CN117093842A - 一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁安全领域，公开了一种地质变形体上病险桥梁检测需求评估方法及系统，本发明综合地质变形体危险性评价、桥梁安全评价、桥梁重要性评价三方面的信息，进行桥梁结构运营安全监测必要性评价，根据监测等级对地质变形体及其上面的桥梁进行监测和预警，在山区公路地基岩土体尚未发生变形或位移导致桥梁受损前，识别出可能导致桥梁受损的地质变形体，及其上可能受影响的桥梁，明确需要监测的桥梁，保障公路运营安全，同时也避免了临时监测缺乏前期数据、盲目检测缺乏针对性、浪费资源且监测效果差的问题。

Description

一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法及系统

技术领域

本发明涉及桥梁安全技术领域，尤其涉及一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法及系统。

背景技术

随着山区公路建设快速发展，公路沿线山区地质条件以及气候条件复杂，且受人类活动影响后，沿线崩滑灾害频发，其中斜坡变形或滑移等地质灾害对于公路桥梁影响最为巨大，可能导致坐落其上或邻近的桥梁结构发生倾斜或开裂、损坏、甚至断裂，严重危害桥梁工程的安全，桥梁破坏后囿于地形地质条件复杂，交通中断后绕行较远，且桥梁维修加固比路基维修费时费力的多。此类桥梁即为交通畅通的咽喉，保障此类桥梁的功能性、安全性至关重要。

地质变形体上桥梁的功能性、安全性，对位于地质变形体上或潜在地质变形体上桥梁结构开展监测并及时预警预报，对于桥梁的运营安全评估、加固处治等具有重要意义。

但以四川为例，即便只计算山区高速及国省干道桥梁也要成千上万座，全部监测显然不切实际，以往多是毫无重点的全线开展人工巡查，受巡查人员经验影响大且实时性差，不能及时预警，历史数据缺乏科学累积；

而一旦出现滑坡、崩塌、采空区等地质变形体已经显著发展，其上桥梁已经出现病害甚至已经是危桥时，临时决定开展监测，但此时由于需求紧迫且没有前期监测数据，对桥梁、山体情况不明，往往盲目开展多种监测、监测点位也缺乏针对性。监测费用浪费较大且效果较差。因此，提前对地质和桥梁的安全性进行排查和监测，实现针对性的加固和处理，可有效节约社会资源，保护人民生命安全。

发明内容

本发明针对技术问题，提出一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，具体的技术方案如下：

一种地质变形体上病险桥梁监测评估方法，包括：

地质变形体识别；

地质变形体上的桥梁病害识别；

地质变形体上的桥梁重要性评价；

基于所述地质变形体识别、地质变形体上的桥梁病害识别、地质变形体上的桥梁重要性评价，进行桥梁结构运营安全监测必要性评价。

地质变形体上桥梁结构发生倾斜或开裂、损坏的主要原因往往不是桥梁结构抗力衰退、损伤累积或桥梁自身结构老化接近设计寿命导致，而是其地基岩土体发生变形或位移导致，因此地质变形体上桥梁结构运营安全监测首先需识别沿线地质变形体来发现。本发明首先通过地质变形体的识别，找到存在地质变形体的地方，然后再对坐落其上的桥梁结构进行重点分析，识别桥梁在地质变形体的影响下是否发生病害，病害程度如何，是否还可以继续使用等，同时还要对该桥梁的重要性进行评价，得到地质变形体及其上的桥梁的病害情况以及桥梁的重要性，结合这几个方面的信息，对桥梁结构运营安全监测进行必要性评价，地质变形体的危险程度不同，或者桥梁的安全状态或重要性不同，所采取的处理方法也会不同，比如对于废弃的路段，桥梁不重要，即使桥梁发生病害，也可以不采取措施，以节约资源。监测必要性评价后，对于需要监测的桥梁，根据桥梁情况综合分析，展开相应的安全监测。

进一步地，地质变形体包括既有地质变形体和潜在地质变形体。对于既有的地质变形体，其已经发生地质变形，而潜在地质变形体尚未发生明显的地质变形，例如崩塌、滑坡、采空区等地质变形体通常有较长时间的孕育阶段，而其变形达到破坏时，破坏活动阶段往往非常短暂，因此对于这种处于孕育阶段的地质变形体的关注也很重要。

在地质变形体识别时，对孕育阶段的潜在地质变形体进行危险性评价，所述危险性评价是指：针对影响潜在地质变形体发生变形或已发生变形的地质变形体情况继续恶化的自然环境条件，分析其活动条件，确定其规模、发生可能性、危害范围，得到地质变形体危险程度等级。因此，地质变形体危险性评价仅针对影响潜在地质变形体发生变形或已发生变形的地质变形体情况继续恶化的自然环境条件，如地形地貌、岩土类型、地质构造、降雨条件、地震和历史灾情状况等，并不针对具体桥梁。先识别出危险的地质变形体后，再对坐落其上的桥梁结构进行重点分析。

地质变形体危险程度等级共包括极大、大、中、小、安全五个危险程度等级。

从地质变形体危险程度评价情况分析，危险程度大的滑坡和采空区地表沉降均已发生明显的山体位移或变形，采空区导致的山区地表变形或沉降发展到一定程度也可能导致山体滑坡或局部崩塌、溜坍，考虑到山体变形演化过程的复杂性及受岩土体c 和φ等指标变异性影响，山体对开裂、变形的容忍度较高，也就是说即便山体出现较大变形、拉裂也未见得立即发生滑坡、崩塌等破坏。但桥梁结构相对岩土体来说，对开裂、变形的容忍度低。而且由于山体变形的不均衡性及桥梁上、下部结构变形一般不同步，导致地质变形体位移变形虽持续发展，但一段时间内仍将处于稳定变形阶段，可此时桥梁可能已经发生了落梁或者墩柱弯折垮塌。

根据大量工程实践经验，坐落在危险程度大的滑坡和采空区地表沉降区域的桥梁一般均已发生较明显病害，如伸缩缝异常拉开或抵紧、挡块被挤坏，支座剪切变形或脱空、多座桥墩同一方向或高度出现裂缝等。对于所在山体以及等速变形或采空区地表变形持续时间较长或山体进入加速变形阶段的桥梁，可能受损尤其下部结构受损较为严重了。但对于崩塌以及桥梁不在滑坡影响范围内但在其滑移路线上的情况，桥梁的安全性可能还相对较高。

进一步地，在本发明中，所述地质变形体上的桥梁病害识别采用的方法为：

通过开展桥梁检查并收集桥梁检查资料，对照地质变形灾害分布情况，分析桥梁病害原因，主要针对桥梁基础和地基病害，确定桥梁是否受到地质变形灾害影响及受影响的程度，得到桥梁当前安全状态等级。具体地，收集桥梁检查资料包括既有桥梁设计资料和桥梁专项检查、定期检查、经常检查、日常巡查资料、当地居民和司乘人员分反馈等。对可能或已经确定受地质变形体影响甚至已造成损伤桥梁应开展特殊检查。特殊检查应根据检测目的、病害情况和性质，采用仪器设备进行现场测试和其他辅助试验，针对桥梁现状进行必要的专项评定和检算分析，并给出评定结论、针对性的养护对策建议或应急处治方案建议。

不同结构形式的桥梁在地质变形体作用下的表现存在明显差异。公路桥梁中常见的中小跨径梁式桥梁和拱式桥梁基础和地基典型病害为：梁式桥梁灾损类型一般为主梁移位或落梁、支座破坏（包括残余剪切变形、卷曲、脱空、滑移、缺失，四氟板破坏、锚栓破坏、上下钢盆错位、钢盆连接破坏等）、桥墩病害（包括墩身开裂、塑性铰、倾斜、压溃、剪断、倒塌、盖梁开裂等、）、桥台可能出现台身、侧墙、前墙、背墙等开裂，锥坡、护坡开裂、塌陷，及台后填土下沉等损害表现。拱式桥梁拱损害主要发生在主拱、拱上建筑、桥台等部位，主拱震害的主要形式有垮塌、拱圈横向开裂或变形。实腹拱和桥台较高的空腹拱，主拱圈可能出现纵向开裂，肋拱桥的横向连接系或出现破坏。拱桥拱上建筑的损害形式：实腹式拱桥主要为侧墙开裂和垮塌；空腹式拱桥主要为腹拱、横墙开裂；梁式腹拱拱桥主要为立柱开裂、桥面板移位等。

作为进一步的方案，所述地质变形体上的桥梁重要性评价方法为：结合人员伤亡、经济损失和环境影响等级判断标准估算直接经济损失等级；基于桥梁损毁后绕行里程、绕行损失时间和应急管制通行限制估算间接经济损失等级；根据所述直接经济损失等级和所述间接经济损失等级对桥梁重要程度进行划分。

调查区的桥梁受地质变形体影响，可能出现各类病害，严重时无法正常通行甚至出现险情，导致重大人员财产损失。一旦桥梁无法正常通行导致断道，势必影响当地社会经济发展和人民群众正常生活，但不同地区经济发展水平差异较大，交通需求及路网建设水平差异同样很大。间接经济损失无法准确计算，本发明结合工程实践探索以绕行距离和绕行时间划分可能导致的间接经济损失。根据桥梁出现险情可能导致的人员财产损失（含修复保通费用）以及桥梁绕行难度将桥梁重要程度划分为A、B、C、D四类。

进一步地，本发明在进行桥梁结构运营安全监测必要性评价时，通过地质变形体上的桥梁监测必要性评估指标评价桥梁监测的必要性，所述监测必要性评估指标包括暂不监测、可监测、宜监测、应监测。

作为本发明更进一步的方案，在进行监测必要性等级评价后，根据评价结果，对桥梁进行相应等级的安全监测，并对安全监测的方法进行了限定，包括：

S1: 根据地质变形体危险性评价、桥梁受影响程度、地质变形体上桥梁病害识别、桥梁重要性程度，确定桥梁的监测级别和监测项目；

S2：根据S1中的监测项目的重要性及敏感程度，将所述监测项目进行排序，筛选出作为预警指标的监测项目；

S3:设定各预警指标的预警阈值，得到不同预警级别；

S4：根据S1中的监测级别，在所述地质变形体和/或桥梁上布设监测点，获得各监测点的监测项目数据随时间的变化情况，当所述预警指标的数值达到或超过所述预警阈值时，根据所述预警级别进行预警。

此外，本发明还基于上述地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，提出一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估系统，包括：

地质变形体监测系统，用于地质变形体的识别和评价，包括地质变形体识别单元和地质变形体评价单元；

桥梁安全评价系统，用于识别桥梁病害，评价桥梁安全状态级别；

桥梁重要性评价系统，用于评价桥梁重要性；

控制中心，用于对所述地质变形体监测系统、桥梁安全评价系统、桥梁重要性评价系统的数据进行综合分析和处理，进行桥梁结构运营安全监测必要性评价。

所述地质变形体监测系统通过所述地质变形体识别单元识别到地质变形体的类型，并由所述地质变形体评价单元对地质变形体的危险性进行评价，将地质变形体的危险性评价结果传输至所述控制中心，所述控制中心根据地质变形体危险性评价结果，并结合桥梁安全评价系统和桥梁重要性评价系统的数据，进行桥梁结构运营安全监测必要性评价，确定监测必要性评价指标、监测点和监测项目。

进一步地，所述地质变形体上病险桥梁监测需求评估系统还包括感知单元，用于监测桥梁各监测点的数据，并传输至控制中心；预警单元，用于系统预警；

所述控制中心进行桥梁结构运营安全监测必要性评价，确定必要性监测评估指标、监测点和监测项目，在监测点布设感知单元，所述感知单元监测各监测点的数据变化，传输至所述控制中心，由所述控制中心对监测数据进行分析处理，控制所述预警单元预警。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明综合地质变形体危险性评价、桥梁安全评价、桥梁重要性评价三方面的信息，进行桥梁结构运营安全监测必要性评价，根据监测等级对地质变形体及其上面的桥梁进行监测和预警，在山区公路地基岩土体尚未发生变形或位移导致桥梁受损前，识别出可能导致桥梁受损的地质变形体，及其上可能受影响的桥梁，明确需要监测的桥梁，保障公路运营安全，同时也避免了临时监测缺乏前期数据、盲目检测缺乏针对性、浪费资源且监测效果差的问题。

附图说明

图1是实施例2工作流程示意图；

图2是实施例1InSAR典型点位变形曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例以雅西高速公路项目的具体应用为例，阐述了本发明的实际应用方式。雅西高速公路（G5京昆高速雅西段）是四川攀西地区连接省会成都的唯一大通道，整条高速路线展布在崇山峻岭之间，被誉为“天梯高速”、“云端高速”。

雅西高速公路桥梁多达270座，公路沿线地形地质极其复杂，沿线穿越12条地震断裂带，边坡岩体破碎，稳定性较差。建设期间，对大部分边坡进行了实体防护，部分边坡采用生态防护。受强降雨、连续降雨等极端恶劣气候条件影响，滑坡、崩塌等地质灾害极易发生。

本实施例首先通过所述地质变形体监测系统通过所述地质变形体识别单元识别到地质变形体的类型，并由所述地质变形体评价单元对地质变形体的危险性进行评价，将地质变形体的危险性评价结果传输至所述控制中心，所述控制中心根据地质变形体危险性评价结果，并结合桥梁安全评价系统和桥梁重要性评价系统的数据，进行桥梁结构运营安全监测必要性评价。

具体如下：

1、地质变形体识别

地质变形体危险程度等级共包括极大、大、中、小、安全五个危险程度等级，具体如表1所示。

雅西高速公路瓦厂坪段据地面地质调查及勘察资料，场区地层为第四系全新统崩坡积层（Q4c+dl）及三叠系上统须家河组（T3xj）岩层。

桥位区地下水主要有松散层孔隙水及基岩风化裂隙水。松散岩类孔隙水：主要赋存于Q4c+dl块石夹（质）土层之中，渗透性较差；主要受大气降水、沟水渗透补给，顺层径流或向冲沟排泄，含水性弱。基岩风化裂隙水：主要赋存于基岩风化裂隙之中，根据设计资料桥位区北西侧约400m有非活动性断裂通过，但为非活动性断裂，对场地及桥位稳定影响不大。

根据当地国土及地质资料，桥位区下伏基岩为煤系地层，地表以下250~300m靠近荥经县凰仪乡煤矿河坪煤厂、县凰仪乡白玉滩煤厂的矿区范围，于公路通车后的2016~2017年此区域地下进行了煤层开采。现场踏勘发现地表纵横坡陡峻，瓦厂坪山体上部有存在拉裂缝，山体前缘临空较陡高度大于50m，山体坡度45°～55°，局部陡崖坡度达60°～75°，稳定系数低于1.05。山体中部路基拉裂，边坡框架梁拉裂。

评估认为岩体陡倾裂隙较发育，倾角大，地表水体的下渗软化将降低其抗剪强度，在水压力、重力及不当工程作用下易产生崩塌或局部滑坡。推断其为欠稳定斜坡，处于初始变形阶段，也可能进入了等速变形阶段，且岩体结构面发育，松弛且组合关系复杂，也存在崩塌风险，综合判断地质变形体危险程度中等。监测必要性为III类

2、桥梁病害识别

对地质变形体上的桥梁病害识别采用的方法为：

通过开展桥梁检查并收集桥梁检查资料，对照地质变形灾害分布情况，分析桥梁病害原因，主要针对桥梁基础和地基病害，确定桥梁是否受到地质变形灾害影响及受影响的程度，得到桥梁当前安全状态等级。具体地，收集桥梁检查资料包括既有桥梁设计资料和桥梁专项检查、定期检查、经常检查、日常巡查资料、当地居民和司乘人员分反馈等。对可能或已经确定受地质变形体影响甚至已造成损伤桥梁应开展特殊检查。特殊检查应根据检测目的、病害情况和性质，采用仪器设备进行现场测试和其他辅助试验，针对桥梁现状进行必要的专项评定和检算分析，并给出评定结论、针对性的养护对策建议或应急处治方案建议。

不同结构形式的桥梁在地质变形体作用下的表现存在明显差异。公路桥梁中常见的中小跨径梁式桥梁和拱式桥梁基础和地基典型病害为：梁式桥梁灾损类型一般为主梁移位或落梁、支座破坏（包括残余剪切变形、卷曲、脱空、滑移、缺失，四氟板破坏、锚栓破坏、上下钢盆错位、钢盆连接破坏等）、桥墩病害（包括墩身开裂、塑性铰、倾斜、压溃、剪断、倒塌、盖梁开裂等、）、桥台可能出现台身、侧墙、前墙、背墙等开裂，锥坡、护坡开裂、塌陷，及台后填土下沉等损害表现。拱式桥梁拱损害主要发生在主拱、拱上建筑、桥台等部位，主拱震害的主要形式有垮塌、拱圈横向开裂或变形。实腹拱和桥台较高的空腹拱，主拱圈可能出现纵向开裂，肋拱桥的横向连接系或出现破坏。拱桥拱上建筑的损害形式：实腹式拱桥主要为侧墙开裂和垮塌；空腹式拱桥主要为腹拱、横墙开裂；梁式腹拱拱桥主要为立柱开裂、桥面板移位等。

综上，根据地质变形体影响区域桥梁各种检查资料掌握桥梁已有病害情况，重点分析受地质变形体影响导致的桥梁损伤，明确桥梁当前技术状况等级，评价其安全状态，具体如表2所示。

从地质变形体危险程度评价情况分析，危险程度大的滑坡和采空区地表沉降均已发生明显的山体位移或变形，采空区导致的山区地表变形或沉降发展到一定程度也可能导致山体滑坡或局部崩塌、溜坍，考虑到山体变形演化过程的复杂性及受岩土体c 和φ等指标变异性影响，山体对开裂、变形的容忍度较高，也就是说即便山体出现较大变形、拉裂也未见得立即发生滑坡、崩塌等破坏。但桥梁结构相对岩土体来说，对开裂、变形的容忍度低。而且由于山体变形的不均衡性及桥梁上、下部结构变形一般不同步，导致地质变形体位移变形虽持续发展，但一段时间内仍将处于稳定变形阶段，可此时桥梁可能已经发生了落梁或者墩柱弯折垮塌。

根据大量工程实践经验，坐落在危险程度大的滑坡和采空区地表沉降区域的桥梁一般均已发生较明显病害，如伸缩缝异常拉开或抵紧、挡块被挤坏，支座剪切变形或脱空、多座桥墩同一方向或高度出现裂缝等。对于所在山体以及等速变形或采空区地表变形持续时间较长或山体进入加速变形阶段的桥梁，可能受损尤其下部结构受损较为严重了，下部结构或全桥技术状况等级为3~5类。但对于崩塌以及桥梁不在滑坡影响范围内但在其滑移路线上的情况，桥梁可能还是1、2类。

因此，1类桥可能尚不受地质变形体威胁，2、3类桥受地质变形体影响较小，尚可通行，4、5类桥受影响较大、如不采取加固保通措施已无法正常通行，同时对所处地质变形体危险性大的桥梁即便管制通行或开展加固处置措施的桥梁，为降低司乘人员及施工人员安全风险，提供安全预警，为科学决策加固施工时机，必须连续、实时掌握桥梁变形参数，同时也可以更好的评估加固工程效果，应当对此类桥梁运营安全监测。

对于西雅高速项目，通过收集近2017年及之前两次瓦厂坪段桥梁定期检查报告，全桥安全状况等级均2类，上部及下部结构主要承重构件技术状况评级也均为2类。

2018年初经常性检查时发现：瓦厂坪1号大桥桥成都侧伸缩缝抵死，而西昌伸缩缝张开；8#桥台凌空侧部分横向限位挡块与主梁挤压开裂，台上部分支座延纵向剪切变形明显； 6-1#、6-2#及7-1#桥墩发现细微环线裂缝，缝宽小于0.1mm。立即要求加强日常巡查。

2018年3月初，雅西高速巡查人员发现，瓦厂坪1号大桥大里程方向伸缩缝抵死隆起、错位，小里程方向伸缩缝持续拉开。立即开展特殊检测，发现该桥5#~7#桥墩均向大里程方向倾斜，最大倾斜度超过20‰，偏差超过30mm；多跨T梁向大里程方向滑移错位超过100mm，搭在支座边缘。

瓦厂坪1号大桥5#~7#墩柱小里程侧遍出现箍筋混凝土保护层爆裂，较短的墩柱则表现为斜向裂缝发育，部分横系梁也出现拉裂缝，尤其瓦厂坪1号大桥6#墩裂缝最为发育，墩柱及横系梁倾斜最为严重，多条裂缝宽度超过5mm，最大宽度超过10mm，且贯通墩身截面的一半。

除以上病害，瓦厂坪1号大桥检测期间每日均可观测到既有裂缝延伸、扩张或新增裂缝，故鉴定为5类桥。启动应急预案后报主管部门同意，双向中断交通。

3、桥梁重要性分析

所述地质变形体上的桥梁重要性评价方法为：结合人员伤亡、经济损失和环境影响等级判断标准估算直接经济损失等级；基于桥梁损毁后绕行里程、绕行损失时间和应急管制通行限制估算间接经济损失等级；根据所述直接经济损失等级和所述间接经济损失等级对桥梁重要程度进行划分。

调查区的桥梁受地质变形体影响，可能出现各类病害，严重时无法正常通行甚至出现险情，导致重大人员财产损失。按照桥梁损坏导致人员伤亡和恢复通行造价、环境影响估算直接经济损失等级，如表3所示。一旦桥梁无法正常通行导致断道，势必影响当地社会经济发展和人民群众正常生活，但不同地区经济发展水平差异较大，交通需求及路网建设水平差异同样很大。间接经济损失无法准确计算，本发明结合工程实践探索以绕行距离和绕行时间划分可能导致的间接经济损失，如表4所示。根据桥梁出现险情可能导致的人员财产损失（含修复保通费用）以及桥梁绕行难度将桥梁重要程度划分为A、B、C、D四类，如表5所示。

1、绕行里程距离为绕行距离减去原桥原线路通行距离

2、绕行损失时间为绕行时间减去原桥原线路行驶时间

3、大型车不包括原桥限行车辆。

瓦厂坪1号大桥断道后对沿线多县市社会生活影响极大。所有车辆在临时便道修通前均需绕行，绕行里程最少约110公里，路况较差，拥堵严重，需多耗费超过3小时。若绕行其他高速公路需要200km以上。

鉴于改线预估造价高于3亿且工期长，综合考虑后，采纳在原线位加固抢修，先采取钢管桩加固边坡同时锯缝解除桥面连续，释放桥面连续处的挤压力，之后采用三柱式钢管混凝土排架辅助支撑严重受损的瓦厂坪1号大桥5#~7#桥墩并加固上下边坡，恢复单车道应急通行后择机开展永久处置的加固方案，但加固造价及抢修绕行便道服用也超过1个亿。

综上所述，桥梁重要程度为D类重要桥梁。

4、监测必要性评价

在进行桥梁结构运营安全监测必要性评价时，通过地质变形体上的桥梁监测必要性评估指标评价桥梁监测的必要性，所述监测必要性评估指标包括暂不监测、可监测、宜监测、应监测，如表6所示。

其中Ⅰ为暂不监测，II为可监测，IV类为应监测，III类为宜监测，桥梁运营管理单位可根据地质变形体及桥梁实际情况及自身需求对II和III的桥梁适当开展监测。如受同一地质变形体影响的桥梁，可只监测其中受影响最严重的桥梁，以其数据作为代表。

根据上述分析，桥梁重要程度为D类重要桥梁。结合地质变形体已发生明显变形，进入等速变形阶段，危险程度大，监测必要性为IV类应监测。

实施例2

如图1所示，本实施例在实施例1的基础上，在进行监测必要性等级评价后，根据评价结果，对桥梁进行相应等级的安全监测，具体如下：

1、监测布点方案

瓦厂坪1号大桥基础变形受山体变形控制，瓦厂坪山体水平位移和沉降变形均较大，瓦厂坪1号大桥6#墩附近山体变形最为剧烈。而桥梁上部结构受相邻桥跨及桥台限制，桥梁上部结构和下部结构变形不完全同步，导致1号大桥上部结构与下部结构产生较大相对位移，导致同时墩柱受弯、开裂，同时产生肉眼可见的明显倾斜。现场观察发现墩柱小里程一侧普遍出现箍筋混凝土保护层爆裂，环向裂缝不断新增、延伸且扩张，较短的墩柱则表现为斜向裂缝发育，部分横系梁也出现拉裂缝。尤其瓦厂坪1号大桥6#墩裂缝最为发育，墩柱倾斜最为严重。

专家调查会商后认为鉴于瓦厂坪1号大桥已严重受损，在车辆活载尤其重车制动荷载的作用下，随时有可能突然垮塌，造成重大人员财产损失。调查会商结论为：

A、墩柱弯折倾覆是本桥最大的风险源，墩柱及系梁裂缝宽度变化是判断墩柱弯折最为敏感且最直观的特征参数。

B、T梁顺桥向的水平位移可能导致落梁也是本桥重要的风险源，因此T梁的位移是判断落梁最直接的特征参数。

C、通过墩柱的倾斜幅度的变化可以了解地基基础变化及墩柱的受力情况和发展趋势，为分析判断桥梁墩柱的安全提供重要数据。

D、桥梁病害的根本原因是其基础所处的山体发生变形，因此，桥梁基础及周边三维变形情况是分析判断桥梁安全的基础信息。

基于桥梁安全风险辨识的基础，在5、6、7跨每个墩及部分横系梁的环向、斜向裂缝密集处安装了裂缝计，在每个墩体上部安装了高精度双轴测斜仪，在5#、6#、7#每个墩盖梁顶面安装顶杆位移计，每处同时布置2个，分别量测盖梁上两个方向T梁的位移情况，由地质人员在瓦厂坪山体及1#桥桥台及桥下边坡布置了GNSS测点以掌握桥梁基础所处的山体变形情况。

由于桥梁基础变形受山体变形控制，采用GNSS和InSAR实时了解地基基础变形情况和发展趋势。GNSS和InSAR均几乎不受天气影响。GNSS监测精度更高，实时采集数据对于变形速度较快已处于发展阶段的滑坡可实现及时预警。但由于监测点数量有限，难以确定变形范围。 InSAR覆盖面积广大，且可以回溯险情发生之前的变形，适合已发生滑坡的灾后调查。

遵循“代表性、实用性、经济性、少而精”的原则并依据前人经验选，针对该桥风险源，选择最易破坏或局部破坏易导致结构倒塌的关键构件、截面和部位布设测点。监测项目和布设位置如表7所示。

由于加固工程的特殊性及该桥险情的紧迫性。监测前期，各监测点位5分钟采集一次数据，并通过移动网络将监测数据实时传输到监测平台，各加固单位均可登录授权账号随时查看最新数据。鉴于桥梁变形受瓦厂坪段山体变形控制的特殊性，桥梁监测方案可能需要根据山体变形程度和趋势及桥梁变形情况及加固工程需要进行动态调整。

2、监测预警阈值设计

2.1、桥梁基础GNSS监测阈值

由于桥梁变形主要受边坡变形影响，因此优先制定桥梁基础所在边坡GNSS监测阈值。滑坡发生前一般岩质边坡变形速率为10~24mm /d 常规情况下， 山体若始终保持匀加速运动状态， 相当时期内不会形成高速运动。即作匀加速运动的山体， 近期不会形成急剧破坏。自动监测前人工监测发现1#大桥所在边坡变形速率日均位移不超过的5mm /d，同时结合瓦厂坪地层岩性、区域地质构造及现场勘查情况判断瓦厂坪斜坡虽发生变形、开裂现象，但整体稳定性没有明显降低，根据斜坡初始变形、稳定变形、加速变形三个阶段的划分原则，瓦厂坪边坡尚处于稳定变形阶段，未进入加速变形。考虑到山体变形演化过程的复杂性及受岩土体c 和φ等指标变异性影响，山体对开裂、变形的容忍度较高，也就是说即便山体出现较大变形、拉裂也未见得立即发生滑坡。但桥梁结构相对岩土体来说，对开裂、变形的容忍度较低。而且由于山体变形的不均衡性及桥梁上部结构变形受到限制，致使瓦厂坪1号大桥部分桥跨上、下部结构之间存在明显的相对位移。分析认为可能出现，山体位移虽持续发展，但一段时间内仍将处于稳定变形阶段，可此时桥梁可能已经发生了落梁或者墩柱弯折垮塌。

根据滑坡的许多工程学例子，变形速率相较总变形量对斜坡变形而言是更为敏感的指标，但对稳定变形阶段的瓦厂坪斜坡而言，变形速率基本稳定，且随着上下边坡处置工程的开展，变形速率可能减缓。对于坐落其上的瓦厂坪1号大桥来说，斜坡水平位移和沉降总变形量更为重要。

根据对每日新增和已有裂缝变化情况及墩柱倾斜情况的人工监测结果与斜坡总变形量的大致对应关系，同时结合数值计算和桥下测斜钻孔的斜坡变形监测数据分析，将斜坡总变形量分解为水平方向和沉降方向，参考类似滑坡工程案例，初步设置了GNSS水平位移和沉降监测预警阈值，如表8所示。

2.2、墩柱及系梁裂缝宽度、梁板相对位移、墩柱倾斜监测阈值

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》 (JTG/T J21-2011 ) 墩柱容许最大缝宽为0.4mm，且不容许贯通墩台身截面的一半，而且由于瓦厂坪山区气候潮湿，缝宽要求应更严格一些。根据《公路工程质量检验评定标准第一册 土建工程》（JTG FS0/1-2017）墩柱竖直度允许偏差≤墩高‰，且不超过20mm。但桥梁应急特殊检测发现瓦厂坪1号大桥实际情况是墩柱及系梁已有多条裂缝宽度已超过规范要求，6-1~4#墩部分裂缝宽度超过5mm，6-1~2#墩系梁且贯通墩身截面的一半，5#和6#桥墩最大倾斜度超过15‰，多跨T梁也顺桥向移动超过100mm，搭在支座边缘。因此，分析认为瓦厂坪大桥开裂变形已远超相关规范的允许值，随时可能垮塌。为桥上桥下的加固维修工作带来了巨大安全隐患。

桥梁监测项目阈值设定通常采用模型计算值、监测项目现场实测值（加载试验实测值、平日运营实测值）、以及规范限值三个方面的数据，但对持续变形且随时可能垮塌的桥梁设定预警阈值的相关研究几乎为空白，无可参考案例。在现有开裂、变形的基础上，经数值计算和专家会商指导，参考《公路桥梁技术状况评定标准》、《公路工程质量检验评定标准》及类似工程案例；对墩柱及系梁裂缝宽度、梁板相对位移、墩柱倾斜的增量设置了蓝色、黄色、橙色、红色四级监测预警阈值，如表9所示。

根据各监测项目重要及敏感程度：裂缝＞梁板位移＞墩柱倾斜＞地表位移，同时结合桥梁支护加固情况，综合分析判断桥梁预警级别。

3、监测成果分析

3.1、墩柱及系梁裂缝宽度监测

监测发现随着桥梁支护加固工作的进行，各墩柱裂缝宽度有所缩小。尤其是2018年3月底锯缝解除瓦厂坪1号大桥各跨桥面连续后，由于桥面约束的解除，应力得到了释放，墩柱顺桥向受弯情况明显趋缓，部分裂缝宽度显著缩小。如开裂最为严重的墩柱之一6-3号墩柱在锯缝解除桥面连续后裂缝宽度缩小了近0.4mm，险情得到了明显缓解。由于各墩柱原长度和原本受力情况、裂缝宽度各不相同，裂缝宽度减小的程度也各不相同，但减小的趋势是基本一致的。监测过程中，由于桥下施工密集，对设备干扰较大，时常发出预警信号。通过对比同一根及相近墩柱的倾斜、梁板位移、GNSS监测数据波动情况及现场巡视排除了预警。

当桥墩三柱式钢管混凝土排架辅助支撑施工完成后，排架辅助支撑与原有墩柱共同支撑上部结构，原有墩柱受弯情况进一步减轻，导致裂缝宽度继续缓慢减小，但裂缝毕竟不可能完全愈合，宽度继续减小空间有限，到一定程度后，其宽度变化较轻微，短期来看下午裂缝宽度较小，夜间宽度较大；长期来看夏天裂缝宽度较小，冬天宽度又有所增大。分析认为裂缝宽度主要受温度、气候变化影响。

3.2、梁板相对位移监测

部分梁板相对位移监测点显示在2018年3月底到4月中旬，梁板位移超过20mm，达到蓝色甚至黄色预警值，与桥面锯缝接触连续，相应墩柱及系梁裂缝宽度变化时间吻合。综合研判后排除了预警。

当桥墩三柱式钢管混凝土排架辅助支撑施工完成后，多数梁板相对位移监测显示梁端间距每日轻微波动，年位移仅2mm。分析认为与墩柱及系梁裂缝宽度相似，同样主要受温度、气候变化影响。

3.3、墩柱倾斜监测

2018年3月底到4月初，双轴测斜仪数据显示多数墩柱顶部向上边坡及大里程伸缩缝抵死的方向倾斜，向大里程方向倾斜情况更严重，在2018年4月16日锯缝解除桥面连续后，多数墩柱受弯情况减缓，墩柱倾斜增大情况迅速减小，见图2。排架辅助支撑施工完成后各墩柱倾斜计日均变化很小。且顺桥向方向较支护完成前累计倾斜轻微缩小。

3.4、地表位移监测

2018年3月底～2018年8月，桥梁地基GNSS水平位移和沉降变形数据持续增大，均接近400mm，但同时期裂缝宽度、梁板位移、墩柱倾斜等监测项目显示桥梁整体安全性好转，同时结合桥梁及边坡支护加固工程进展情况，上下边坡整体性逐渐增强，变形相对稳定，发生突然滑塌的可能性较小。桥梁基础坐落在边坡上协同变形，如同“坐船”，综合分析，并经专家会商后调高了GNSS水平位移和沉降监测预警阈值，并不因为GNSS数据达到红色预警值而启动红色预警。

2018年8月后上边坡加固工程完工，GNSS桥梁地基位移明显趋缓，变形速率逐渐减小。2019年10月下边坡加固工程完工，之后变形速率较2019年进一步减小，水平、沉降变形均接近设备测量误差。

3.5、InSAR监测对比

回溯2017年底到2018年6月的卫星数据进行了分析，发现此区域在3月初桥梁险情被发现之前，山体确实已经存在明显变形。在图2中也可发现，A1~A6是变形区域选取的变形较大的点，多数变形曲线在3月有明显陡降，但2017年12月到2018年6月总体变形最大只有约80mm，其中3月底到6月初仅又30mm，这明显远小于GNSS所测变形。原因为使用的是日本ALOS-2（大地2号）SAR卫星低分辨率数据，现场植被茂盛，且未设置角反射器对卫星与地面观测进行检校。但对判断变形区域及趋势，以及明确边坡支护处置方案提供了重要的决策支持。

在此之后又使用欧洲的Sentinel-1（哨兵）SAR雷达遥感卫星的25景降轨方向低分辨率雷达影像，对瓦厂坪路段全长约15公里左右500米范围路段进行了整体InSAR时序地面形变监测与分析。最快形变速度达到280mm/y，属于高危快速形变活动。得出了道路周边形变趋势和沿卫星视线方向的大致速率。虽然与同时期GNSS测得400mm左右的变形仍然有一定差距，但对于瓦厂坪公路沿线边坡普查及变形区域及趋势起到了重要的借鉴和佐证作用。

3.6、串联关节式变形监测

瓦厂坪1号大桥6~7号桥墩“陆上浮桥”三柱临时钢管支撑后，为验证桥梁加固工效果，在瓦厂坪1号大桥6号墩三柱临时钢管立柱上部工字钢上设置了50节串联式关节变形监测装置。瓦厂坪1号大桥所在瓦厂坪地质变形体整体呈盆式沉降，三柱临时钢管支撑使其提高对整体沉降的适应能力，但单跨三柱临时钢管支撑相互之间以横撑、斜撑相互连接为一个整体。难以应对垂直于路线方向的地质体差异变形。因此50节（每节长1m）串联式关节变形监测装置以6号墩钢管立柱上部工字钢靠山侧为基准点，垂直于路线方向焊接在6号墩三柱临时钢管立柱上部工字钢上实时监测垂直于坡面和路线方向的桥面是否发生差异沉降。

串联式关节变形监测装置对变形体的变形现象进行持续观测，串联式关节变形监测装置，通过检测各节的重力场，可以计算出各段节长之间的弯曲角度θ，利用计算得到的弯曲角度和已知各节长度lm，每段节变形便可以完全确定出来，即θ×l，再对各节算数求和，可得到距离固定端点任意长度的变形量。

为防止串联式关节变形监测装置关节与关节之间不发生扭曲，将之诸节焊接在钢管立柱上部工字钢上。其中左右幅工字钢高度不一致，2节串联式关节变形监测装置倾斜安装，50节串联式关节变形监测装置，其中第1节在6-4号墩西昌方向靠山侧，25~26节在6-1号墩临空侧弯转180°至6-1号背面（成都侧），第50节在回到6-4号墩成都方向靠山侧。

从串联式关节变形监测的结果来看，从2018年9月至2019年6月10个月中，靠山侧的第1节和第50节变形较小在5~10mm，最外侧的22~27变形较大达到15~30mm节方，差异沉降为10~20mm，但每月变形速率较稳定，波动不大，这也与GNSS监测2018年9月之后坡体变形速率较小且稳定的趋势吻合。

4、预警

监测过程中，由于桥下施工密集，对设备干扰较大，时常发出预警信号。通过对比同一根及相近墩柱的裂缝、倾斜、梁板位移、GNSS监测数据综合分析，并及时开展人工巡视复查排除了误报，并对真正的险情进行了有效预警。

4.1、倾斜预警

2018年3月底， 6-1、6-2、6-3、7-1墩柱倾斜累计增量很快达到黄色预警阈值，加上前期人工测量的初始值，累计倾斜均超过20‰，但相近点位梁板相对位移和裂缝宽度变化却不明显。人工复测校核确认的同时还发现5号墩上方支座脱空，伸缩缝抵死，桥面隆起。综合分析认为山体变形带动桥梁下部持续向坡下移动，而上部结构受桥台限制已无位移空间，导致应力持续积聚，进一步发展将导致墩柱折断。情况紧急，遂启动了橙色预警。

根据监测数据，近专家论证，提前实施了锯缝解除桥面连续措施，积聚的应力得到了释放，险情得到有效遏制。

4.2、裂缝预警

2018年6月， 监测发现6-4号墩裂缝原本逐步缩小的裂缝宽度迅速扩大，突破了红色预警阈值，而且同一幅相邻的6-3号墩的裂缝及倾斜度也有相似的变化，但幅度较小，但其他相近的其他墩柱裂缝宽度、倾斜度及GNSS也无突变。迅速开展现场排查后发现有吊车在6-4号墩墩顶贴着护栏吊装排架辅助支撑所需的钢管立柱，且在吊车旁堆放有大量钢管立柱和其他建材。而6-4号墩上边坡一侧紧贴山体，下边坡一侧为施做钢管立柱承台，开挖较深，分析6-4号墩受侧向土压力较大，同时上部吊车和建材使6-4号墩受弯，导致裂缝迅速增大，持续发展将导致墩柱折断，立即启动了红色预警。

5、加固措施效果验证和健康监测

在陆续完成桥梁加固及上下边坡处置施工的过程中，监测发现桥梁变形情况明显趋缓，裂缝等病害减轻。经评估后，现有加固处置效果显著，不再改线重建，而是将加固工程作为永久治理工程一部分，继续开展其他桥墩辅助支撑及下边坡防护施工，节省了上亿资金并提前至少半年实现通车。

瓦厂坪大桥加固施工完工后，安全监测系统转为了健康监测系统的一部分，继续监测验证加固处置效果。通过持续监测发现各测点总体变化轻微。各墩柱受力由临时钢管支撑分担，受弯情况减缓。各墩柱及系梁裂缝宽度、倾斜计及梁板相对位移整体变化轻微。裂缝宽度每日轻微波动，与昼夜温度变化关联性较大。而GNSS各点水平方向平均变形接近设备测量误差，累计沉降变形小于20mm，山体变形速率明显减缓，总体变形及沉降逐步减缓，处置后桥梁处于风险可控状态。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，其特征在于，包括：

地质变形体识别；

地质变形体上的桥梁病害识别；

地质变形体上的桥梁重要性评价；

基于所述地质变形体识别、地质变形体上的桥梁病害识别、地质变形体上的桥梁重要性评价，进行桥梁结构运营安全监测必要性评价。

2.根据权利要求1所述的一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，其特征在于，所述的地质变形体包括既有地质变形体和潜在地质变形体。

3.根据权利要求2所述的一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，其特征在于，在地质变形体识别时，对孕育阶段的潜在地质变形体进行危险性评价，所述危险性评价是指：针对影响潜在地质变形体发生变形或已发生变形的地质变形体情况继续恶化的自然环境条件，分析其活动条件，确定其规模、发生可能性、危害范围，得到地质变形体危险程度等级。

4.根据权利要求1或3所述的一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，其特征在于，所述地质变形体上的桥梁病害识别的方法为：

通过开展桥梁检查并收集桥梁检查资料，主要针对桥梁基础和地基病害，结合地质变形体识别结果，重点核查地质变形体影响范围内的桥梁，确定桥梁是否受到地质变形灾害影响及受影响的程度，得到桥梁当前安全状态等级。

5.根据权利要求4所述的一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，其特征在于，所述地质变形体上的桥梁重要性评价包括：

结合人员伤亡、经济损失和环境影响等级判断标准估算直接经济损失等级；

基于桥梁损毁后绕行里程、绕行损失时间和应急管制通行限制估算间接经济损失等级；

根据所述直接经济损失等级和所述间接经济损失等级对桥梁重要程度进行划分。

6.根据权利要求5所述的一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，其特征在于，进行桥梁结构运营安全监测必要性评价时，通过地质变形体上的桥梁监测必要性评估指标评价桥梁监测的必要性，所述监测必要性评估指标包括暂不监测、可监测、宜监测、应监测。

7.根据权利要求1或6所述的一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述桥梁结构运营安全监测必要性评价结果对桥梁进行相应等级的安全监测，对桥梁进行相应等级的安全监测的步骤包括：

S1: 根据地质变形体危险性评价、桥梁受影响程度、地质变形体上桥梁病害识别、桥梁重要性程度，确定桥梁的监测级别和监测项目；

S2：根据S1中的监测项目的重要性及敏感程度，将所述监测项目进行排序，筛选出作为预警指标的监测项目；

S3:设定各预警指标的预警阈值，得到不同预警级别；

S4：根据S1中的监测级别，在所述地质变形体和/或桥梁上布设监测点，获得各监测点的监测项目数据随时间的变化情况，当所述预警指标的数值达到或超过所述预警阈值时，根据所述预警级别进行预警。

8.根据权利要求7所述的一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法，其特征在于，所述地质变形体识别包括地质调查、遥感调查、地面调查中的一种或多种。

9.使用权利要求1-8中任一项所述的地质变形体上病险桥梁监测需求评估方法的一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估系统，其特征在于，所述桥梁监测评估系统包括：

地质变形体监测系统，用于地质变形体的识别和评价，包括地质变形体识别单元和地质变形体评价单元；

桥梁安全评价系统，用于识别桥梁病害，评价桥梁安全状态级别；桥梁重要性评价系统，用于评价桥梁重要性；

控制中心，用于对所述地质变形体监测系统、桥梁安全评价系统、桥梁重要性评价系统的数据进行综合分析和处理，进行桥梁结构运营安全监测必要性评价。

10.根据权利要求9所述的一种地质变形体上病险桥梁监测需求评估系统，其特征在于，所述系统还包括：

感知单元，用于监测桥梁各监测点的数据，并传输至控制中心；预警单元，用于系统预警；

所述控制中心进行桥梁结构运营安全监测必要性评价，确定必要性监测评估指标、监测点和监测项目，在监测点布设感知单元，所述感知单元监测各监测点的数据变化，传输至所述控制中心，由所述控制中心对监测数据进行分析处理，控制所述预警单元预警。