu)勢(shì)，從而針對(duì)不確定性因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

由于鋼管樁圍堰沒(méi)有大量精確的歷史數(shù)據(jù)，為了更好地對(duì)不確定性因素進(jìn)行推理，引入模糊理論對(duì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與模糊數(shù)理論的結(jié)合處理復(fù)雜、不確定的問(wèn)題，并從中獲得有價(jià)值的信息和洞察。模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)同樣離不開(kāi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)計(jì)算2 部分，通過(guò)有向無(wú)環(huán)圖構(gòu)建節(jié)點(diǎn)間的因果耦合關(guān)系，量化的參數(shù)采用條件概率表的方式體現(xiàn)。

1.2 模糊數(shù)理論

模糊數(shù)理論是一種解決不確定性因素的研究方法，通過(guò)既定的函數(shù)以及集合，計(jì)算各因素的發(fā)生概率，令Vx∈U，函數(shù)（x）表示x在U中的隸屬度值，（x）∈［0，1］。通常采用三角模糊數(shù)和梯形模糊數(shù)進(jìn)行分析，由于三角模糊數(shù)應(yīng)用廣泛且運(yùn)算簡(jiǎn)單，本文利用該方法進(jìn)行模糊計(jì)算，通過(guò)3 個(gè)實(shí)數(shù)值（a，b，c）共同描述事件煩人模糊程度，它們分別代表模糊數(shù)的下界、中心值和上界。

1.3 Leaky Noisy-OR Gate 模型

Leaky Noisy-OR Gate 模型是Leaky 教授對(duì)與門、非門邏輯的再深入研究，該模型假設(shè)：各節(jié)點(diǎn)間相互獨(dú)立，且均為二態(tài)節(jié)點(diǎn)，令節(jié)點(diǎn)Y具有n個(gè)父節(jié)點(diǎn)Xk（k=1，2，…，n），將父節(jié)點(diǎn)分為Xi和除Xi以外的全部節(jié)點(diǎn)Xall，對(duì)應(yīng)的連接概率為PXi和PXall，即由于Xi發(fā)生而導(dǎo)致Y發(fā)生的概率，和由于Xall發(fā)生而導(dǎo)致Y發(fā)生的概率，則得到式（1）—式（3）。

1.4 MIDAS 仿真模擬

在對(duì)鎖口鋼管樁圍堰進(jìn)行建模時(shí)，大部分研究學(xué)者會(huì)考慮采用MIDAS CIVIL 有限元軟件進(jìn)行仿真模擬，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)其系統(tǒng)中具有大量現(xiàn)成的截面、材料等屬性，無(wú)需再重新繪制，且內(nèi)含的模型插件可以對(duì)接到其他軟件中進(jìn)行有限元分析，被廣泛應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)、水工建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

根據(jù)朗肯土壓力定理得到圍堰內(nèi)外主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力的計(jì)算公式，如式（4）—式（6）所示：

式中，Pa表示主動(dòng)土壓力；k表示被動(dòng)土壓力的水平反力系數(shù)；表示土的自然重度；z表示計(jì)算點(diǎn)距離土體表面的深度；c表示土的粘聚力；表示土的內(nèi)摩擦角；m代表土反力的比例系數(shù)，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的勘察報(bào)告取值。

由于建模時(shí)需要考慮劃分網(wǎng)格的條件影響，因此修正后的被動(dòng)土壓力計(jì)算如式（7）所示：

式中，Pb代表被動(dòng)土壓力；a、b分別為模型所劃分網(wǎng)格的長(zhǎng)和寬。

流水壓力則根據(jù)技術(shù)規(guī)范得到計(jì)算公式，如式（8）和式（9）所示：

式中，Pw和Fw分別代表靜水壓力和動(dòng)水壓力；w代表水的容重，通常取10；hw代表水位高度；K代表圍堰的形狀系數(shù)，按《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51295—2018）表A 2.1 取值；A代表阻水面積；V代表設(shè)計(jì)的水流速度。

2 基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的鋼圍堰施工風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的建立

為厘清鋼管樁圍堰在施工過(guò)程中存在的各項(xiàng)安全問(wèn)題，課題組成員通過(guò)項(xiàng)目實(shí)地考察、閱讀大量相關(guān)研究文獻(xiàn)及各大工程鋼圍堰施工方案，參照《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51295—2018）［10］和《房屋市政工程生產(chǎn)安全重大事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)（2022 版）》［11］等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并基于4M1E 的理論原則將其施工過(guò)程中所涉及到的風(fēng)險(xiǎn)源統(tǒng)籌為作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)、作業(yè)機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)、作業(yè)材料風(fēng)險(xiǎn)、作業(yè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)五大方面，其中包括圍堰施工單位及人員的無(wú)資質(zhì)審查、鎖口未達(dá)標(biāo)、環(huán)境水流壓力過(guò)大、土體穩(wěn)定性差等18 項(xiàng)基本風(fēng)險(xiǎn)源，建立如表1 所示的風(fēng)險(xiǎn)源清單。

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的建立

在已識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)源基礎(chǔ)上，根據(jù)各因素間的邏輯關(guān)系構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已考慮系統(tǒng)失效的原因分析和影響因素，辨識(shí)的各風(fēng)險(xiǎn)要素中存在一定的因果關(guān)系，各級(jí)指標(biāo)間均為或門關(guān)系，因此構(gòu)建如圖1 所示的鋼管樁圍堰安全事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中將目標(biāo)事件“鋼管樁圍堰安全事故”作為葉節(jié)點(diǎn)T，5 個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)映射為中間節(jié)點(diǎn)，18 個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)映射為根節(jié)點(diǎn)。

圖1 鋼管樁圍堰安全事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

2.3 節(jié)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算

2.3.1 根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率

定義引發(fā)鋼管樁圍堰發(fā)生安全事故的各因素節(jié)點(diǎn)均存在2 種狀態(tài)，即“State N”和“State Y”分別表示該因素事件“不發(fā)生”與“發(fā)生”。采用專家問(wèn)卷調(diào)查確定各節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率，邀請(qǐng)4 位專家對(duì)影響鋼管樁圍堰的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行發(fā)生概率等級(jí)打分，其中包括1 位Ⅰ類專家、2 位Ⅱ類專家和1 位Ⅲ類專家，由于各位專家的教育背景和工作經(jīng)驗(yàn)不同，綜合考慮其職業(yè)資質(zhì)、工作年限、項(xiàng)目職位和學(xué)歷職稱4 方面的因素，建立專家可信度i分級(jí)，如表2 所示。

表2 專家可信度分級(jí)

（1）等級(jí)化。將節(jié)點(diǎn)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故概率的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為5 級(jí)：低概率、較低概率、中等概率、較高概率、高概率，將相關(guān)專家對(duì)節(jié)點(diǎn)變量發(fā)生概率的語(yǔ)言表述［12］定量化，同時(shí)結(jié)合三角模糊理論得到如表3所示的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 三角模糊評(píng)價(jià)等級(jí)

（2）均值化。為了剔除統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的異常值，提高計(jì)算精確度，反映整體數(shù)值的趨勢(shì)和特征，利用算術(shù)平均數(shù)計(jì)算各根節(jié)點(diǎn)的模糊數(shù)均值Pk，結(jié)合各位專家的權(quán)重系數(shù)，按計(jì)算式（10）進(jìn)行加權(quán)平均。

式中，n代表專家組成員人數(shù)；i代表第i位專家的權(quán)重系數(shù)；Pik代表第i位專家對(duì)k指標(biāo)打分的三角模糊數(shù)。

（3）去模糊化。在均值化的基礎(chǔ)上，為了使數(shù)據(jù)更加明確和清晰，將三角模糊數(shù)精確化，利用面積法將模糊數(shù)進(jìn)行去模糊化處理，使根節(jié)點(diǎn)的三角模糊數(shù)Pk精確為Pk*，計(jì)算如式（11）所示：

（4）歸一化。事件發(fā)生與不發(fā)生的概率總和為1，為更準(zhǔn)確地描述事故發(fā)生的概率值，去模糊化的同時(shí)對(duì)概率值進(jìn)行歸一化處理，最終得到根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率表，如表4 所示。

表4 根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率

2.3.2 非根節(jié)點(diǎn)的條件概率

經(jīng)專家組討論，各因素節(jié)點(diǎn)均服從高斯分布，在置信水平為97%的條件下，遺漏概率取PL=0.03。由于文章篇幅的限制，以中間節(jié)點(diǎn)“作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)”（A）進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)專家判定得知P（A|Ai）與P（A|Ai）（i=1，2，3，4，5）的具體數(shù)值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5 所示。

表5 作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)（A）的條件概率值統(tǒng)計(jì)

根據(jù)式（4）、表（5）分別求得A1—A3與A 的連接概率分別為0.576 9、0.500 0、0.384 6。當(dāng)PL=0.03 時(shí)，根據(jù)式（3）獲得中間節(jié)點(diǎn)A 的條件概率分布，如表6所示。

表6 作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)（A）的條件概率

由表6 中的概率數(shù)據(jù)可知，在父節(jié)點(diǎn)A3發(fā)生的前提條件下，A1與A2的發(fā)生導(dǎo)致子節(jié)點(diǎn)A發(fā)生的概率為89.24%，而在A3沒(méi)有發(fā)生的前提條件下，A1與A2的發(fā)生導(dǎo)致子節(jié)點(diǎn)A發(fā)生的概率為72.02%，由此可得，父節(jié)點(diǎn)A1、A2與A3之間存在一定的耦合關(guān)系，三者之間經(jīng)耦合作用通過(guò)子節(jié)點(diǎn)發(fā)生的概率形式反映了節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系以及不同父節(jié)點(diǎn)的組合形式對(duì)子節(jié)點(diǎn)的作用效果。同理，可依次計(jì)算得到B—E及T 節(jié)點(diǎn)處的條件概率分布表。

2.4 模型結(jié)果分析

通過(guò)NETICA軟件完成鋼管樁圍堰安全事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建與推理。

2.4.1 正向因果推理

將上述已確定的各節(jié)點(diǎn)條件概率值與基本概率值輸入至模型內(nèi)，獲得中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)不同狀態(tài)下的具體概率值，形成正向推理分析，最終得到中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)在不同狀態(tài)下的具體概率數(shù)值，如圖2所示。

圖2 鋼管樁圍堰安全事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)正向推理結(jié)果

在鋼管樁圍堰在施工過(guò)程中往往會(huì)伴隨著因素事件的動(dòng)態(tài)變化，而基于時(shí)間的累加作用下，整體發(fā)生安全事故的可能性會(huì)實(shí)時(shí)更新，大幅度增加或減少，由于各根節(jié)點(diǎn)間耦合結(jié)果共有305 218 種情況，一一分析太過(guò)繁雜，且有些情況可忽略不計(jì)，因此現(xiàn)給出實(shí)際施工常遇到的3 種施工情況，經(jīng)過(guò)正向推理得出相對(duì)應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。

情況一：在施工過(guò)程中，沒(méi)有形成完備的安全管理制度和體系，造成現(xiàn)場(chǎng)秩序雜亂無(wú)章，沒(méi)有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的管理人員和作業(yè)人員進(jìn)行安全培訓(xùn)及班前教育，進(jìn)場(chǎng)人員安全意識(shí)普遍低下，此時(shí)根節(jié)點(diǎn)A1與D3同時(shí)發(fā)生，將P（A1=Y）=1、P（D3=Y）=1 代入網(wǎng)絡(luò)模型中，更新概率得到該情況下的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖3 所示，在人員與技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的雙重耦合作用下能夠提高事故在發(fā)生狀態(tài)下的概率值。

圖3 情況一正向推理出的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

情況二：在施工過(guò)程中，作業(yè)環(huán)境遭遇極端強(qiáng)降雨情況，涉水作業(yè)的鋼圍堰承受超出設(shè)計(jì)值之外的流水壓力，而已確定的監(jiān)測(cè)方案卻沒(méi)有對(duì)相應(yīng)部位做到實(shí)時(shí)預(yù)警，在延長(zhǎng)工期的同時(shí)堰體的穩(wěn)定性極具考驗(yàn)，即P（E2=Y）=1，P（D1=Y）=1，通過(guò)更新推理得到情況二下的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖4 所示，在作業(yè)環(huán)境和作業(yè)技術(shù)的耦合作用下，事故幾率顯著提升。

圖4 情況二正向推理出的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

情況三：在施工過(guò)程中焊接工工藝不熟練，致使操作結(jié)果不理想，焊縫質(zhì)量差，探傷結(jié)果不合格，最終導(dǎo)致支護(hù)體系失穩(wěn)，將P（A2=Y）=1、P（C2=Y）=1 和P（C4=Y）=1 的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)更新到模型中，如圖5 所示，說(shuō)明在作業(yè)人員和作業(yè)材料的三因素耦合作用下，能夠明顯提高事故發(fā)生的概率。

圖5 情況三正向推理出的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

2.4.2 反向診斷分析

反向診斷推理將鋼管樁圍堰發(fā)生安全事故作為前提條件，從而得到各因素節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率，以此診斷出在事故發(fā)生的條件下，根節(jié)點(diǎn)處于發(fā)生狀態(tài)的可能性大小，依據(jù)后驗(yàn)概率的大小確定鋼管樁圍堰發(fā)生失穩(wěn)、坍塌等安全事故的主要致險(xiǎn)因素和失效路徑，后驗(yàn)概率越大，越有可能導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。即將P（T=Y）=1，輸入至貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中，得到反向診斷后的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖6 所示，各因素節(jié)點(diǎn)的先、后驗(yàn)概率大小對(duì)比，如圖7 所示。

圖6 鋼管樁圍堰安全事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)反向診斷結(jié)果

圖7 根節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率與后驗(yàn)概率對(duì)比

由圖6、圖7 可知，影響鋼管樁圍堰穩(wěn)定性的主要因素排序?yàn)椋核鲏毫Γ‥2）＞土體穩(wěn)定性（E1）＞支護(hù)體系穩(wěn)定性（C4）＞焊接質(zhì)量（C2）＞安全防護(hù)設(shè)備配備程度（B3），且環(huán)境條件對(duì)其穩(wěn)定性影響最大。針對(duì)深水條件下的鋼管樁圍堰來(lái)說(shuō)，施工階段遭遇強(qiáng)降雨天氣使圍堰內(nèi)積水嚴(yán)重、河流水速湍急，鋼管上端嚴(yán)重變形，同時(shí)導(dǎo)致砂層地質(zhì)松軟，底部易發(fā)生突涌現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到整體的安全性，因此要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)反饋位移及圍堰內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變，加固牛腿、斜撐等安全措施，最大可能降低風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率。

2.4.3 敏感性分析

本文利用變異度系數(shù)Rov衡量各因素節(jié)點(diǎn)的敏感性，明確哪些因素在發(fā)生變化時(shí)，葉節(jié)點(diǎn)被影響的程度最大，根據(jù)式（12）求得各節(jié)點(diǎn)的變異值，如圖8所示。

圖8 各節(jié)點(diǎn)的變異值計(jì)算結(jié)果

式中，i和分別表示因素節(jié)點(diǎn)i的后驗(yàn)概率和先驗(yàn)概率。

由圖8 可知，中間節(jié)點(diǎn)的敏感性排序?yàn)椋鹤鳂I(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（E）＞作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)（A）＞作業(yè)材料風(fēng)險(xiǎn)（C）＞作業(yè)機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)（B）＞作業(yè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)（D），說(shuō)明作業(yè)環(huán)境既是引起事故的主要因素又是敏感因素，一旦發(fā)生較大變故可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。同時(shí)，水流壓力（E2）、土體穩(wěn)定性（E1）、環(huán)境溫濕度（E4）、人員安全意識(shí)（A3）和支護(hù)體系穩(wěn)定性（C4）等基本因素的變動(dòng)程度對(duì)鋼管樁圍堰風(fēng)險(xiǎn)事故的影響同樣較大。

3 案例分析

3.1 工程概況

以某橋梁工程為例，深入量化并驗(yàn)證前文所分析的主要環(huán)境因素對(duì)實(shí)際案例的影響。其線路總長(zhǎng)1.834 km，主跨1 412 m，橋梁橫跨河流路段，常年平均流速小于2 m/s，橋墩W02—W09 位于河道內(nèi)橋墩處均采用鎖扣鋼管樁圍堰進(jìn)行施工，地質(zhì)以中砂為主，基礎(chǔ)挖深10.0 ～19.5 m，鋼管樁圍堰高達(dá)33 m（無(wú)防汛接高，實(shí)際施工26 m），實(shí)際施工圖如圖9 所示，依據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》可知，該圍堰安全等級(jí)為一級(jí)高危工程，且施工階段臨近強(qiáng)降雨期，橋墩基礎(chǔ)工程施工過(guò)程圍堰具有坍塌、失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)，因而選取該項(xiàng)目作為研究對(duì)象。

圖9 鋼管樁圍堰現(xiàn)場(chǎng)施工

3.2 MIDAS 仿真模擬

針對(duì)富水砂層地質(zhì)建立MIDAS CIVIL 鋼管樁圍堰受力模型，其中鋼管樁采用梁?jiǎn)卧M，基坑內(nèi)土彈簧、封底混凝土約束、各道圈梁約束均采用只受壓節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬，土壓力、初始土反力及水壓力換算后均采用梁?jiǎn)卧奢d的形式加載到鋼管樁上。依據(jù)實(shí)際施工步驟大致分為4 個(gè)工況，分別為開(kāi)挖至第一道圍檁、開(kāi)挖至第二道圍檁、開(kāi)挖至第三道圍檁以及開(kāi)挖至封底混凝土處，通過(guò)對(duì)比實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，模型符合實(shí)際，模型及分析結(jié)果如圖10、圖11 所示，實(shí)際封底后圍堰水平位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值對(duì)比情況如圖12 所示。

圖10 鋼管樁圍堰受力模型（荷載不完全顯示）

圖11 鋼管樁最大位移情況對(duì)比（單位：mm）

圖12 鋼管樁圍堰監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析得到鋼管樁最大位移均在迎水面處，即水流壓力在施工過(guò)程的環(huán)境中對(duì)堰體變形影響最大，且工況四處最大位移值達(dá)23.214 mm，同模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中所得結(jié)論一致。采用控制變量的思想對(duì)水流流速以及土體特性2 個(gè)變量逐一分析，結(jié)果如表7 所示。

表7 控制變量分析結(jié)果

由表7 中的數(shù)據(jù)可知，在相同流速條件下不同土質(zhì)情況所對(duì)應(yīng)的最大位移量不同，黏土層影響最大，其次為淤泥質(zhì)土和砂層土；在相同土質(zhì)下，流速越大，動(dòng)水壓力越大，相應(yīng)的最大位移量也隨之變大，且變化速率大于前者，但在流速為2 m/s時(shí)圍堰最大水平位移發(fā)生突變，表明當(dāng)遭遇極端強(qiáng)降雨天氣時(shí)鋼圍堰發(fā)生傾倒坍塌的概率較大，驗(yàn)證了前文模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析的可靠性，同時(shí)結(jié)論符合實(shí)際和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，即鋼管樁圍堰適用于流速小于2 m/s的河流流域。

4 結(jié)論

（1）影響鋼管樁圍堰安全性的主要因素有：水流壓力、土體穩(wěn)定性、支護(hù)體系穩(wěn)定性、焊接質(zhì)量和安全防護(hù)設(shè)備配備程度等，且水流壓力、土體穩(wěn)定性、環(huán)境溫濕度、人員安全意識(shí)和支護(hù)體系穩(wěn)定性等因素敏感性較大，最大致因鏈為流速過(guò)大導(dǎo)致施工環(huán)境因素失效，最終引起安全事故的發(fā)生，因此需及時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境中的各項(xiàng)指標(biāo)以及堰體位移量和內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變值，針對(duì)性地采取人員安全教育，提高安全施工質(zhì)量。

（2）為了定量化分析主要環(huán)境因素對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的影響程度，基于MIDAS 建立有限元模型，并采用控制變量的思想分析不同流速和土質(zhì)的條件下引起圍堰的最大變形值，最終表明圍堰在施工過(guò)程中受流體壓力的影響較大，砂層穩(wěn)定性相較于黏土層和淤泥質(zhì)土層高，結(jié)果符合實(shí)際。

（3）本研究針對(duì)深水作業(yè)的鋼管樁圍堰進(jìn)行系統(tǒng)性影響因素分析，目的是更好地對(duì)工程進(jìn)行事前控制并構(gòu)建安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，為后續(xù)的安全等級(jí)評(píng)價(jià)提供有力前提，保障施工時(shí)的安全穩(wěn)定，下一步將考慮對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)的等級(jí)評(píng)價(jià)研究。