中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
四川省公路總里程超過34萬公里，高速公路超8000公里。而受四川省獨特的地質(zhì)地形和水文氣候環(huán)境影響，省內(nèi)公路多跨越崇山峻嶺或溝谷河流，運營環(huán)境極其惡劣。伴隨服役時間增加，橋隧等結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施的健康狀況逐漸劣化。此外省內(nèi) 公路路網(wǎng)還面臨地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地震烈度高，地形起伏巨大、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，水系發(fā)達(dá)、季節(jié)性水患頻發(fā)等特點，使公路運營安全問題日益突出。如何做到公路基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險隱患的早發(fā)現(xiàn)、早排除，直接關(guān)系到人民群眾的生命財產(chǎn)安全及國有資產(chǎn)的損益。而單純依靠人工檢查手段防范上述安全風(fēng)險，存在對突發(fā)事故預(yù)警和響應(yīng)不及時、對養(yǎng)護(hù)維修決策支持科學(xué)依據(jù)不夠充分的缺陷。
近年來，伴隨著新興技術(shù)的發(fā)展，工程領(lǐng)域開始采用 現(xiàn)代化傳感、數(shù)采和通信等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，將橋隧結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)和周邊環(huán)境變化參數(shù)等指標(biāo)，轉(zhuǎn)換為可量測、可判讀的信息化數(shù)據(jù)。再利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等信息處理技術(shù)將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為及時準(zhǔn)確的預(yù)警信號和科學(xué)可靠的評估結(jié)論，公路基礎(chǔ)設(shè)施自動化和智能化監(jiān)測逐漸成為解決上述問題的有效技術(shù)途徑。
監(jiān)測中的山區(qū)梁橋
本文以四川省某高速公路簡支梁橋為例，介紹工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)在橋梁沉降監(jiān)測中的應(yīng)用。該橋分為左、右幅，其橋跨布置均為 4×25m+4×25m，橋梁全長207.0m，橋面全寬 25.5m。該橋設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：
公路等級：高速公路；
設(shè)計速度：80km/h；
設(shè)計荷載等級：公路—Ⅰ級；
橋 面 寬 度：凈 -11.4+2×0.6（ 防 撞 護(hù) 欄 ）+ 凈 -11.4+2×0.6（防撞護(hù)欄），橋面全寬 25.5m；
橋面縱坡：單向縱坡 -2.6%；
地震動峰值加速度系數(shù)：0.05g。
該橋上部結(jié)構(gòu)采用 25m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T 梁，橋面連續(xù)設(shè)計；下部結(jié)構(gòu)選取圓柱形橋墩及樁式橋臺，均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；支座類型為普通板式橡膠。橋面鋪裝采用 10cm 現(xiàn)澆混凝土+防水粘結(jié)層 +10cm 瀝青混凝土；全橋共設(shè) 3 道伸縮縫，在 0# 、8# 橋臺處分別設(shè)置一道 D80 型伸縮縫，4# 橋墩上設(shè)置一道 D160 型伸縮縫；橋臺后設(shè) 8m 長搭板?，F(xiàn)場實景照片如圖 1 所示。
圖1 山區(qū)某大橋
在施工過程中發(fā)現(xiàn)有基礎(chǔ)沉降和局部滑移現(xiàn)象，業(yè)主遂委托相關(guān)單位對該橋進(jìn)行了應(yīng)急搶險檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對該橋 0# 臺及 1# ~4# 墩實施了增設(shè)鋼管排架輔助墩等維修加固處治措施。
該橋已于 2020 年 1 月建成通車。為確保運營安全，業(yè)主委托相關(guān)單位對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測。該公司組織技術(shù)團(tuán)隊編制橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)方案和實施大綱，根據(jù)方案和大綱啟動應(yīng)急程序采購監(jiān)測設(shè)備，并于 2020 年 1 月 17 日至 23 日進(jìn)場完成了監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備安裝、集成和調(diào)試工作，其結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)于 2020 年 1 月 24 日 開始上線試運行。
依據(jù)《四川省運營高速公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)指 南》（試行版）并結(jié)合本項目的實際情況，該橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)按照“C 類——應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)”進(jìn)行建設(shè)和試運行；試運行結(jié)束后，可視情況轉(zhuǎn)為“B 類——特定目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)”進(jìn)行運維。
結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險辨識分析
通過對大橋設(shè)計資料、路基路面鋪裝復(fù)測結(jié)果、現(xiàn)場病害圖像等相關(guān)資料的初步分析，認(rèn)為上述病害主要由橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降引發(fā)。由于后續(xù)發(fā)展趨勢和影響不明，因此，有必要進(jìn)行長期性監(jiān)測，繼續(xù)跟蹤不均勻沉降的后續(xù)發(fā)展情況及其對結(jié)構(gòu)的影響程度。為有效地監(jiān)測結(jié)構(gòu)的安全隱患，首先需要辨識橋梁結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險，為系統(tǒng)設(shè)計時選取監(jiān)測項目和布設(shè)測點打下基礎(chǔ)。
大橋的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險辨識分析方法采用事故樹分析法。事故樹分析法不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因，用它描述事故的因果關(guān)系直觀明了、思路清晰、邏輯性強(qiáng)。開展橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險辨識分析，是遵循“以頂上事件為干，以中間事件為枝、以底事件為葉”的基本原則，采取從結(jié)果到原因的逐層逆向溯源分析的方法。既可定性評價每一風(fēng)險事件的結(jié)構(gòu)重要度排序，也可定量測算每一層次風(fēng)險事件的發(fā)生概率和 損失程度。事故樹分析結(jié)果為科學(xué)選取監(jiān)測指標(biāo)、合理優(yōu)化測點布設(shè)方案的基礎(chǔ)。
針對該大橋病害特征及周圍地質(zhì)調(diào)查情況，確定“橋梁結(jié)構(gòu)坍塌”總體風(fēng)險為頂上事件，進(jìn)一步梳理風(fēng)險事件和風(fēng)險源之間的邏輯關(guān)系后，繪出事故樹形結(jié)構(gòu)（見圖 2）， 事故樹中的符號及其對應(yīng)的事件定義如表 1 所示。
圖2 大橋事故樹結(jié)構(gòu)
監(jiān)測指標(biāo)選取與傳感器布設(shè)
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險辨識及分析結(jié)果，可初步進(jìn)行該橋監(jiān)測指標(biāo)體系設(shè)計。包括以下兩部分：
1. 監(jiān)測指標(biāo)及方法選取
基于前述橋梁安全風(fēng)險辨識分析的成果，并遵循“災(zāi) 害－風(fēng)險分析”“目標(biāo)－功能分析”“功能－成本分析” 三個原則，宜優(yōu)先關(guān)注與頂上事件直接關(guān)聯(lián)且發(fā)生概率較高的風(fēng)險事件。對應(yīng)于每一項被關(guān)注的風(fēng)險事件及其下游事件（或風(fēng)險源），嘗試找出一個或多個表征其發(fā)生或發(fā)展?fàn)顟B(tài)的特征值作為監(jiān)測指標(biāo)。對應(yīng)于每個監(jiān)測項目，可根據(jù)其量程、精度、分辨率、采樣頻率、布設(shè)位置和方式等要求，初步確定監(jiān)測的技術(shù)方法或手段。針對該大橋，表 2 從左至右列出了上述監(jiān)測指標(biāo)和方法的選取過程。
通過以上分析，確定主要的監(jiān)測項為：墩（臺）豎直 度、墩梁相對位移、關(guān)鍵地基測點的沉降值、關(guān)鍵地基測點的水平變位方向及取值。
2. 測點布設(shè)
基于上述監(jiān)測項目和方法的選取結(jié)果，進(jìn)行測點布置設(shè)計的結(jié)果見表 3，傳感器布設(shè)方案如圖 3 所示。
圖3 傳感器布設(shè)示意圖
結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險預(yù)警機(jī)制及實施效果
依據(jù)《四川省營運高速公路橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險監(jiān)測技術(shù)指南（試行版）》，橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險預(yù)警狀態(tài)分藍(lán)色、黃色、橙色和紅色四個級別，加上運營安全狀態(tài)，共代表橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險的五種狀態(tài)，詳見表 4。
基于筆者團(tuán)隊自主研發(fā)的“基于 GIS+BIM+AIOT 數(shù)據(jù)平臺的工程結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測云”，通過以狀態(tài)特征值為核心的山區(qū)公路工程結(jié)構(gòu)安全預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制、人工檢查與自動化監(jiān)測互補的安全評估方法和運營養(yǎng)護(hù)策略的實施，實現(xiàn)了該橋?qū)崟r聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、快速預(yù)警和養(yǎng)管決策支持。
通過 BIM+GIS 技術(shù)支持，實現(xiàn)該大橋結(jié)構(gòu)及其在線 監(jiān)測設(shè)備與地理空間信息和結(jié)構(gòu)空間信息的融合，結(jié)構(gòu)和設(shè)備狀態(tài)的快速查詢、定位和綜合展示，突破了傳統(tǒng)里程定位模式的效率瓶頸。并利用在線數(shù)據(jù)清洗、分析算法，有機(jī)融合在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理空間信息和結(jié)構(gòu)空間信息，構(gòu)建了關(guān)聯(lián)分析和設(shè)備故障研判底層數(shù)學(xué)模型。
圖4 以結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征值為核心數(shù)據(jù)分析策略
圖5 BIM+GIS技術(shù)支持的數(shù)字化模型輔助預(yù)警分析
目前，該橋安全監(jiān)測系統(tǒng)運行良好，根據(jù)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)分析評估后形成以下結(jié)論：橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險狀態(tài)為藍(lán)色預(yù)警，即對橋梁正常使用有輕度影響，但仍可維持日常運營。
基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工巡檢結(jié)果綜合分析，經(jīng)技術(shù)專家團(tuán)隊研判，目前該橋梁監(jiān)測周期內(nèi)技術(shù)建議如下：
1.維持橋梁正常運營。
2. 繼續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險在線監(jiān)測——保持現(xiàn)有監(jiān)測 指標(biāo)特征值及其對應(yīng)閾值體系和預(yù)警機(jī)制不變。
3. 繼續(xù)橋梁日常養(yǎng)護(hù)和經(jīng)常性檢查工作，以便發(fā)現(xiàn)異常情況及時處理。
本文刊載 /《大橋養(yǎng)護(hù)與運營》雜志
2021年 第3期 總第15期
作者 / 張二華 王萬全 李龍景
作者單位 / 四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司
