圖1 臘八斤特大橋
近年來國內外公路橋梁頻發結構坍塌事故，除造成巨大的生命財產損失外，也產生了非常惡劣的社會影響。如：2018年8月14日位于意大利熱那亞A10高速公路的莫蘭迪大橋垮塌造成43人死亡；2019年10月1日臺灣宜蘭大橋垮塌造成6人死亡；同年10月10日無錫市312國道上跨錫港路高架橋傾覆導致3人死亡。上述災難發生的直接原因或歸咎于橋梁年久失修，或因疏于檢查評估，或由于嚴重超載所致，但究其本質均可歸納為橋梁運營荷載超過其實際承載能力所致。這也是從古至今橋梁工程技術發展始終必須面對的主要矛盾，即：如何在運營荷載和承載能力之間，在經濟和安全兩端達成平衡。然而在我國西部艱險山區，公路橋梁安全運營所面臨的主要風險，除了上述運營荷載與結構抗力之間的矛盾外，還要面對復雜惡劣的地質地形和水文氣候條件帶來的災害風險。在某些情況下，后者比前者發生的概率更高，所造成的損失更大。
山區橋梁面對的災害威脅
以四川省為例，四川盆地位于中國大陸地勢三大階梯中的第二級，即長江中下游平原向第一級青藏高原爬升的過渡地帶，西北向接青藏高原，南連云貴高原，東鄰重慶山嶺重丘。隨著西部地區經濟的發展及高等級公路的延伸，特別是高速公路由城市向西部山區延伸，需要穿越青藏高原東緣和橫斷山脈，且多次穿越四川龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶構成的“Y”字形三大活動斷裂帶。橋位區域地震烈度高、地層巖性和地形條件復雜，且在地震頻發區極易造成泥石流、滑坡等次生地質災害。四川境內河流眾多，山區河流的流量和流速大、輸沙能力強，造成河床急劇下切，對跨河及順河橋梁造成沖刷及磨蝕等安全風險。另外，隨著水電資源開發，庫區的水位調度往往誘發庫岸再造及滑坡，給臨庫公路橋梁的運營安全帶來影響。
圖2 四川省公路建設向西發展的總體地勢
綜上所述，四川省內公路橋梁的建設運營條件具有以下顯著特點：
1. 地質構造復雜，地震烈度高；
2. 地形起伏巨大，地質災害頻發；
3. 水系發達，庫區密布，季節性水患頻發。
受上述條件限制，山區公路線路走廊常沿著深切峽谷地形展線，導致公路橋梁或傍崇山峻嶺，或跨溝谷河流。根據近20年來公路橋梁災害調研結果，四川省公路橋梁面臨的安全風險中排序靠前的分別是：地震、洪水、滑坡、崩塌落石、泥石流。相關典型案例可參見圖3~圖4。與橋梁結構性能退化和車輛超載相比，上述災害風險對橋構成更大的威脅。
圖3 洪水沖刷作用對橋梁結構及其樁基承載能力構成威脅
圖4 泥石流致都汶高速板子溝中橋損毀
橋梁風險管理的新趨勢
強化風險辨識 細化分析評估
工程技術的飛速進步使山區高等級公路中橋梁占總里程比例大幅提高，雅康高速、汶馬高速等工程中橋梁占總里程比例均接近30%。而且由于地質地形和水文氣候條件復雜多變，橋梁工程與隧道工程、不良地質處治工程、邊坡防護工程等相互交接、相互影響，多種災害和安全風險因素相互耦合，使工程結構安全風險辨識和分析評估變得必不可少，且需求范圍和內涵有別于傳統的工程安全風險評價。在以下三個維度上提出了更高的要求：（1）在空間跨度和專業跨度上不應局限于單位工程或橋梁專業領域，而應把風險辨識范圍擴大到路段內所有相關工程及相關專業的全要素分析評估；（2）在時間跨度上不應局限于工程建設期的預評價和后期評價，而是貫穿整個公路建設、運營、維養的全壽命周期；（3）在分析深度上不應滿足于定性分析，還應對風險概率和損失進行定量分析和評估，以作為制定安全風險管理策略和技術方案的基礎。
圖5 瓦石窩大橋BIM+GIS模型
以G4216線沿江高速新市至金陽段瓦石窩大橋為例，該橋為一孔主跨95米的下承式鋼管混凝土拱橋，上跨約200米深的V形河谷，兩岸橋頭直接隧道洞口，工程場地抗震設防類別為A類，抗震設防烈度為8度。經初步辨識的工程結構安全風險因素耦合情況見表1。
人工檢測與自動監測的結合
長期以來橋梁結構安全和技術狀況，依靠定期檢測和日常巡查為主的人工檢查手段，主要受限于以下兩種情況：
（1）檢查間隔期長、輔助成本高，無法及時預警和響應突發安全事件；
（2）檢查結論偏于主觀和表面，缺乏有效的實測數據支撐。
另一方面，橋梁健康監測技術雖可有效解決上述問題，但由于受制于以下障礙而難以廣泛應用：
（1）健康監測指標覆蓋面廣，系統建設的一次性投入過高；
（2）監測設備的使用壽命與橋梁結構設計使用壽命錯配，導致長期監測目標無法實現；
（3）對實時采集的海量數據，缺乏有效且可靠的分析評估方法和技術，弱化了支持橋梁運營管養的決策。
近20年來的大量工程實踐表明，唯有在對工程結構安全風險進行充分辨識分析的基礎上，將人工檢查和自動監測兩種技術手段相結合，發揮各自優勢、互補短板，有效融合人工檢查成果和實時監測數據進行綜合分析評估，形成安全預警與應急響應聯動機制、安全評估與管養決策的支持機制，并保持該機制長期持續有效運行，才能推動橋梁結構安全風險管理技術的普及和推廣應用。
風險防控機制的升級
預警與響應的聯動機制
自動化監測的主要目的是在安全事故發生前及時預警，從而觸發橋梁管養單位的應急響應機制，有效防控及避免災難或減輕災難損失。《公路橋梁養護管理工作制度》規定：“橋梁經營管理者應制定以預防和處置橋梁坍塌事故為重點的突發事件應急預案，針對特大、特殊結構和特別重要的橋梁還應單獨制定應急預案。”但調研發現，實際應用中由于缺乏監測技術手段或專業知識及經驗，在響應過程中管養單位與橋梁安全監測系統及監測技術機構的互動與配合機制也不完善，所啟動的應急預案往往是事故發生后的被動處置模式。為此，筆者在《四川省營運高速公路橋梁結構安全風險監測技術指南》編制過程中，對安全預警與應急響應的責任分工和聯動機制進行了研究和規范，分別如表2和圖6所示。
圖6 應急響應流程及聯動機制框圖
管養決策支持的綜合互補機制
在現行《公路橋梁養護管理工作制度》中，制定橋梁養護管理計劃和措施的唯一依據，是人工檢查評定的橋梁技術狀況等級。按照本文的橋梁結構安全風險管理策略，橋梁養護管理決策的依據不應來源于單一渠道，而應為基于人工檢查成果和自動監測數據互補綜合分析的決策機制，如表3所示。
產業鏈模式的變革
自從1990年代橋梁健康監測理念和技術傳入我國，二十年來大量的技術進步主要集中于傳感設備、數據采集和傳輸、系統集成技術領域，客觀上造成了產業鏈重心前移到以設備廠商和系統集成商為代表的上游端，產業模式以交付監測系統或產品為核心，相對忽視了系統后期運維、數據分析評估、預警與應急響應、評估與決策支持等服務的重要性。越來越多的項目實踐經驗和教訓表明，目前這種模式無法保障監測系統持續正常運行，也無法為橋梁管養單位有效地防控安全風險，因而不具有可持續性。為適應上述新需求和新機制，必然要求“以服務為導向和核心”的新產業模式，逐漸取代“以產品為導向”的現有產業鏈模式，即：以公路交通行業內具有技術能力和專業優勢的專業技術機構為核心，通過牽頭聯合或外委采購等方式，組織軟硬件系統供應商，為橋梁經營管理者提供從監測系統設計，到系統建設、運維、預警及應急響應、評估及決策支持的全生命周期技術服務。
圖7 以服務為導向的工程結構安全監測產業鏈模式
前沿監測技術的進展
以下幾種與本文所述山區公路橋梁結構安全風險管理的新需求、新機制和新模式契合度高，且發展潛力巨大的技術熱點，值得大家關注。
1. 基于INSAR、LIDAR等機載雷達測量技術的空天地一體化監測體系
以人造衛星或地面軌道車輛為載具的合成孔徑雷達干涉測量技術（INSAR），以及以飛機為載具的激光雷達探測技術（LIDAR），可廣泛應用于山區公路帶狀區域內不良地質和特殊路基變形和位移的反演分析和監測預警。特別是INSAR技術，以人造衛星為載具的測繪成果，由于其具有覆蓋范圍廣和可反演追溯的特性，可作為全路段篩選監測工點和制定監測方案的依據；若以地面軌道車輛為載具，則可直接應用于邊坡和特殊路基的變形監測預警。
圖8 INSAR反演分析成果用于公路沿線不良地質篩查
2. 基于無源傳感和低功耗無線通訊的野外免維護監測技術和裝備
西部山區公路大多需要穿越人跡罕至的無人區，區域內無電源供應、無有線光纖網絡覆蓋，且大量監測點位處于陡坡危巖或高墩大跨的橋梁結構上，安裝和維護的人力和措施成本很高。基于光能、振動能量及熱能轉換技術，低功耗能量管理技術和無線通訊技術研發的免維護傳感器和網關設備可有效解決上述困難，保障監測系統長期穩定運行。
圖9 基于無源傳感和低功耗無線通訊的監測技術
3. 基于GIS+BIM的工程結構數字孿生技術實現多源異構數據融合為在橋梁等工程結構全壽命周期內提供安全風險管理技術服務,需要建立橋梁信息化技術檔案，以便存儲、融合和挖掘從設計、施工、交驗、運營、檢測、監測、養護、維修等多源異構的全要素技術信息。以GIS+BIM為底層數字平臺的橋梁工程結構數字孿生技術，是目前實現工程結構全壽命周期多源異構數據融合的最有前途的技術途徑。
圖10 基于GIS+BIM 的橋梁工程結構數字孿生建模技術
4. 基于大數據分析和人工智能的工程結構安全預警評估技術與傳感、通訊和系統集成技術的飛速發展相比,對實測數據和橋梁模型的分析、預警和評估理論和算法,近二十年來并未取得突破性進步,特別是傳統的基于數學或力學模型的損傷識別和安全評估理論及方法,在復雜結構體系的大型橋梁工程上的應用效果,尚不能滿足工程實際需求。隨著大數據分析和人工智能算法在其他技術領域的應用研究不斷取得進步,“機器視覺”“深度學習”等也逐漸成為橋梁工程健康監測領域進行損傷識別、安全預警和狀態評估的熱點。“他山之石,能否攻玉”？讓我們拭目以待。
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜志 2020年 第2期 總第10期
作者 / 吳滌
作者單位 / 四川省公路規劃勘測設計研究院有限公司
(文章來源52監測網，本文轉載自橋梁雜志，僅用來學習及交流，侵權刪）
