安全监测系统在贵州河里2号大桥应急抢险工程中的应用

党李涛，王晓光，尹 恒

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引 言

随着中国经济持续高速的发展，中国的基础设施建设事业也迎来了发展热潮。根据相关部门对产业生命周期的分析，公路建设产业仍处于成长上升期，国家对公路投资的力度还在不断加大。但是，公路建设对国民经济起到推动作用的同时，也带来了一些工程问题，例如公路建设中的高填深挖，形成了大量高路堤高边坡，增加路堤与边坡的不稳定性，使得路堤与边坡失稳现象频发[1]；公路建设中，会不可避免的产生表土和植被流失，引起坡面山体滑移、河流阻塞和水污染等灾害[2]；若桥梁处于滑坡体上时，一旦发生边坡滑移，将对桥梁产生不可逆的影响，造成非常严重的后果[3]。

当灾害发生后，若没有及时决策和充分结合利用现代先进的监测技术、信息技术、通信技术而仅仅依赖传统的技术手段进行应急抢险，很容易错过应急抢险的最佳时期而导致二次灾害的发生，严重影响交通运营。因此，在公路桥梁及边坡灾变发生后，如何快速进行应急响应和决策，并进行信息化的应急抢险对于保证高速公路运营安全和减少损失具有重大的意义和应用价值[4-5]。

1 工程概况

河里2号大桥为G56杭瑞高速上的桥梁，全长为256 m，其下行、上行的上部结构为6 m×40 m预应力钢筋混凝土连续T梁，下部结构形式为双柱式桥墩、桩基础。下行、上行0号桥台、下行6号桥台采用U型桥台，上行6号桥台采用坐板式桥台，桥台基础均采用扩大基础。桥面铺装为沥青混凝土铺装层。根据现场踏勘判定，由于桥台使用扩大基础且基础埋深不够，所在位置山体滑移引起了桥台向路线前进方向左侧滑移。滑移距离约为6.5 cm(主梁与桥台相对位移为2.5 cm+支座横向串动距离为1 cm+支座横向剪切距离为3 cm)，同时第2联桥梁梁体整体绕4号墩(固结墩)转动，第1联与第2联相对错动约为2 cm。

2 滑坡对桥梁产生的危害及原因分析

滑坡地处杭瑞高速K1426+623河里2号大桥6号桥台处，如果该边坡失稳，将直接影响6号桥台的安全，并带动4号及5号桥墩发生变形，严重影响杭瑞高速的安全运营。因此，本滑坡防治工程的分级定为一级。河里2号大桥上、下行6号桥台构造如图1所示。

图1 河里2号大桥上、下行6号桥台构造示意图

分析滑坡的主要原因为：高速公路边坡开挖后，位于桥台右侧的截排水沟不完善，大气降水在路面及桥面形成地表汇流，排入高速公路右侧的排水沟后，经桥下自然坡体排泄，直接冲刷桥下岩土体；高速公路右侧的坡面汇水经截水沟排入到公路右侧的陡坡坡脚，未能汇入排水沟，从而使大部分汇水渗入到岩土体。滑坡体后缘处位于陡坎下，受降雨的影响雨水不断下渗，是导致坡体滑塌变形的自然因素。随着雨水的下渗，岩土体的力学性质发生变化，在重力及高速公路外部动荷载的作用下，滑坡岩土体沿软弱泥岩层发生滑移。可知该滑坡主要是因雨水下渗软化土体后，在外力作用下引发的推移式的滑移破坏模式[6]。

3 安全监测在应急抢险中的作用

近几十年来，世界范围内由于设计、建设、监管、养护技术手段不足或由于多种因素的耦合作用等原因导致发生的桥梁灾难性事故频发，这些投入运营的桥梁是在没有任何被探知征兆的前提下垮塌的，这些灾难性事故造成了巨大的人员伤亡和财产损失。目前中国国内桥梁监控养护基本还处于“头痛医头、脚痛医脚”，出了问题甚至是大问题才被动检测维修加固的局面，因此亟需改变[7-8]。

随着经济的发展及各国对工程防灾减灾的日益重视，20世纪80～90年代， 欧、美及亚洲的日本、韩国、中国香港特区明确提出了“主动预防式”的结构健康监测理念，并先后在一些重要的桥梁安装了健康监测系统，开始研究桥梁结构健康安全监测养护技术，此后该技术迅速成为国内外的研究热点。2003年桥梁健康监测理念和技术进入中国内地，至今已有10多年的系统研究和实施经验。

鉴于多年对安全监测的研究及地震应急抢险经验，发现高速公路桥梁及边坡灾变应急抢险技术及应用就是充分结合勘察技术、安全监测技术、物联网技术、通讯技术来解决传统的应急抢险问题，实现公路边坡灾变的信息化应急抢险[9-10]。具体来说就是通过勘察、监测获取灾变体结构特点及所在地形资料、气象水文资料、地质资料、灾害体的边界条件、变形现状及趋势信息、危险源等信息，同时利用物联网和通讯系统执行实时的信息采集、传输、整合与分析；建立具有实时警示通报功能的管理平台并根据平台提供的信息能在必要时刻快速判断和预警，有效地掌握抢险的黄金时段。

4 监测方案设计及结果分析

4.1 监测方案设计

为避免灾难性事故的发生，实时掌控河里2号大桥的安全使用状态，在加固施工期间采用自动化和人工监测相结合的方式共同把握桥梁的结构安全。

自动化监测的目的是构建一个技术先进、措施合理、针对性和可操作性强、符合河里2号大桥需求的桥梁监测系统。该监测系统针对桥梁具体病害，在桥台位置布设7个位移计，分别监测梁体和桥台的纵、横向相对位移，该系统的布置如图2所示；在滑移面位置布设2个拉绳式位移计来监测岩层的变形情况，采集频率为0.5 次·min-1，利用现代传感测试、信号分析、远程智能控制、计算机技术、损伤识别和结构安全评定等新设备和新技术对桥梁进行实时监测。掌控桥梁的运营状态和结构参数变化，及时发现桥梁结构自身及行车所面临的危险状况，在桥梁结构出现危险萌芽时即发出预警，避免重特大事故的发生。

图2 桥台位置位移计布置示意图

人工监测主要是进行边坡滑移监测，即在4个地勘孔布设测斜管，采用高精度测斜仪进行深层水平位移监测。4个测斜孔的平面布置如图3所示。

图3 河里2号大桥钻孔平面布置示意图

4.2 预警值设定

根据《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》(JT/T 1037—2016)、《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1—2017)和《公路滑坡防治设计规范》(JTG/T 3334—2018)的相关规定，本桥相关预警规定如下。

(1)桥台竖直度。当桥台背墙位置的2个传感器数据变化量超过《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1—2017)中关于墩、台竖直度允许偏差的80%时，进行黄色预警，1个月内发现10次以上黄色预警时，进行红色预警。

(2)边坡位移。边坡位移变形分2部分进行预警，分别包括自动化监测预警和人工监测预警。自动化监测预警为：当边坡滑移量连续3 d超过《公路滑坡防治设计规范》(JTG/T 3334—2018)规定的80%，即超过8 mm·d-1时进行黄色预警，超过10 mm·d-1时进行红色预警。人工监测预警为：当深部位移监测数据连续3 d变化量超过《公路滑坡防治设计规范》(JTG/T 3334—2018)规定的80%，即超过4 mm·d-1时进行黄色预警，超过5 mm·d-1时进行红色预警。

4.3 监测结果分析

加固施工期自动化监测数据的采集时间为2019年5月23日至2019年7月21日。通过自动化设备采集的数据，由自主研发的监测系统统一接收各点的监测结果，再结合设定的预警指标对结构是否安全做出评估。

4.3.1 桥梁变形自动化监测

从图4可知，自监测以来左幅桥梁体横向位移LD01测点监测值在66.51～71.76 mm之间波动。截止本文成稿前，监测值较设备安装初期最大位移变化值为5.25 mm。本期左幅桥梁体横向位移LD01测点未见异常。

图4 LD01测点位移时程曲线

图5 LD02测点位移时程曲线

从图5可知，自监测以来左幅桥梁体纵向位移LD02测点监测值在62.99～66.8 mm之间波动。截止本文成稿前，监测值较设备安装初期最大位移变化值为3.81 mm。本期左幅桥梁体纵向位移LD02测点未见异常。

从图6可知，自监测以来右幅桥梁体横向位移RD01测点监测值在72.22～73.78 mm之间波动。截止本文成稿前，监测值较设备安装初期最大位移变化值为1.56 mm。本期右幅桥梁体横向位移RD01测点未见异常。

图6 RD01测点位移时程曲线

从图7可知，自监测以来右幅桥梁体纵向位移RD02测点监测值在81.27～82.94 mm之间波动。截止本文成稿前，监测值较设备安装初期最大位移变化值为1.67 mm。本期右幅桥梁体纵向位移RD02测点未见异常。

从图8可知，自监测以来桥台背墙横向缝宽TD01测点监测值在82.29～84.61 mm之间波动。截止本文成稿前，监测值较设备安装初期最大位移变化值为2.32 mm。本期桥台背墙横向缝宽TD01测点未见异常。

图8 TD01测点位移时程曲线

从图9可知，自监测以来桥台背墙纵向错动TD02测点监测值在91.7～94.58 mm之间波动。截止本文成稿前，监测值较设备安装初期最大位移变化值为2.88 mm。本期桥台背墙纵向错动TD02测点未见异常。

图9 TD02测点位移时程曲线

从图10可知，自监测以来桥台缝宽TD03测点监测值在81.97～83.72 mm之间波动。截止本文成稿前，监测值较设备安装初期最大位移变化值为1.75 mm。本期桥台缝宽TD03测点未见异常。

图10 TD03测点位移时程曲线

根据桥台位置7个位移传感器的监测数据可以发现，变化较为明显的是LD01(左幅桥梁体横向位移)，监测值较设备安装初期的最大位移变化值为5.25 mm。说明左幅梁体与左幅桥台的内侧挡块之间的横向相对位移有所减小，其主要原因是由于山体滑移而造成6号桥台向左侧移动，致使梁体与桥台之间的横向位移减小。桥台背墙位置的2个位移计较安装初期位移最大变化量为2.88 mm，未达到预警限制，其余传感器数据均无明显变化，桥梁运营状态未见异常。

4.3.2 边坡滑移自动化监测

通过对边坡位置的自动化监测发现，滑坡体上岩层在持续向山体外侧滑移，且边坡滑移位置断层处低点所设传感器的数据变化较为明显，其位移-时间曲线如图11所示。从图中可以看出，位移变化量随着时间的增加逐渐减小，且趋于收敛。日最大位移变化速率不超过0.6 mm·d-1，远小于滑坡变形预报警戒值，对结构暂无影响，由此说明边坡处于稳定的蠕变阶段。

图11 断层处低点(DD01)位移-时间曲线

4.3.3 人工监测

2019年5月23日至2019年7月14日，技术人员采用LA338-2型滑动式测斜仪对4个测斜孔进行了连续测量，该仪器以敏感元件为测斜装置，与拉338型智能数显测斜仪表组成测斜系统。其内部是以伺服(即力平衡式)为基础的测量系统，与普通测斜设备相比，具有精度高、稳定性好和分辨率高等显著优势。各孔深度-位移曲线变化图如图12～15所示。

图12 1号测斜管深度-位移曲线变化图

图13 2号测斜管深度-位移曲线变化图

图14 3号测斜管深度-位移曲线变化图

通过对测斜孔近2个月的测量后发现，4个孔在前2周的位移变化较为明显，最大位移变化幅度达到7 mm左右，其主要原因是测斜管安装完成距开始读数的时间间隔较短，测斜管未完全稳定所致。后期数据则逐渐趋于稳定，并且4个孔在不同时期不同深度的位移变化趋势一致，均趋于收敛。同时从每日监测数据可以看出，4个孔的日位移变化量均小于4 mm·d-1，尚未达到滑坡变形预报警戒值。

5 结 语

安全监测在河里2号大桥应急抢险工程中的成功应用表明，在抢险救援过程中，为了保证抢险人员的人身安全以及抢险工作的顺利进行，需要在关键位置布设必要的监测网点，并且设置预警阈值。

图15 4号测斜管深度-位移曲线变化图

由于在各种荷载与多种自然因素的影响，边坡性能随时都在变化，有些是正常变化，但有些则可能是异常的。这种安全隐患使人民生命和财产安全受到威胁，安全监测则能起到监视其安全性态、保障安全运行的作用，对灾害处治的快速、科学、有序应急响应和决策提供有力支撑，对于保证高速公路运营安全和减少损失具有重大的研究意义和应用价值。