山區高速公路橋梁（liáng）沉降監測實例探究

山區高速公路（lù）橋梁沉降監測實例探究

更新時間（jiān）：2021-11-23 09:28

閱讀量：

字號：

四川（chuān）省（shěng）公路總裏程超過34萬公裏，高速公路（lù）超8000公裏。而受四川省獨特的（de）地質地形和水文氣候環境（jìng）影響，省內公路多跨越崇（chóng）山峻嶺或溝穀河流，運營環境極其惡劣。伴（bàn）隨服役時間增加，橋（qiáo）隧等結構基礎設施的健康狀況逐漸劣化。此外省內公路路網還麵（miàn）臨（lín）地質構造複雜、地（dì）震烈度高（gāo），地形起伏巨大、地質災害頻發，水（shuǐ）係（xì）發達、季節性水患頻（pín）發等（děng）特（tè）點，使公路運營安全問題日益突出。如何做到公路基礎設施安全風險隱患的早發現、早排除，直接關係到人民群眾的生命（mìng）財產安全及國有資產的損益。而單純依靠人工檢（jiǎn）查手段防範上述安全風險（xiǎn），存（cún）在對突發事故預警（jǐng）和響應不及時、對養護（hù）維修決策支持科學依據不夠（gòu）充（chōng）分的缺陷。

近年來，伴隨著新興技術的發展，工程領域開（kāi）始采用現代化傳感、數采和通信等物（wù）聯網技術手（shǒu）段（duàn），將橋隧結構響應（yīng）參數和周邊環境變（biàn）化參（cān）數等指標，轉換為可量測（cè）、可判（pàn）讀的（de）信息（xī）化數據。再利用人工（gōng）智能、大數（shù）據分（fèn）析等信息處理技術將相關數據轉（zhuǎn）化為及時準確的預警信號和科學可靠的（de）評估結論，公路（lù）基礎設施自動化和智能（néng）化（huà）監測逐漸成為（wéi）解決（jué）上述問題的有效技術途徑。

監測中的山區梁橋

本文（wén）以（yǐ）四川省某高速公路簡支梁橋為例，介紹工程結構（gòu）安全（quán）監測技術在橋梁沉降監測中的應用。該橋分為左、右幅，其橋跨布（bù）置均（jun1）為 4×25m+4×25m，橋梁全長207.0m，橋麵全寬 25.5m。該橋設計（jì）主要技術標準如（rú）下：

公路等級：高速公路；

設計速度：80km/h；

設計荷載等級：公路—Ⅰ級；

橋麵寬度：淨 -11.4+2×0.6（防撞（zhuàng）護欄）+ 淨 -11.4+2×0.6（防撞護欄），橋麵全寬 25.5m；

橋麵縱坡：單向縱坡 -2.6%；

地震動峰值加速度係數：0.05g。

該橋上部結構采用 25m 裝配式預應力混凝土簡支 T 梁，橋麵（miàn）連續設計；下部結構選取圓柱形橋墩及樁式橋台，均為鑽孔灌注樁基（jī）礎；支座類型（xíng）為普通板式（shì）橡膠。橋（qiáo）麵鋪（pù）裝（zhuāng）采用 10cm 現澆混凝（níng）土+防（fáng）水粘結層（céng） +10cm 瀝青混凝土；全橋共設 3 道（dào）伸縮縫，在 0# 、8# 橋（qiáo）台處分別設置一道 D80 型伸（shēn）縮縫，4# 橋墩上設置一道 D160 型（xíng）伸縮縫；橋台後設 8m 長搭板。現場實景照片如圖 1 所示。

圖1 山區某大橋

在施工過程中發現有基礎沉降（jiàng）和局部滑移現象（xiàng），業主（zhǔ）遂委托相關單位對該（gāi）橋進行了應急搶險檢（jiǎn）測，並根據檢測結果對該橋（qiáo） 0# 台及 1# ~4# 墩實（shí）施了增設鋼管排架輔（fǔ）助墩等維修加固處治措施。

該橋已（yǐ）於（yú） 2020 年 1 月建成通車。為確保運營安全，業（yè）主委托相關單位對該橋（qiáo）進行結構（gòu）安全監測。該公司組織（zhī）技術團隊編製橋梁結構安全監測技術方案和實（shí）施（shī）大綱，根據方案和大綱啟動應急程序采購監測設備，並於 2020 年 1 月 17 日至 23 日進場完成了監測係統的設備安（ān）裝、集成和調試工作，其結構安（ān）全監測係統於 2020 年 1 月 24 日開始上線試運（yùn）行。

依據《四川省運（yùn）營高速公路橋梁結構安（ān）全監測技術（shù）指南》（試行版）並結合本項目的實際情況，該橋結構安全監測係統按照“C 類——應急監測係統”進行建設和試（shì）運（yùn）行；試運行（háng）結束後，可（kě）視情況（kuàng）轉為“B 類——特定目標監測係統”進行運維。

結構安（ān）全風險辨識分析

通過對大橋設計資料、路（lù）基（jī）路（lù）麵鋪裝複測結果、現場病害圖像等相（xiàng）關資料的初步分（fèn）析，認為上述病害主要由橋梁基礎不均勻沉降引發（fā）。由於後續發展趨勢和影響不明，因此，有必要進行長期性監測，繼續跟蹤不均（jun1）勻沉降的後（hòu）續發展情況及其（qí）對結構的影響程度。為（wéi）有效地監測結構的安全隱患，首先需要辨識（shí）橋梁結構的安全風險（xiǎn），為係統（tǒng）設計（jì）時選取監測項目和布設測（cè）點打下基礎。

大橋的結構安全（quán）風險辨（biàn）識分析方法采（cǎi）用（yòng）事故（gù）樹分（fèn）析法。事故樹分析法不僅（jǐn）能分析出事故（gù）的直接（jiē）原（yuán）因，而且能深入地（dì）揭示出事故的潛在原因，用它（tā）描述事故的因果關係直觀明了（le）、思路清晰（xī）、邏輯性強。開展橋梁結構（gòu）安全風險辨識分析（xī），是遵循“以頂上事件為幹，以中間事件為枝、以底事（shì）件為葉”的基本原則，采取從結果到原（yuán）因（yīn）的逐層逆向溯源分析的方法。既（jì）可定性評價每一風險事件的結構重要度排序，也可定量測（cè）算每（měi）一層次風險事件的發生概率和損失程度。事（shì）故樹（shù）分析結果（guǒ）為科學選取（qǔ）監測指標、合理優（yōu）化測點布設方案的基礎。

針對（duì）該大橋病害特征及周圍地質調查情況，確定“橋梁結構坍塌”總體風險為頂上事件，進一步梳（shū）理風險事件和風（fēng）險源之間的邏輯關係後，繪（huì）出事（shì）故樹形結構（見圖 2），事故樹中的符號及其對應的事（shì）件（jiàn）定義如表 1 所示。

圖2 大橋事故樹結構

監測指標選取與（yǔ）傳感器布設

根據上述結構安全風險辨識及分析結果，可初步進（jìn）行該橋監測指標體係（xì）設計。包括以（yǐ）下兩部分：

1. 監測指標及（jí）方法選取

基於前述橋梁安全風險辨識分析的成果，並遵循“災害－風險分析”“目標－功能分析”“功能－成本分（fèn）析” 三個原則，宜優先關注與頂上（shàng）事件直接關聯且發生概率較高的風險事件。對應於每一項被關注的風險（xiǎn）事（shì）件及其下遊事件（或（huò）風險（xiǎn）源），嚐（cháng）試（shì）找出一個或多個表征其發（fā）生或發（fā）展狀（zhuàng）態（tài）的特征值作為監測指標。對應（yīng）於（yú）每個監測（cè）項目（mù），可根據其量程、精度、分辨率、采（cǎi）樣頻率、布設位置和方式等（děng）要求，初步確定監（jiān）測的技（jì）術方法或手（shǒu）段（duàn）。針對該大橋，表 2 從左至右列出了（le）上述監測指標和方法（fǎ）的（de）選取過程。

通過以上分析，確（què）定主要的監測項為：墩（台）豎直度（dù）、墩梁相對位移（yí）、關鍵地基測點的沉（chén）降值、關鍵地基測點的水平變（biàn）位方向（xiàng）及取值。

2. 測點布設

基於上述監測項目和方法的選取結果（guǒ），進行（háng）測點布置設（shè）計的結果見表 3，傳感器布設方案如圖 3 所示。

圖3 傳感器布設示意（yì）圖

結構安（ān）全風險預警機製及實施效果

依據《四川省營運高速公路（lù）橋梁結構安全風險（xiǎn）監測技術（shù）指南（試行版）》，橋梁結構安全風險預警狀態分藍色、黃色（sè）、橙色和（hé）紅色四個級別，加上（shàng）運營安全狀態，共代表（biǎo）橋梁結構安全風險的五種狀態，詳見表（biǎo） 4。

基於筆者團隊自主研發的“基於 GIS+BIM+AIOT 數據平（píng）台的（de）工程結構安全智能監（jiān）測雲”，通過以狀態特征值為核心的山區公路工程結構安全（quán）預警機製和應（yīng）急響應機製、人（rén）工檢查與自動化監測互補的安全評估方法和運營養護策略（luè）的（de）實施，實現了該橋實（shí）時聯網監測、快速預警和養管決策支持。

通過 BIM+GIS 技術支持，實現該大橋結構及其在線監測設備與地理空間信息和結構空間信息的融合，結構（gòu）和設備狀態的快速查詢、定位和綜合展示（shì），突破了傳統裏程定位模式（shì）的效率瓶頸。並利用在線數據清洗、分析算法，有機融合在線監測數據、地理空間信息和結構空（kōng）間（jiān）信息，構建了關聯分（fèn）析和設備（bèi）故障研判底（dǐ）層數學模型。