山区桥梁监测预警的探索与实践

2022-01-08策划杨燕

中国公路 2021年21期

策划|本刊记者杨燕

文|四川省公路规划勘察设计研究院有限公司邝靖张二华吴涤

我国西南山区地形地貌复杂多变、地质构造复杂、地壳活动活跃、地形起伏巨大，加之水系库区密布和恶劣气候条件影响，给山区公路桥梁建养和路网安全畅通运营带来严峻挑战。基于此，在桥梁风险监测方面，除了关注桥梁结构自身健康状态所引起的运营安全风险之外，云南、贵州、四川等省份还需叠加关注桥梁所处的环境和灾害风险。

目前，我国已构建桥梁健康监测系统的桥梁类型主要为特大跨径桥梁。其中，长三角、粤港澳大湾区、沿长江经济带等经济发达地区的大跨度桥梁和特殊桥梁普遍安装了监测系统；西南地区多数大跨径桥梁也均构建了监测系统，但反观当前的山区桥梁监测与预警评估系统仍存在着构建不充分、标准不统一、应用不深入、维护不到位、监管未成网、数据未共享等主要问题。

为此，本文分析了现阶段山区公路桥梁结构监测与预警评估技术的发展瓶颈、解决方案、实施效果等，以期为行业提供参考。

现阶段的发展瓶颈是什么

目前，监测我国山区公路桥梁结构状态的智能感知技术进步显著，数据规模、质量大幅提升，但尚处于发展期的山区公路桥梁结构监测与预警评估技术，仍存在成本之“重”、预警之“误”、评估之“惑”等发展瓶颈。

近年来，工程结构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。基于此，新兴的桥梁结构健康监测系统，能实时采集基础设施运营环境条件和响应等数据变化，再根据数据分析结果实现及时的安全预警和科学的安全评估,为其安全运营和养护维修决策提供技术支撑。

推广公路桥梁结构健康和安全风险监测系统、完善路网运行安全监测预警体系是推进公路养护转型、加快构建现代公路养护管理体系的重要举措，同时也是强化公路安全运营动态监管、健全风险防范化解机制、防范突发安全事故的迫切需要。

成本之“重”

公路基础设施自动化和智能化监测预警已逐渐成为解决山区公路桥隧结构安全风险防控的有效技术途径。其中，四川建议将监测系统分成三类，即综合集成监测系统、特定目标监测系统和应急监测系统。这标志着我国山区公路桥梁结构状态的智能感知技术显著进步，但尚处于发展期的山区公路桥梁结构监测与预警评估技术，仍存在着构建不充分、标准不统一、应用不深入、维护不到位、监管未成网、数据未共享等主要问题。

成本之“重”

目前，针对不同山区公路桥梁的工程特点、自然环境和运行条件，在选取相对应的监测方法、技术及指标时，公路交通行业内尚未建立统一的标准体系，导致安全监测系统建设质量参差不齐，系统建设运维成本不合理，监测系统在结构健康监测与多灾害耦合监测之间顾此失彼，从而制约了其在行业内的推广普及。

预警之“误”

一方面，因行业内不同领域间的数据孤岛、数据壁垒未打破，深层次、专业性的数据挖掘分析不能普及服务于不同领域、不同群体、不同场景之中，导致桥梁监测的预警可靠性难以保证。另一方面，目前的桥梁监测系统多基于单个监测点设置阈值，其单点数据异常即表明桥梁结构状态异常。在野外复杂运营环境下，噪声干扰、环境干扰，以及电磁干扰等因素，均可导致传感器采集数据出现奇异点，造成监测预警虚报、误报率较高，预警可靠性较低。

预警之“误”

评估之“惑”

安全风险管理行业的新需求

目前山区公路桥隧结构运营安全风险管理的理念和体系正逐渐由低级走向高级、由简单走向复杂。在现代山区公路桥隧结构安全管理中，引入风险管理的理论和方法，并按照“事前全面预防、事中有效控制、事后有效处置”的顺序，建立全过程安全管理措施体系，是山区公路桥梁、隧道、边坡工程开展集群化和信息化管理的新需求。

一方面，桥梁监测与预警系统构建不充分，仅少数重点山区公路桥梁建设了监测系统，且未充分发挥其系统作用；另一方面，在公路交通行业，虽然通过桥梁检测技术评定桥梁技术状态，再根据桥梁技术状态等级评定结果，制定对应养护维修处置策略的检测方式已较为成熟，但由于桥梁监测预警技术尚处于发展期，监测预警与应急响应、安全评估与养护维修策略尚未形成统一闭环，导致安全监测应用不深，尚未完全发挥其实效。

表1 桥梁结构技术状态评定频率

完善监测预警体系已成为四川重点工作

作为全国自然灾害发生最频繁，受灾最严重的省份之一，“十四五”期间，四川就将“提升交通防灾减灾体系韧性”作为交通强国建设试点任务之一，其中“完善监测预警体系，创新应急处置机制”是重要的工作内容。具体要求涵盖：普及对自然灾害风险点和隐患点的排查、辨识和评估；实时监测危险路段的地质及气象灾害风险，以及桥隧等特殊构造物的健康状况；强化监测数据的科学分析，并有效利用于灾害风险提前报警和结构健康状况精准预警；加强监测预警与路网运营养护相关业务应用系统的对接联动，推动建立公路交通设施和路域灾害的监测预警体系；完善风险普查辨识、灾害监测预警、应急处置保障、运营养护管理的新型闭环治理机制和配套制度。最终达到有效防范化解路网区域性重大风险，提升路网防灾减灾体系韧性的总体目标。

雅康高速泸定大渡河大桥

解决发展瓶颈的新技术有哪些

针对山区公路桥梁结构监测与预警评估技术面临的发展瓶颈，笔者团队梳理了解决山区公路工程安全监测新挑战的一整套技术解决方案，即山区公路网工程结构安全监测指标体系设计和优化方法、面向云服务的山区公路工程结构集群化安全监测预警平台、地理信息模型和结构信息模型辅助的数据分析和预警评估方法、安全预警与应急响应联动机制+安全评估与养管决策支持机制，并基于此，研发了“基于GIS+BIM+AIOT数据平台的工程结构安全智能监测云”。

安全监测指标体系设计与优化

山区公路网工程结构安全监测指标体系设计和优化方法，是在工程结构安全风险辨识分析结果的基础上，根据山区桥梁结构风险等级、风险程度与监测需求，将监测系统分为不同类别后，再设计安全监测体系。

通过安全监测指标体系设计与优化降低建设运维成本

山区公路桥梁监测预警技术方案

A类综合集成监测系统：以桥梁结构整体安全为目的，同时监测多个目标或多种项目的综合集成的长期监测系统。

B类特定目标监测系统：针对某一项或几项特定的结构安全风险，而专门实施的长期监测系统。

C类应急监测系统：针对应急监测任务或特殊监测目标，而临时实施的短期监测系统。

通过采用山区公路工程安全监测指标体系设计优化方法，可在工程结构安全风险辨识分析结果的基础上，优先选取和监测风险损失大、发生概率高或对顶上事件重要性系数高的风险事件；可在保障公路运营安全的基础上，尽量减少监测指标和监测点，不仅降低了系统建设运维成本，而且缩短了建设工期。据统计，采用此方法，系统建设费降低约20%，相应的系统建设工期同比减少约15%。

表2 桥梁安全风险等级及其对应的监测需求和策略

集群化安全监测云平台

山区桥梁是保障公路网畅通的咽喉要道，尤其当受力复杂、规模庞大的工程结构发生垮塌，会给道路抢通造成极大困难，甚至使整条线路中断。因此，在面对山区公路工程结构安全监测的新挑战时，应基于面向多用户云服务需求，建立安全可靠、性能先进、兼容异构设备和协议、升级扩展方便的数据平台系统软件架构与硬件搭建方案；基于MQTT协议，开发适用于公路设施安全监测的物联网通信应用模块，支持传感器与服务器之间的高并发双向通信和远程控制；基于HTTPS协议开发用户和第三方系统访问通信模块，实现数据在异构系统之间的路由转发，支持不同权限用户的远程访问；针对桥、隧、地灾、路面等不同专业开发具体的业务规则引擎，实现监测数据的分类存储、计算、预警和展示等功能；制定统一的数据通信访问规则和统一的程序功能接口，以便跨专业的各监测项目及第三方外部监测系统能够快速接入和集成到数据平台。

采用集群化安全监测云平台，可实现山区公路区域路网内跨项目、跨专业的工程结构集群化安全监测，以及信息化管理功能。

数据分析和监测预警专业规则链

面向云服务需求的山区高速公路工程结构安全监测物联网平台技术框图

数据分析和监测预警专业规则链

基于单传感器阈值的预警方法，安全监测系统误报率较高，降低了安全监测系统的可信度。针对这些问题，应以交通系统可靠性、最优决策及风险管理理论为基础，运用信息论、大数据统计分析和关联分析等先进技术和数据挖掘方法，建立以结构状态特征值为核心的山区公路工程结构安全预警机制。

其中，以“BIM+GIS”技术为例，通过该技术，可实现山区公路区域路网内集群化工程结构、在线监测设备、地理空间信息与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；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。

监测预警与应急响应联动机制叠加安全评估与养管决策支持机制

结合行业主管部门应急管理策略，基于桥梁结构安全状态分级预警架构，建立以结构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；同时建立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。

安全预警与应急响应联动机制标准流程图

桥梁结构安全状态（健康度）评估频率（推荐）

通过实施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，为山区公路工程结构的实时联网监测、快速预警和养管决策提供支持。

山区公路结构安全风险监测预警体系和平台建设的五个问题

目前，我国山区公路桥梁结构监测预警与评估技术虽然取得了一定成果，但是对比交通运输部《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》要求，山区公路结构安全风险监测预警体系和平台建设还存在诸多问题。

问题一：针对山区公路的工程特点、自然环境和运行条件，如何科学合理地选取监测指标，强化对地灾、洪水等自然灾害引发的结构安全风险监测。

问题二：针对异构系统兼容性差、数据和信息交互不畅的问题，如何统一监测业务系统与行业监管平台之间的数据交互接口和编码规约。

问题三：针对行业内“重监测数据、轻分析评估”的现状，如何从应急响应和养管决策的需求出发补充完善相关技术要求，强调安全预警和评估的重要性，并加强系统长期持续运行的绩效评估。

问题四：针对行业内“重系统建设、轻系统运维”的现状，如何结合基层养管单位的养护人员配置和技术经验等实际情况，鼓励采用社会化服务采购方式承担系统运维、安全预警和评估等专业工作，并完善配套技术要求和管理规定。

问题五：为贯彻交通运输部要求安全风险监测和人工巡视检查并行互补，共同为路网安全运营和养护维修提供决策支持的指导方针，如何补充完善现行公路养护管理制度的相关技术要求和管理规定。

表3 安全评估与养管决策支持机制

新技术的实施应用效果怎么样

截至目前，“基于GIS+BIM+AIOT数据平台的工程结构安全智能监测云”已陆续应用于四川雅西、雅康、西攀、仁沐新等10余条高速公路的40多座桥梁、隧道、高危边坡的安全风险监测项目。通过工程实践检验，其安全预警准确率超过80%，在应急抢险、维修加固和恢复重建工程中效果显著。本文以雅西高速姚河坝大桥、成绵复线石亭江大桥、仁沐新高速陈桥坝大桥为例，分析了这3座桥梁的主要问题、监测内容，以及结构安全风险监测预警的效果。

雅西高速姚河坝大桥为左幅桥尽早开放单幅双向通行创造条件

2021年9月20日，四川雅西高速姚河坝大桥突发高位塌方，造成道路中断。在四川省交通运输厅的统筹安排下，桥梁、地质、岩土、检测、监测等专业的12名技术人员赶到现场配合开展灾损调查、检测监测等工作。

在此次抢险工作中开展智能监测的目的有两个，一是保障现场边坡危岩体清除等施工作业过程中施工人员和装备安全，如遇二次灾害发生，提前预警；二是保障左幅桥开放单幅双向通行后，左幅桥梁结构的运营安全。

围绕这两个目的，技术人员首先采用边坡雷达和三维激光扫描等新技术，连续实时监测危岩体的变形位移情况，同时采用拉线式位移计实时监测坡顶铁塔周边地表的变形情况。此外，还智能监测了面临姚河坝大桥崩塌体正面冲击风险的左幅桥，主要监测桥墩的倾斜度、梁体的位移情况，以及裂缝宽度的发展变化等。相关的监测指标一旦超过预警值，技术人员的工程结构安全智能监测云平台就会自动通过短信、微信向现场人员发布预警消息，施工作业人员可提前撤离，现场交通可临时管制，以最大限度减少损失。

通过智能监测，为左幅桥尽早开放单幅双向通行创造了条件，为现场抢险的施工作业人员提供了安全保障。

雅西高速姚河坝大桥监测点

成绵复线石亭江大桥

成绵复线石亭江大桥保障加固处置期间的施工及运营安全

成绵复线石亭江大桥为跨越石亭江、地方公路而设，全桥采用29×30米预应力混凝土简支T梁，长878.1米，其中河堤内共12跨，桥梁下部采用钢筋混凝土双柱式桥墩，钻孔摩擦桩基础，按左、右幅桥分幅设计。

石亭江位于龙门山山区进入平原的冲积扇。经过漫长的地质年代，河流动力与河床形成了脆弱的冲淤平衡状态，因桥址区域历次集中强降雨，造成成绵复线高速公路石亭江大桥部分桩基在冲刷作用下受损，石亭江大桥河床累计下切冲刷深度较大，给桥梁自身及运营均带来了极大的安全隐患，如不及时处置，冲深加剧的趋势难以避免。2021年，在不中断交通的情况下，运营单位处置了石亭江大桥桥墩冲刷、桩基外露等病害。为保障加固处置期间该桥的施工安全及运营安全，共计布设桥墩墩顶倾斜度监测点32个，桥墩相对沉降监测点10个，钢柱应变监测点80个，承台倾斜度监测点8个；此外，为便于监测数据处理分析时消除桥位处温度变化对监测数据的影响，布设环境温度监测点1个。

通过收集及分析监测点、传感器的数据信息，可为全天候结构安全监测预警、定期结构安全评估、应急安全评估、应急交通管制建议、应急抢险及临时加固保通等工作提供基础技术数据支持。

仁沐新高速陈桥坝大桥通车后的全天候结构安全监测预警

陈桥坝大桥位于仁沐新高速公路k148+173处，桥梁全长207米，桥跨布置为4×25米+4×25米，桥面全宽25.5米，左右幅桥梁为分离的独立桥梁。上部结构采用25米预应力混凝土预制简支T梁，左右幅桥梁横向各布设6片T梁，梁高1.75米。下部结构采用双圆柱式墩台桩基础。

受地下采空区影响，陈桥坝大桥施工过程中发现有基础沉降和局部滑移现象，后对该桥0#台及1#至4#墩实施了增设钢管排架辅助墩等维修加固处治措施。为确保通车后桥梁结构运营安全，仁沐公司在该桥的地基整体变位（GNSS）处布设了监测点3个，基准点1个；墩台相对沉降（静力水准仪）处布设监测点16个，基准点4个；墩台倾斜度（双轴倾角计）处的每个墩台布设1个监测点，全桥共计18个；在墩（台）与梁间相对位移（位移计）处顺桥向布设4个监测点，横桥向布设4个监测点。全桥共计布设了50余个（套）传感器。