四川省公路总里程超过34万公里，高速公路超8000公里。而受四川省独特的地质地形和水文气候环境影响，省内公路多跨越崇山峻岭或沟谷河流，运营环境极其恶劣。伴随服役时间增加，桥隧等结构基础设施的健康状况逐渐劣化。此外省内 公路路网还面临地质构造复杂、地震烈度高，地形起伏巨大、地质灾害频发，水系发达、季节性水患频发等特点，使公路运营安全问题日益突出。如何做到公路基础设施安全风险隐患的早发现、早排除，直接关系到人民群众的生命财产安全及国有资产的损益。而单纯依靠人工检查手段防范上述安全风险，存在对突发事故预警和响应不及时、对养护维修决策支持科学依据不够充分的缺陷。
近年来，伴随着新兴技术的发展，工程领域开始采用 现代化传感、数采和通信等物联网技术手段，将桥隧结构响应参数和周边环境变化参数等指标，转换为可量测、可判读的信息化数据。再利用人工智能、大数据分析等信息处理技术将相关数据转化为及时准确的预警信号和科学可靠的评估结论，公路基础设施自动化和智能化监测逐渐成为解决上述问题的有效技术途径。
监测中的山区梁桥
本文以四川省某高速公路简支梁桥为例，介绍工程结构安全监测技术在桥梁沉降监测中的应用。该桥分为左、右幅，其桥跨布置均为 4×25m+4×25m，桥梁全长207.0m，桥面全宽 25.5m。该桥设计主要技术标准如下：
公路等级：高速公路；
设计速度：80km/h；
设计荷载等级：公路—Ⅰ级；
桥 面 宽 度：净 -11.4+2×0.6（ 防 撞 护 栏 ）+ 净 -11.4+2×0.6（防撞护栏），桥面全宽 25.5m；
桥面纵坡：单向纵坡 -2.6%；
地震动峰值加速度系数：0.05g。
该桥上部结构采用 25m 装配式预应力混凝土简支 T 梁，桥面连续设计；下部结构选取圆柱形桥墩及桩式桥台，均为钻孔灌注桩基础；支座类型为普通板式橡胶。桥面铺装采用 10cm 现浇混凝土+防水粘结层 +10cm 沥青混凝土；全桥共设 3 道伸缩缝，在 0# 、8# 桥台处分别设置一道 D80 型伸缩缝，4# 桥墩上设置一道 D160 型伸缩缝；桥台后设 8m 长搭板。现场实景照片如图 1 所示。
图1 山区某大桥
在施工过程中发现有基础沉降和局部滑移现象，业主遂委托相关单位对该桥进行了应急抢险检测，并根据检测结果对该桥 0# 台及 1# ~4# 墩实施了增设钢管排架辅助墩等维修加固处治措施。
该桥已于 2020 年 1 月建成通车。为确保运营安全，业主委托相关单位对该桥进行结构安全监测。该公司组织技术团队编制桥梁结构安全监测技术方案和实施大纲，根据方案和大纲启动应急程序采购监测设备，并于 2020 年 1 月 17 日至 23 日进场完成了监测系统的设备安装、集成和调试工作，其结构安全监测系统于 2020 年 1 月 24 日 开始上线试运行。
依据《四川省运营高速公路桥梁结构安全监测技术指 南》（试行版）并结合本项目的实际情况，该桥结构安全监测系统按照“C 类——应急监测系统”进行建设和试运行；试运行结束后，可视情况转为“B 类——特定目标监测系统”进行运维。
结构安全风险辨识分析
通过对大桥设计资料、路基路面铺装复测结果、现场病害图像等相关资料的初步分析，认为上述病害主要由桥梁基础不均匀沉降引发。由于后续发展趋势和影响不明，因此，有必要进行长期性监测，继续跟踪不均匀沉降的后续发展情况及其对结构的影响程度。为有效地监测结构的安全隐患，首先需要辨识桥梁结构的安全风险，为系统设计时选取监测项目和布设测点打下基础。
大桥的结构安全风险辨识分析方法采用事故树分析法。事故树分析法不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潜在原因，用它描述事故的因果关系直观明了、思路清晰、逻辑性强。开展桥梁结构安全风险辨识分析，是遵循“以顶上事件为干，以中间事件为枝、以底事件为叶”的基本原则，采取从结果到原因的逐层逆向溯源分析的方法。既可定性评价每一风险事件的结构重要度排序，也可定量测算每一层次风险事件的发生概率和 损失程度。事故树分析结果为科学选取监测指标、合理优化测点布设方案的基础。
针对该大桥病害特征及周围地质调查情况，确定“桥梁结构坍塌”总体风险为顶上事件，进一步梳理风险事件和风险源之间的逻辑关系后，绘出事故树形结构（见图 2）， 事故树中的符号及其对应的事件定义如表 1 所示。
图2 大桥事故树结构
监测指标选取与传感器布设
根据上述结构安全风险辨识及分析结果，可初步进行该桥监测指标体系设计。包括以下两部分：
1. 监测指标及方法选取
基于前述桥梁安全风险辨识分析的成果，并遵循“灾 害－风险分析”“目标－功能分析”“功能－成本分析” 三个原则，宜优先关注与顶上事件直接关联且发生概率较高的风险事件。对应于每一项被关注的风险事件及其下游事件（或风险源），尝试找出一个或多个表征其发生或发展状态的特征值作为监测指标。对应于每个监测项目，可根据其量程、精度、分辨率、采样频率、布设位置和方式等要求，初步确定监测的技术方法或手段。针对该大桥，表 2 从左至右列出了上述监测指标和方法的选取过程。
通过以上分析，确定主要的监测项为：墩（台）竖直 度、墩梁相对位移、关键地基测点的沉降值、关键地基测点的水平变位方向及取值。
2. 测点布设
基于上述监测项目和方法的选取结果，进行测点布置设计的结果见表 3，传感器布设方案如图 3 所示。
图3 传感器布设示意图
结构安全风险预警机制及实施效果
依据《四川省营运高速公路桥梁结构安全风险监测技术指南（试行版）》，桥梁结构安全风险预警状态分蓝色、黄色、橙色和红色四个级别，加上运营安全状态，共代表桥梁结构安全风险的五种状态，详见表 4。
基于笔者团队自主研发的“基于 GIS+BIM+AIOT 数据平台的工程结构安全智能监测云”，通过以状态特征值为核心的山区公路工程结构安全预警机制和应急响应机制、人工检查与自动化监测互补的安全评估方法和运营养护策略的实施，实现了该桥实时联网监测、快速预警和养管决策支持。
通过 BIM+GIS 技术支持，实现该大桥结构及其在线 监测设备与地理空间信息和结构空间信息的融合，结构和设备状态的快速查询、定位和综合展示，突破了传统里程定位模式的效率瓶颈。并利用在线数据清洗、分析算法，有机融合在线监测数据、地理空间信息和结构空间信息，构建了关联分析和设备故障研判底层数学模型。
图4 以结构状态特征值为核心数据分析策略
图5 BIM+GIS技术支持的数字化模型辅助预警分析
目前，该桥安全监测系统运行良好，根据结构安全监测系统长期监测数据，经分析评估后形成以下结论：桥梁结构安全风险状态为蓝色预警，即对桥梁正常使用有轻度影响，但仍可维持日常运营。
基于实时监测数据与人工巡检结果综合分析，经技术专家团队研判，目前该桥梁监测周期内技术建议如下：
1.维持桥梁正常运营。
2. 继续桥梁结构安全风险在线监测——保持现有监测 指标特征值及其对应阈值体系和预警机制不变。
3. 继续桥梁日常养护和经常性检查工作，以便发现异常情况及时处理。
本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志
2021年 第3期 总第15期
作者 / 张二华 王万全 李龙景
作者单位 / 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司
编辑 / 陈晖
美编 / 孟思源
责编 / 周洋
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
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