安全監(jiān)測系統(tǒng)在貴州河里2號大橋應(yīng)急搶險工程中的應(yīng)用

黨李濤，王曉光，尹 恒

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速的發(fā)展，中國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)也迎來了發(fā)展熱潮。根據(jù)相關(guān)部門對產(chǎn)業(yè)生命周期的分析，公路建設(shè)產(chǎn)業(yè)仍處于成長上升期，國家對公路投資的力度還在不斷加大。但是，公路建設(shè)對國民經(jīng)濟(jì)起到推動作用的同時，也帶來了一些工程問題，例如公路建設(shè)中的高填深挖，形成了大量高路堤高邊坡，增加路堤與邊坡的不穩(wěn)定性，使得路堤與邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)[1]；公路建設(shè)中，會不可避免的產(chǎn)生表土和植被流失，引起坡面山體滑移、河流阻塞和水污染等災(zāi)害[2]；若橋梁處于滑坡體上時，一旦發(fā)生邊坡滑移，將對橋梁產(chǎn)生不可逆的影響，造成非常嚴(yán)重的后果[3]。

當(dāng)災(zāi)害發(fā)生后，若沒有及時決策和充分結(jié)合利用現(xiàn)代先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)而僅僅依賴傳統(tǒng)的技術(shù)手段進(jìn)行應(yīng)急搶險，很容易錯過應(yīng)急搶險的最佳時期而導(dǎo)致二次災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重影響交通運營。因此，在公路橋梁及邊坡災(zāi)變發(fā)生后，如何快速進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)和決策，并進(jìn)行信息化的應(yīng)急搶險對于保證高速公路運營安全和減少損失具有重大的意義和應(yīng)用價值[4-5]。

1 工程概況

河里2號大橋為G56杭瑞高速上的橋梁，全長為256 m，其下行、上行的上部結(jié)構(gòu)為6 m×40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)形式為雙柱式橋墩、樁基礎(chǔ)。下行、上行0號橋臺、下行6號橋臺采用U型橋臺，上行6號橋臺采用坐板式橋臺，橋臺基礎(chǔ)均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面鋪裝為瀝青混凝土鋪裝層。根據(jù)現(xiàn)場踏勘判定，由于橋臺使用擴(kuò)大基礎(chǔ)且基礎(chǔ)埋深不夠，所在位置山體滑移引起了橋臺向路線前進(jìn)方向左側(cè)滑移?；凭嚯x約為6.5 cm(主梁與橋臺相對位移為2.5 cm+支座橫向串動距離為1 cm+支座橫向剪切距離為3 cm)，同時第2聯(lián)橋梁梁體整體繞4號墩(固結(jié)墩)轉(zhuǎn)動，第1聯(lián)與第2聯(lián)相對錯動約為2 cm。

2 滑坡對橋梁產(chǎn)生的危害及原因分析

滑坡地處杭瑞高速K1426+623河里2號大橋6號橋臺處，如果該邊坡失穩(wěn)，將直接影響6號橋臺的安全，并帶動4號及5號橋墩發(fā)生變形，嚴(yán)重影響杭瑞高速的安全運營。因此，本滑坡防治工程的分級定為一級。河里2號大橋上、下行6號橋臺構(gòu)造如圖1所示。

圖1 河里2號大橋上、下行6號橋臺構(gòu)造示意圖

分析滑坡的主要原因為：高速公路邊坡開挖后，位于橋臺右側(cè)的截排水溝不完善，大氣降水在路面及橋面形成地表匯流，排入高速公路右側(cè)的排水溝后，經(jīng)橋下自然坡體排泄，直接沖刷橋下巖土體；高速公路右側(cè)的坡面匯水經(jīng)截水溝排入到公路右側(cè)的陡坡坡腳，未能匯入排水溝，從而使大部分匯水滲入到巖土體?；麦w后緣處位于陡坎下，受降雨的影響雨水不斷下滲，是導(dǎo)致坡體滑塌變形的自然因素。隨著雨水的下滲，巖土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，在重力及高速公路外部動荷載的作用下，滑坡巖土體沿軟弱泥巖層發(fā)生滑移?？芍摶轮饕且蛴晁聺B軟化土體后，在外力作用下引發(fā)的推移式的滑移破壞模式[6]。

3 安全監(jiān)測在應(yīng)急搶險中的作用

近幾十年來，世界范圍內(nèi)由于設(shè)計、建設(shè)、監(jiān)管、養(yǎng)護(hù)技術(shù)手段不足或由于多種因素的耦合作用等原因?qū)е掳l(fā)生的橋梁災(zāi)難性事故頻發(fā)，這些投入運營的橋梁是在沒有任何被探知征兆的前提下垮塌的，這些災(zāi)難性事故造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。目前中國國內(nèi)橋梁監(jiān)控養(yǎng)護(hù)基本還處于“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”，出了問題甚至是大問題才被動檢測維修加固的局面，因此亟需改變[7-8]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及各國對工程防災(zāi)減災(zāi)的日益重視，20世紀(jì)80～90年代， 歐、美及亞洲的日本、韓國、中國香港特區(qū)明確提出了“主動預(yù)防式”的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理念，并先后在一些重要的橋梁安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，開始研究橋梁結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測養(yǎng)護(hù)技術(shù)，此后該技術(shù)迅速成為國內(nèi)外的研究熱點。2003年橋梁健康監(jiān)測理念和技術(shù)進(jìn)入中國內(nèi)地，至今已有10多年的系統(tǒng)研究和實施經(jīng)驗。

鑒于多年對安全監(jiān)測的研究及地震應(yīng)急搶險經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)高速公路橋梁及邊坡災(zāi)變應(yīng)急搶險技術(shù)及應(yīng)用就是充分結(jié)合勘察技術(shù)、安全監(jiān)測技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通訊技術(shù)來解決傳統(tǒng)的應(yīng)急搶險問題，實現(xiàn)公路邊坡災(zāi)變的信息化應(yīng)急搶險[9-10]。具體來說就是通過勘察、監(jiān)測獲取災(zāi)變體結(jié)構(gòu)特點及所在地形資料、氣象水文資料、地質(zhì)資料、災(zāi)害體的邊界條件、變形現(xiàn)狀及趨勢信息、危險源等信息，同時利用物聯(lián)網(wǎng)和通訊系統(tǒng)執(zhí)行實時的信息采集、傳輸、整合與分析；建立具有實時警示通報功能的管理平臺并根據(jù)平臺提供的信息能在必要時刻快速判斷和預(yù)警，有效地掌握搶險的黃金時段。

4 監(jiān)測方案設(shè)計及結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測方案設(shè)計

為避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，實時掌控河里2號大橋的安全使用狀態(tài)，在加固施工期間采用自動化和人工監(jiān)測相結(jié)合的方式共同把握橋梁的結(jié)構(gòu)安全。

自動化監(jiān)測的目的是構(gòu)建一個技術(shù)先進(jìn)、措施合理、針對性和可操作性強、符合河里2號大橋需求的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)針對橋梁具體病害，在橋臺位置布設(shè)7個位移計，分別監(jiān)測梁體和橋臺的縱、橫向相對位移，該系統(tǒng)的布置如圖2所示；在滑移面位置布設(shè)2個拉繩式位移計來監(jiān)測巖層的變形情況，采集頻率為0.5 次·min-1，利用現(xiàn)代傳感測試、信號分析、遠(yuǎn)程智能控制、計算機(jī)技術(shù)、損傷識別和結(jié)構(gòu)安全評定等新設(shè)備和新技術(shù)對橋梁進(jìn)行實時監(jiān)測。掌控橋梁的運營狀態(tài)和結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)自身及行車所面臨的危險狀況，在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)危險萌芽時即發(fā)出預(yù)警，避免重特大事故的發(fā)生。

圖2 橋臺位置位移計布置示意圖

人工監(jiān)測主要是進(jìn)行邊坡滑移監(jiān)測，即在4個地勘孔布設(shè)測斜管，采用高精度測斜儀進(jìn)行深層水平位移監(jiān)測。4個測斜孔的平面布置如圖3所示。

圖3 河里2號大橋鉆孔平面布置示意圖

4.2 預(yù)警值設(shè)定

根據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JT/T 1037—2016)、《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)和《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3334—2018)的相關(guān)規(guī)定，本橋相關(guān)預(yù)警規(guī)定如下。

(1)橋臺豎直度。當(dāng)橋臺背墻位置的2個傳感器數(shù)據(jù)變化量超過《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)中關(guān)于墩、臺豎直度允許偏差的80%時，進(jìn)行黃色預(yù)警，1個月內(nèi)發(fā)現(xiàn)10次以上黃色預(yù)警時，進(jìn)行紅色預(yù)警。

(2)邊坡位移。邊坡位移變形分2部分進(jìn)行預(yù)警，分別包括自動化監(jiān)測預(yù)警和人工監(jiān)測預(yù)警。自動化監(jiān)測預(yù)警為：當(dāng)邊坡滑移量連續(xù)3 d超過《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3334—2018)規(guī)定的80%，即超過8 mm·d-1時進(jìn)行黃色預(yù)警，超過10 mm·d-1時進(jìn)行紅色預(yù)警。人工監(jiān)測預(yù)警為：當(dāng)深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)3 d變化量超過《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3334—2018)規(guī)定的80%，即超過4 mm·d-1時進(jìn)行黃色預(yù)警，超過5 mm·d-1時進(jìn)行紅色預(yù)警。

4.3 監(jiān)測結(jié)果分析

加固施工期自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集時間為2019年5月23日至2019年7月21日。通過自動化設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，由自主研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)一接收各點的監(jiān)測結(jié)果，再結(jié)合設(shè)定的預(yù)警指標(biāo)對結(jié)構(gòu)是否安全做出評估。

4.3.1 橋梁變形自動化監(jiān)測

從圖4可知，自監(jiān)測以來左幅橋梁體橫向位移LD01測點監(jiān)測值在66.51～71.76 mm之間波動。截止本文成稿前，監(jiān)測值較設(shè)備安裝初期最大位移變化值為5.25 mm。本期左幅橋梁體橫向位移LD01測點未見異常。

圖4 LD01測點位移時程曲線

圖5 LD02測點位移時程曲線

從圖5可知，自監(jiān)測以來左幅橋梁體縱向位移LD02測點監(jiān)測值在62.99～66.8 mm之間波動。截止本文成稿前，監(jiān)測值較設(shè)備安裝初期最大位移變化值為3.81 mm。本期左幅橋梁體縱向位移LD02測點未見異常。

從圖6可知，自監(jiān)測以來右幅橋梁體橫向位移RD01測點監(jiān)測值在72.22～73.78 mm之間波動。截止本文成稿前，監(jiān)測值較設(shè)備安裝初期最大位移變化值為1.56 mm。本期右幅橋梁體橫向位移RD01測點未見異常。

圖6 RD01測點位移時程曲線

從圖7可知，自監(jiān)測以來右幅橋梁體縱向位移RD02測點監(jiān)測值在81.27～82.94 mm之間波動。截止本文成稿前，監(jiān)測值較設(shè)備安裝初期最大位移變化值為1.67 mm。本期右幅橋梁體縱向位移RD02測點未見異常。

從圖8可知，自監(jiān)測以來橋臺背墻橫向縫寬TD01測點監(jiān)測值在82.29～84.61 mm之間波動。截止本文成稿前，監(jiān)測值較設(shè)備安裝初期最大位移變化值為2.32 mm。本期橋臺背墻橫向縫寬TD01測點未見異常。

圖8 TD01測點位移時程曲線

從圖9可知，自監(jiān)測以來橋臺背墻縱向錯動TD02測點監(jiān)測值在91.7～94.58 mm之間波動。截止本文成稿前，監(jiān)測值較設(shè)備安裝初期最大位移變化值為2.88 mm。本期橋臺背墻縱向錯動TD02測點未見異常。

圖9 TD02測點位移時程曲線

從圖10可知，自監(jiān)測以來橋臺縫寬TD03測點監(jiān)測值在81.97～83.72 mm之間波動。截止本文成稿前，監(jiān)測值較設(shè)備安裝初期最大位移變化值為1.75 mm。本期橋臺縫寬TD03測點未見異常。

圖10 TD03測點位移時程曲線

根據(jù)橋臺位置7個位移傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，變化較為明顯的是LD01(左幅橋梁體橫向位移)，監(jiān)測值較設(shè)備安裝初期的最大位移變化值為5.25 mm。說明左幅梁體與左幅橋臺的內(nèi)側(cè)擋塊之間的橫向相對位移有所減小，其主要原因是由于山體滑移而造成6號橋臺向左側(cè)移動，致使梁體與橋臺之間的橫向位移減小。橋臺背墻位置的2個位移計較安裝初期位移最大變化量為2.88 mm，未達(dá)到預(yù)警限制，其余傳感器數(shù)據(jù)均無明顯變化，橋梁運營狀態(tài)未見異常。

4.3.2 邊坡滑移自動化監(jiān)測

通過對邊坡位置的自動化監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，滑坡體上巖層在持續(xù)向山體外側(cè)滑移，且邊坡滑移位置斷層處低點所設(shè)傳感器的數(shù)據(jù)變化較為明顯，其位移-時間曲線如圖11所示。從圖中可以看出，位移變化量隨著時間的增加逐漸減小，且趨于收斂。日最大位移變化速率不超過0.6 mm·d-1，遠(yuǎn)小于滑坡變形預(yù)報警戒值，對結(jié)構(gòu)暫無影響，由此說明邊坡處于穩(wěn)定的蠕變階段。

圖11 斷層處低點(DD01)位移-時間曲線

4.3.3 人工監(jiān)測

2019年5月23日至2019年7月14日，技術(shù)人員采用LA338-2型滑動式測斜儀對4個測斜孔進(jìn)行了連續(xù)測量，該儀器以敏感元件為測斜裝置，與拉338型智能數(shù)顯測斜儀表組成測斜系統(tǒng)。其內(nèi)部是以伺服(即力平衡式)為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)，與普通測斜設(shè)備相比，具有精度高、穩(wěn)定性好和分辨率高等顯著優(yōu)勢。各孔深度-位移曲線變化圖如圖12～15所示。

圖12 1號測斜管深度-位移曲線變化圖

圖13 2號測斜管深度-位移曲線變化圖

圖14 3號測斜管深度-位移曲線變化圖

通過對測斜孔近2個月的測量后發(fā)現(xiàn)，4個孔在前2周的位移變化較為明顯，最大位移變化幅度達(dá)到7 mm左右，其主要原因是測斜管安裝完成距開始讀數(shù)的時間間隔較短，測斜管未完全穩(wěn)定所致。后期數(shù)據(jù)則逐漸趨于穩(wěn)定，并且4個孔在不同時期不同深度的位移變化趨勢一致，均趨于收斂。同時從每日監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，4個孔的日位移變化量均小于4 mm·d-1，尚未達(dá)到滑坡變形預(yù)報警戒值。

5 結(jié) 語

安全監(jiān)測在河里2號大橋應(yīng)急搶險工程中的成功應(yīng)用表明，在搶險救援過程中，為了保證搶險人員的人身安全以及搶險工作的順利進(jìn)行，需要在關(guān)鍵位置布設(shè)必要的監(jiān)測網(wǎng)點，并且設(shè)置預(yù)警閾值。

圖15 4號測斜管深度-位移曲線變化圖

由于在各種荷載與多種自然因素的影響，邊坡性能隨時都在變化，有些是正常變化，但有些則可能是異常的。這種安全隱患使人民生命和財產(chǎn)安全受到威脅，安全監(jiān)測則能起到監(jiān)視其安全性態(tài)、保障安全運行的作用，對災(zāi)害處治的快速、科學(xué)、有序應(yīng)急響應(yīng)和決策提供有力支撐，對于保證高速公路運營安全和減少損失具有重大的研究意義和應(yīng)用價值。