橋梁工程模塊化施工的安全監測方法探討與應用

■張恩廣 張 勇

（河南省公路工程局集團有限公司，鄭州 450052）

橋梁工程在建設與施工過程中，存在較多的潛在危險因素，包括外界環境因素、人為因素、施工過程中由于工人不規范行為與操作誘發的因素，因此有必要對工程實施過程中的危險因素進行獲取，并采用針對性分析的方式，定位危險源，為現場施工人員排除施工安全隱患。 模塊化施工是我國建筑行業在市場發展中最新提出的施工方法，是指將工程施工作為一個系統化的整體， 在規定時間內，按照一定的原則與施工標準，對整體進行分解處理，將一個整體的工程劃分為多個子工程，再根據不同子工程之間的聯系性， 對其進行施工對接[1]。 相比常規的施工方法，模塊化施工方法具有更高的施工效率， 可以實現工程信息在不同施工隊伍中的有效交互。 但該施工方法的實施也對工程施工安全監測提出了新的挑戰， 傳統的監測方法大多以施工周期與施工進度作為基礎， 按照循序漸進的方式進行工程管理。 但模塊化施工存在多點同步施工的行為， 監測方極易在管理其中一個模塊時，便忽視了另一個模塊的工程。 此種現象不僅會導致工程施工質量出現問題， 同時也十分容易誘發工程中一些潛在的危險源， 最終導致工程施工出現安全事故[2]。 因此，本研究將根據橋梁工程模塊化施工特點， 設計一種針對此工程施工的安全監測方法， 以實現對工程的系統化與科學化管理。

1 橋梁工程模塊化施工安全監測方法介紹

1.1 劃分橋梁工程施工作業模塊

考慮到橋梁工程的模塊化施工是一個動態組合的過程，不同的施工環節通過對接與增減的方式進行施工作業，因此，需要在對其進行監測前，掌握橋梁工程模塊化施工的基礎拼接方式，見圖1。

圖1 橋梁工程模塊化施工拼接方式

圖1 詳細描述了模塊化施工的構成，要實現針對此種工程的作業模塊分解， 需要從施工人員、工程信息、施工技術、作業環境、施工材料、施工設備、施工安全管理對象等多個層面考慮，綜合不同模塊中施工對象的關聯性，以此種方式將一個完整的橋梁工程劃分成多個主模塊，對照主模塊將其細分為多個子模塊，分解內容見表1。

基于施工內容的工程模塊化安全管理劃分（表1），在上述提出的內容中，施工人員管理區域的模塊化信息主要以固定格式文件的方式呈現；施工環境管理區域的模塊化信息需要根據工程實際與施工隊伍的現場運作再進行設定，主要以平行化管理為主；施工現場設備與材料管理區域的模塊化信息應結合工程實際需求再行設計。

表1 橋梁工程模塊化施工分解項目

在完成對橋梁工程的基礎化設定后，需要根據現場施工環境與工程實際要求，進行施工區域與作業內容的詳細劃分。 在此過程中，需要考慮到橋梁工程的施工環境較為復雜、 工程施工技術較多、運輸施工物料的中轉環節周期較長[3]。 因此，可以認為橋梁工程具有施工難度大、施工管理環境惡劣等特點，為了確保針對此種工程施工作業模塊的有序劃分，可參照“5S”管理方式，按照施工的層級順序，對施工現場作業管理進行詳細的模塊歸類，見表2。

表2 劃分橋梁工程施工作業模塊

按照表2 中內容，將橋梁工程施工作業劃分為7 個主要模塊， 并提出了針對不同施工作業模塊的監測項目，以此種方式，確保工程施工管理工作的有序實施。

1.2 獲取橋梁結構幾何參數

在完成橋梁工程施工作業模塊的劃分后，應從工程施工安全性層面入手，并明確工程施工安全監測的最終目的是實現現階段的安全施工。 為了落實此項工作，需要掌握橋梁結構在設計過程中的幾何參數，并通過對不同結構的受力分析與理想負載控制，提高工程施工安全性與施工成果的質量性。 例如在工程施工過程中，通過協調橋梁支柱結構的幾何結構（包括橋梁立面標高與橋面位置等），降低此部分結構在施工過程中實際位置與預計位置發生偏離的概率。

橋梁工程在實際施工中，受到外界因素的干擾過大，因此施工行為也極易受到此種影響而出現標線偏離或表面形變。 為了使工程施工誤差與橋梁形變控制在一個可控范圍內，需要有針對性地獲取結構幾何參數，并通過結構外形屬性，對整體結構進行幾何調整， 確保工程在竣工后即便發生部分形變，也可避免出現工程事故[4]。 要真實地滿足上文提出的內容與工作需求，應當建立一個針對此工程的地面控制網，并設定橋梁工程的高程距離，在控制網內布設3～8 個監測點，以此種方式對結構參數進行初步獲取。 此種監測方法區別于全站儀監測方法，高程監控網可以建立在一個距離施工現場較遠的區域，通過全程施工數據的實時反饋，獲取一個較為真實的施工數據，并且由于控制網的構建與施工現場較遠，因此可以排除外界或施工現場一些危險因素或干擾源對監測結果的影響。 在構建監測網過程中，可引進幾何控制技術，以監控橋體或部分結構是否發生形變作為依據， 并在有需要的條件下，在監測網上架設多個全站儀進行輔助測量[5]。 在此過程中，可定義監測網所處空間位置的高程高度為；觀測點距離目標位置的高程距離表示為H1；基于遠程角度監測施工現場的截面表示為S； 橋梁工程占地體積表示為V1；儀器的空間標高表示為i；對應的目標高度表示為0。在掌握相關參數后，可以輸出橋梁工程施工現場未知施工點的高程函數表達式：

在完成計算后，使用坐標法，對橋梁工程施工現場水平位移進行監測， 再使用豎向監測方式，對橋梁銜接端按照外部幾何結構進行位移計算，得到工程在施工過程中的外部結構幾何位移量。 根據幾何位移量，可以計算得出固定點（儀器的空間標高i）與監測點之間的等高差值，根據計算結果，可輸出橋梁工程在施工過程中的高程形變量hj。 在計算過程中，保持儀器的空間標高位置不變，此時監測點j的高程函數可表示為如下：

公式（2）中：Hj表示為監測點的高程高度；Vj表示為對應監測區域的橋梁工程占地體積；Sj表示為基于監測點的施工現場截面；hj表示為監測點j 的高程高度。 在掌握橋梁工程監測點的高程高度后，為了確保對橋梁結構幾何參數獲取的精確度，需要將遠程監測點與待測物體連接在一起，確保監測端與觀測點具有較好的通視環境。 同時，當遠程端監測人員在進行參數獲取工作時，應將所有的初始化數值測量次數控制在3 次以上[6]。 同時，要做好對監測點的現場保護工作，有必要的情況下，可將監測點埋設在距離施工區域較遠的地區，避免監測行為受到相關因素的影響。 根據現場施工環境，計算針對同一個監測點獲取多次數據的平均值，將計算結果記錄在表格中。 在進行結構幾何參數測量前，應使用標定的儀器設備對監測點進行校正，確保監測數據的連續性。

在安全監測過程中，現場作業人員需要根據監測行為的發生頻率，對現場工況、天氣情況及施工現場周邊的變化，進行數據的多次整理與校正。 在進行結構幾何數據的分析與深度計算時，應使用計算機設備作為輔助設備，參照橋梁工程的標準化理論模型，將計算結果進行參數比較，并按照自適應控制方法進行結果的識別與修正[7]，包括不同建筑施工材料容重的識別、彈性模量發生形變或收縮的幾何屬性參數等，根據不同施工階段橋梁截面應力的變化，進行內力分布的同步測試，根據測試結果對立模與原定的標高進行調整，得到橋梁工程在受力狀態下、負載狀態下、常規非受力狀態下的結構幾何變化參數。

1.3 基于GPS 技術的橋梁工程關鍵部位形變監測

進一步引進GPS 技術對橋梁工程關鍵部位形變進行監測。 在監測過程中，使用全站儀進行關鍵結構與核心區域形變與位移數據的獲取，并利用其精準定點與目標追蹤能力，進行橋梁結構的一體化測量[8]。 同時，將GPS 技術與全站儀進行集成后，可以利用全站儀中的傳感器設備，進行拱肋線形結構中混凝土結構應力的監測， 根據其應力變化趨勢，判斷結構是否發生形變，此過程可參照圖2 流程。

圖2 橋梁工程一體化監測流程

按照上述方法進行橋梁工程關鍵部位的變形監測，在監測過程中，需要根據工程規模與工程實施概況，在區域內布設監測點，根據監測點的不同位置，進行拱腳變形監測、截面應力監測、系梁應力監測，根據施工過程中的結構合理承載范圍，繪制針對橋梁結構的三維坐標體系。 在完成對相關數據的初步獲取后，使用GPS 技術對獲取的數據進行定位追蹤，由于此項技術的定位精準度可以高達毫米級別，因此可將其與衛星監測系統進行匹配，確保最終監測得到的數據精度更高。 在完成數據監測后，將對應的數據與監測點風險等級標準內容進行對接，掌握不同數據對應的風險等級，以此作為判斷監測結果與橋梁結構穩定性的依據。 例如土方開挖區域發生施工安全風險的等級為“一級（最高等級）”； 事故發生后損失度為3.0 （損失度范圍為0～10.0，10.0 為最高）。按照此種方式，依次得到橋梁底部基坑潛水的施工安全風險等級、橋梁主體結構裂縫施工安全風險等級、 位移形變施工安全風險等級。 將所有結構的最終監測數據統一格式后整理成文件，將進行封裝處理，完成橋梁工程模塊化施工的安全監測。

2 監測方法應用效果分析

2.1 工程概況

通過上文論述，提出一種全新的針對橋梁工程的模塊化安全監測方法，為了進一步驗證該方法的實際應用效果，選擇以某地區高鐵當中的鋼桁梁大橋建設項目作為依托，針對該項目引入本研究監測方法。該橋梁工程項目全長為523 m，采用雙線橋結構。 依據橋梁工程模塊化施工拼接方式，將整個橋梁結構當中分為了8 個邊跨節間，16 個中跨節間，桁高為14.3 m，桁寬為13.4 m，斜腹桿傾斜角度為52.3°，該橋梁的跨度在相同類型橋梁當中居于首位，并且施工難度較大， 因此需要一種更加符合該橋梁建設安全需要的監測方法。因此，引入本研究上述提出的監測方法針對該項目施工全程進行監測。

2.2 監測點位置選擇

監測點的選擇直接關系到本研究監測方法的應用效果，考慮到該橋梁工程項目的特殊性，按照圖2 橋梁工程一體化監測流程內容對監測點位置進行確定。

依據輸出橋梁工程施工現場未知施工點的高程函數表達式，首先在橋梁結構中的導梁前段重點位置設置一個監測點1， 為方便對橋梁施工過程中的撓度進行測量，在撓度變化最大的位置上設置一個監測點2。 由于在監測過程中無法對導梁前段變化情況進行觀測，因此將監測點強制歸心墩選擇在橋梁的北側設置一個觀測點3 和觀測點4。 同時為了解決導梁中心點與視線之間的矛盾，在計算過程中，依據監測點j 的高程函數表達式，將監測點平移到導梁北側的鋼桁梁外側，設置觀測點5 和觀測點6，詳見圖3。

圖3 橋梁工程項目監測點位置示意圖

2.3 監測結果分析

完成對監測點的設置后，對監測得到的撓度計算值進行記錄， 并將其與撓度實測值進行對比，以此驗證本研究監測方法的準確性。 在監測過程中，通過本研究監測方法獲取到的數據，對撓度進行計算的公式為：

公式（3）中，Ymax表示為監測方法計算得出的撓度結果；q 表示為橋梁施工過程中均布線荷載標準數值；E 表示為橋梁鋼結構的彈性模量，在本研究工程項目當中E 的取值為210 000 N/mm2，C 表示為橋梁界面慣矩。 根據上述公式，計算得出本研究監測方法的撓度值，將其與撓度實際值進行對比，見表3。

從表3 可知，監測方法撓度計算值與撓度實測值之間的偏差均在0～0.05 mm 范圍以內，計算結果的精度符合施工安全監測的精度需要。 因此，通過將本研究提出的監測方法應用于實際進一步證明該方法的優勢。

表3 監測方法撓度計算值與實測值對比

3 結語

從劃分橋梁工程施工作業模塊、獲取橋梁結構幾何參數、 橋梁工程關鍵部位形變監測3 個方面，對橋梁工程模塊化施工安全監測方法展開設計研究，并在完成對此方法的設計后，通過將此方法應用到工程實例的方式，對此方法進行了驗證，證明本研究設計的監測方法撓度計算值與撓度實測值之間的偏差均在0～0.05 mm 范圍以內，計算結果的精度符合施工安全監測的精度需要。 因此，認為此方法可應用到工程施工監測中，能進一步提高橋梁工程施工水平，保證工程在完成施工后，可滿足市政工程質量達標要求。