道路橋梁施工安全監(jiān)測(cè)方法研究

趙 芳

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心（有限公司），山西 太原 030032）

在道路橋梁建設(shè)施工過程中，在滿足工程建設(shè)的規(guī)范要求和設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對(duì)不安全因素和危險(xiǎn)源進(jìn)行有效地分析和監(jiān)測(cè)，保證橋梁施工期間的安全，構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。在施工安全監(jiān)測(cè)過程中，對(duì)施工期間的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)以及變形狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，監(jiān)測(cè)人員要充分利用大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)道路橋梁建設(shè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，使橋梁結(jié)構(gòu)在恒荷載下的受力處于理論計(jì)算的容許范圍內(nèi)[1]。監(jiān)測(cè)部門要加大危險(xiǎn)源采集系統(tǒng)以及安全監(jiān)測(cè)應(yīng)急救援系統(tǒng)的研究開發(fā)力度，提高施工安全監(jiān)測(cè)的重視程度，使橋梁軸線偏差和撓度偏差在規(guī)范容許標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，從而提高對(duì)危險(xiǎn)源的監(jiān)管能力。因此，安全監(jiān)測(cè)對(duì)道路橋梁的施工、竣工以及運(yùn)營(yíng)期間都具有重要的工程實(shí)際意義，為工程建設(shè)的安全質(zhì)量以及管理維護(hù)等提供重要保障。

1 設(shè)計(jì)道路橋梁施工安全監(jiān)測(cè)方法

1.1 計(jì)算施工結(jié)構(gòu)幾何屬性

為保證道路橋梁結(jié)構(gòu)施工階段的安全，要實(shí)現(xiàn)受力以及理想幾何線形的控制，防止結(jié)構(gòu)在施工過程中的實(shí)際位置狀態(tài)偏離預(yù)期狀態(tài)，包括立面標(biāo)高和平面位置等。道路橋梁在施工過程中會(huì)受到諸多因素的影響而產(chǎn)生變形，使線型與設(shè)計(jì)要求不符，工程建設(shè)難以順利推進(jìn)，為使施工中實(shí)際位置與預(yù)期狀態(tài)間所產(chǎn)生的誤差在容許范圍內(nèi)，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的外部幾何屬性進(jìn)行控制，使工程結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。首先要建立變形測(cè)量控制網(wǎng)作為工程建設(shè)的控制網(wǎng)，根據(jù)實(shí)際施工情況，建立3～5個(gè)控制點(diǎn)，與全站儀監(jiān)測(cè)不同，控制網(wǎng)應(yīng)該建立在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場(chǎng)且相對(duì)比較穩(wěn)定的地點(diǎn)。基于幾何變形控制技術(shù)要求，組成變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，可在控制網(wǎng)上架設(shè)全站儀測(cè)量，以保證獲取控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)的精度[2]。設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)高程為H0，觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)高程為H1，平面截面為S，體積為V1，儀器高為i，目標(biāo)高為0，則觀測(cè)未知點(diǎn)的高程函數(shù)h1的計(jì)算公式為：

監(jiān)測(cè)人員采用坐標(biāo)法選取水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用豎向位移監(jiān)測(cè)采用間接三角高程，監(jiān)測(cè)施工結(jié)構(gòu)的外部幾何位移，計(jì)算出固定點(diǎn)i和監(jiān)測(cè)點(diǎn)j之間的高差，得到工程建設(shè)的本次高程變形量hj。即保持i不變，j點(diǎn)的高程函數(shù)式為：

計(jì)算出本次監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，保證其基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)的確立，求出本次高程與初測(cè)高程及上次高程之差Δh1j，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)與被觀測(cè)物牢固相連，保證儀器測(cè)站點(diǎn)與變形觀測(cè)點(diǎn)有良好的通視條件。監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行初始值測(cè)試時(shí)，其測(cè)試次數(shù)不少于3次，施工人員對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)j做好保護(hù)工作，或者將監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在施工影響范圍以外的地方，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，取3次初始值的平均數(shù)作為原始基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將監(jiān)測(cè)資料記錄在專用原始資料記錄表格內(nèi)，在測(cè)量前要經(jīng)過法定計(jì)量單位標(biāo)定測(cè)量?jī)x器，以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。通過式（1）中的已知高程H1，得到Δh1j計(jì)算公式為：

在安全監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)人員要根據(jù)監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工工況、天氣情況以及周圍環(huán)境變化等，計(jì)算整理數(shù)據(jù)并仔細(xì)校核，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。對(duì)道路橋梁的幾何屬性進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，要采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)資料的初步性分析，對(duì)理論分析模型中的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行合理修正，分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，采用自適應(yīng)控制方法進(jìn)行識(shí)別修正，包括材料容重、彈性模量以及收縮徐變系數(shù)等幾何屬性參數(shù)，經(jīng)由修正后的幾何參數(shù)計(jì)算出施工各階段的截面應(yīng)力和結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換下的內(nèi)力重復(fù)分布等，監(jiān)測(cè)人員可在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行與施工進(jìn)程同步工作環(huán)境的參數(shù)測(cè)試，對(duì)施工立模標(biāo)高等進(jìn)行調(diào)整，得到工程結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工工況下的受力狀態(tài)和幾何狀態(tài)。

1.2 全站儀GPS一體化監(jiān)測(cè)位移變形

根據(jù)施工結(jié)構(gòu)的幾何位置，利用全站儀監(jiān)測(cè)施工結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的變形和位移，是施工監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容。全站儀具備磁驅(qū)動(dòng)、精確定點(diǎn)保證以及自動(dòng)鎖定多目標(biāo)跟蹤的技術(shù)，是先進(jìn)的一體化測(cè)量設(shè)備，主要檢測(cè)高鐵、橋梁以及隧道建設(shè)等大型工程構(gòu)筑物的變形監(jiān)測(cè)，內(nèi)置智能鋰電池，監(jiān)測(cè)人員可實(shí)時(shí)查看電池電量。位移變形主要監(jiān)測(cè)拱肋線形、拱腳變形位移等結(jié)構(gòu)，除此之外，弦式應(yīng)變傳感器常用于監(jiān)測(cè)混凝土，對(duì)工程建設(shè)的拱腳和吊桿附近截面的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，判斷其是否產(chǎn)生變形，一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)如圖1所示。

圖1 一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)

監(jiān)測(cè)人員選用高精度全站儀用于監(jiān)測(cè)隧道截面、拱橋橋面以及系梁變形等，系桿拱橋中的吊桿內(nèi)力利用穿心式壓力傳感器監(jiān)測(cè)，采用智能型溫度傳感器或者振弦式索力傳感器監(jiān)測(cè)構(gòu)件內(nèi)外溫度或索力。面對(duì)工程建設(shè)的主要施工工況，需要利用高精度全站儀進(jìn)行密切的施工監(jiān)測(cè)。測(cè)量關(guān)鍵部位的位移變形時(shí)，確保施工過程符合幾何線形設(shè)計(jì)要求，從而確保道路橋梁施工質(zhì)量。監(jiān)測(cè)人員要將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，應(yīng)用到道路橋梁結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測(cè)中。在道路橋梁施工階段，監(jiān)測(cè)人員通過布設(shè)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅能夠完成施工階段的安全檢測(cè)，還可用于橋梁竣工驗(yàn)收以及橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)期的健康監(jiān)測(cè)，其中要正確選擇監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，配置數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，使GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)成為工程建設(shè)施工竣工和運(yùn)營(yíng)三位一體的監(jiān)測(cè)方，其一體化監(jiān)測(cè)流程如圖2所示。

圖2 一體化監(jiān)測(cè)流程

GPS技術(shù)具備高精度的動(dòng)態(tài)定位測(cè)量和導(dǎo)航功能，以保證道路橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量安全。GPS技術(shù)為監(jiān)測(cè)人員提供被監(jiān)測(cè)物的精確三維坐標(biāo)，可精確到毫米，基于衛(wèi)星的無(wú)線導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在道路橋梁施工監(jiān)測(cè)和運(yùn)營(yíng)健康監(jiān)測(cè)中，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸技術(shù)，遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高效傳輸。通過不等精度混合平差提高整網(wǎng)的精度和可靠性，即使用精密水準(zhǔn)儀利用已知點(diǎn)實(shí)時(shí)靜態(tài)測(cè)量出當(dāng)前各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)及高程，綜合管理一體化測(cè)量工具，利用聯(lián)合網(wǎng)平差等功能實(shí)現(xiàn)同步作業(yè)，將得到的測(cè)量數(shù)據(jù)通過無(wú)線電傳輸實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)求出全站儀的當(dāng)前位置及高程，確定施工結(jié)構(gòu)有無(wú)異常變化，進(jìn)而利用各個(gè)棱鏡的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如表1所示。

監(jiān)測(cè)人員在選擇監(jiān)測(cè)的定位類型時(shí)，要根據(jù)道路橋梁的實(shí)際施工情況進(jìn)行選擇。監(jiān)測(cè)定點(diǎn)根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，主要?jiǎng)澐譃殪o態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位，監(jiān)測(cè)人員根據(jù)定位模式，在施工場(chǎng)地進(jìn)行絕對(duì)定位單點(diǎn)定位、相對(duì)定位以及差分定位，對(duì)道路橋梁施工結(jié)構(gòu)進(jìn)行偽距法定位，通過載波相位測(cè)量的方法完成手持式智能監(jiān)測(cè)模式[3]。監(jiān)測(cè)人員可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)定位或事后定位，從而確定整周模糊度的方法及觀測(cè)時(shí)段的長(zhǎng)短，使智能手持端的內(nèi)置模塊接收衛(wèi)星定位信號(hào)，將常規(guī)靜態(tài)定位和快速靜態(tài)定位相結(jié)合，參考瞬時(shí)坐標(biāo)來確定用戶接收機(jī)所處位置，以道路橋梁施工結(jié)構(gòu)的距離測(cè)量值為基礎(chǔ)，利用定位模式中的絕對(duì)定位，實(shí)時(shí)解算出所監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的三維絕對(duì)坐標(biāo)，對(duì)橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)具有重要意義。

2 試驗(yàn)論證分析

為保證本文提出的安全監(jiān)測(cè)方法的有效性，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象選取某構(gòu)造物深基坑工程建設(shè)，跨越市區(qū)，對(duì)基坑變形和環(huán)境變化要求較高，對(duì)基坑開挖設(shè)置的承壓水水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該基坑深度為25 m左右，為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)基坑，承壓水水位的風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)如表2所示。

表2 承壓水水位風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)

根據(jù)基坑特性布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置及密度，保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)對(duì)基坑整體形成一個(gè)全方位立體的監(jiān)測(cè)體，提供及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)反饋信息，針對(duì)基坑承壓水水位的監(jiān)測(cè)指標(biāo)控制值如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)控制值 mm

在基坑周邊布設(shè)18個(gè)坑外水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行降水試驗(yàn)，使基坑外淺層觀測(cè)井和承壓井的水位產(chǎn)生變化，記錄兩種監(jiān)測(cè)方法下的坑外水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化速率。共設(shè)置10次試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)論證結(jié)果對(duì)比圖

通過圖3記錄數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出10次試驗(yàn)中兩種監(jiān)測(cè)方法的變化速率，傳統(tǒng)方法變化速率為0.46 m/d，本文方法變化速率為0.54 m/d，變化速率更加準(zhǔn)確，從而驗(yàn)證了本文監(jiān)測(cè)方法的有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

為科學(xué)監(jiān)測(cè)道路橋梁結(jié)構(gòu)施工階段的安全質(zhì)量，監(jiān)測(cè)部門要不斷提高監(jiān)測(cè)技術(shù)，并且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以預(yù)計(jì)安全監(jiān)測(cè)方法還將得到進(jìn)一步的提升，為工程建設(shè)的質(zhì)量安全提供更可靠的技術(shù)保障。