桥梁工程模块化施工的安全监测方法探讨与应用

■张恩广 张 勇

（河南省公路工程局集团有限公司，郑州 450052）

桥梁工程在建设与施工过程中，存在较多的潜在危险因素，包括外界环境因素、人为因素、施工过程中由于工人不规范行为与操作诱发的因素，因此有必要对工程实施过程中的危险因素进行获取，并采用针对性分析的方式，定位危险源，为现场施工人员排除施工安全隐患。 模块化施工是我国建筑行业在市场发展中最新提出的施工方法，是指将工程施工作为一个系统化的整体， 在规定时间内，按照一定的原则与施工标准，对整体进行分解处理，将一个整体的工程划分为多个子工程，再根据不同子工程之间的联系性， 对其进行施工对接[1]。 相比常规的施工方法，模块化施工方法具有更高的施工效率， 可以实现工程信息在不同施工队伍中的有效交互。 但该施工方法的实施也对工程施工安全监测提出了新的挑战， 传统的监测方法大多以施工周期与施工进度作为基础， 按照循序渐进的方式进行工程管理。 但模块化施工存在多点同步施工的行为， 监测方极易在管理其中一个模块时，便忽视了另一个模块的工程。 此种现象不仅会导致工程施工质量出现问题， 同时也十分容易诱发工程中一些潜在的危险源， 最终导致工程施工出现安全事故[2]。 因此，本研究将根据桥梁工程模块化施工特点， 设计一种针对此工程施工的安全监测方法， 以实现对工程的系统化与科学化管理。

1 桥梁工程模块化施工安全监测方法介绍

1.1 划分桥梁工程施工作业模块

考虑到桥梁工程的模块化施工是一个动态组合的过程，不同的施工环节通过对接与增减的方式进行施工作业，因此，需要在对其进行监测前，掌握桥梁工程模块化施工的基础拼接方式，见图1。

图1 桥梁工程模块化施工拼接方式

图1 详细描述了模块化施工的构成，要实现针对此种工程的作业模块分解， 需要从施工人员、工程信息、施工技术、作业环境、施工材料、施工设备、施工安全管理对象等多个层面考虑，综合不同模块中施工对象的关联性，以此种方式将一个完整的桥梁工程划分成多个主模块，对照主模块将其细分为多个子模块，分解内容见表1。

基于施工内容的工程模块化安全管理划分（表1），在上述提出的内容中，施工人员管理区域的模块化信息主要以固定格式文件的方式呈现；施工环境管理区域的模块化信息需要根据工程实际与施工队伍的现场运作再进行设定，主要以平行化管理为主；施工现场设备与材料管理区域的模块化信息应结合工程实际需求再行设计。

表1 桥梁工程模块化施工分解项目

在完成对桥梁工程的基础化设定后，需要根据现场施工环境与工程实际要求，进行施工区域与作业内容的详细划分。 在此过程中，需要考虑到桥梁工程的施工环境较为复杂、 工程施工技术较多、运输施工物料的中转环节周期较长[3]。 因此，可以认为桥梁工程具有施工难度大、施工管理环境恶劣等特点，为了确保针对此种工程施工作业模块的有序划分，可参照“5S”管理方式，按照施工的层级顺序，对施工现场作业管理进行详细的模块归类，见表2。

表2 划分桥梁工程施工作业模块

按照表2 中内容，将桥梁工程施工作业划分为7 个主要模块， 并提出了针对不同施工作业模块的监测项目，以此种方式，确保工程施工管理工作的有序实施。

1.2 获取桥梁结构几何参数

在完成桥梁工程施工作业模块的划分后，应从工程施工安全性层面入手，并明确工程施工安全监测的最终目的是实现现阶段的安全施工。 为了落实此项工作，需要掌握桥梁结构在设计过程中的几何参数，并通过对不同结构的受力分析与理想负载控制，提高工程施工安全性与施工成果的质量性。 例如在工程施工过程中，通过协调桥梁支柱结构的几何结构（包括桥梁立面标高与桥面位置等），降低此部分结构在施工过程中实际位置与预计位置发生偏离的概率。

桥梁工程在实际施工中，受到外界因素的干扰过大，因此施工行为也极易受到此种影响而出现标线偏离或表面形变。 为了使工程施工误差与桥梁形变控制在一个可控范围内，需要有针对性地获取结构几何参数，并通过结构外形属性，对整体结构进行几何调整， 确保工程在竣工后即便发生部分形变，也可避免出现工程事故[4]。 要真实地满足上文提出的内容与工作需求，应当建立一个针对此工程的地面控制网，并设定桥梁工程的高程距离，在控制网内布设3～8 个监测点，以此种方式对结构参数进行初步获取。 此种监测方法区别于全站仪监测方法，高程监控网可以建立在一个距离施工现场较远的区域，通过全程施工数据的实时反馈，获取一个较为真实的施工数据，并且由于控制网的构建与施工现场较远，因此可以排除外界或施工现场一些危险因素或干扰源对监测结果的影响。 在构建监测网过程中，可引进几何控制技术，以监控桥体或部分结构是否发生形变作为依据， 并在有需要的条件下，在监测网上架设多个全站仪进行辅助测量[5]。 在此过程中，可定义监测网所处空间位置的高程高度为；观测点距离目标位置的高程距离表示为H1；基于远程角度监测施工现场的截面表示为S； 桥梁工程占地体积表示为V1；仪器的空间标高表示为i；对应的目标高度表示为0。在掌握相关参数后，可以输出桥梁工程施工现场未知施工点的高程函数表达式：

在完成计算后，使用坐标法，对桥梁工程施工现场水平位移进行监测， 再使用竖向监测方式，对桥梁衔接端按照外部几何结构进行位移计算，得到工程在施工过程中的外部结构几何位移量。 根据几何位移量，可以计算得出固定点（仪器的空间标高i）与监测点之间的等高差值，根据计算结果，可输出桥梁工程在施工过程中的高程形变量hj。 在计算过程中，保持仪器的空间标高位置不变，此时监测点j的高程函数可表示为如下：

公式（2）中：Hj表示为监测点的高程高度；Vj表示为对应监测区域的桥梁工程占地体积；Sj表示为基于监测点的施工现场截面；hj表示为监测点j 的高程高度。 在掌握桥梁工程监测点的高程高度后，为了确保对桥梁结构几何参数获取的精确度，需要将远程监测点与待测物体连接在一起，确保监测端与观测点具有较好的通视环境。 同时，当远程端监测人员在进行参数获取工作时，应将所有的初始化数值测量次数控制在3 次以上[6]。 同时，要做好对监测点的现场保护工作，有必要的情况下，可将监测点埋设在距离施工区域较远的地区，避免监测行为受到相关因素的影响。 根据现场施工环境，计算针对同一个监测点获取多次数据的平均值，将计算结果记录在表格中。 在进行结构几何参数测量前，应使用标定的仪器设备对监测点进行校正，确保监测数据的连续性。

在安全监测过程中，现场作业人员需要根据监测行为的发生频率，对现场工况、天气情况及施工现场周边的变化，进行数据的多次整理与校正。 在进行结构几何数据的分析与深度计算时，应使用计算机设备作为辅助设备，参照桥梁工程的标准化理论模型，将计算结果进行参数比较，并按照自适应控制方法进行结果的识别与修正[7]，包括不同建筑施工材料容重的识别、弹性模量发生形变或收缩的几何属性参数等，根据不同施工阶段桥梁截面应力的变化，进行内力分布的同步测试，根据测试结果对立模与原定的标高进行调整，得到桥梁工程在受力状态下、负载状态下、常规非受力状态下的结构几何变化参数。

1.3 基于GPS 技术的桥梁工程关键部位形变监测

进一步引进GPS 技术对桥梁工程关键部位形变进行监测。 在监测过程中，使用全站仪进行关键结构与核心区域形变与位移数据的获取，并利用其精准定点与目标追踪能力，进行桥梁结构的一体化测量[8]。 同时，将GPS 技术与全站仪进行集成后，可以利用全站仪中的传感器设备，进行拱肋线形结构中混凝土结构应力的监测， 根据其应力变化趋势，判断结构是否发生形变，此过程可参照图2 流程。

图2 桥梁工程一体化监测流程

按照上述方法进行桥梁工程关键部位的变形监测，在监测过程中，需要根据工程规模与工程实施概况，在区域内布设监测点，根据监测点的不同位置，进行拱脚变形监测、截面应力监测、系梁应力监测，根据施工过程中的结构合理承载范围，绘制针对桥梁结构的三维坐标体系。 在完成对相关数据的初步获取后，使用GPS 技术对获取的数据进行定位追踪，由于此项技术的定位精准度可以高达毫米级别，因此可将其与卫星监测系统进行匹配，确保最终监测得到的数据精度更高。 在完成数据监测后，将对应的数据与监测点风险等级标准内容进行对接，掌握不同数据对应的风险等级，以此作为判断监测结果与桥梁结构稳定性的依据。 例如土方开挖区域发生施工安全风险的等级为“一级（最高等级）”； 事故发生后损失度为3.0 （损失度范围为0～10.0，10.0 为最高）。按照此种方式，依次得到桥梁底部基坑潜水的施工安全风险等级、桥梁主体结构裂缝施工安全风险等级、 位移形变施工安全风险等级。 将所有结构的最终监测数据统一格式后整理成文件，将进行封装处理，完成桥梁工程模块化施工的安全监测。

2 监测方法应用效果分析

2.1 工程概况

通过上文论述，提出一种全新的针对桥梁工程的模块化安全监测方法，为了进一步验证该方法的实际应用效果，选择以某地区高铁当中的钢桁梁大桥建设项目作为依托，针对该项目引入本研究监测方法。该桥梁工程项目全长为523 m，采用双线桥结构。 依据桥梁工程模块化施工拼接方式，将整个桥梁结构当中分为了8 个边跨节间，16 个中跨节间，桁高为14.3 m，桁宽为13.4 m，斜腹杆倾斜角度为52.3°，该桥梁的跨度在相同类型桥梁当中居于首位，并且施工难度较大， 因此需要一种更加符合该桥梁建设安全需要的监测方法。因此，引入本研究上述提出的监测方法针对该项目施工全程进行监测。

2.2 监测点位置选择

监测点的选择直接关系到本研究监测方法的应用效果，考虑到该桥梁工程项目的特殊性，按照图2 桥梁工程一体化监测流程内容对监测点位置进行确定。

依据输出桥梁工程施工现场未知施工点的高程函数表达式，首先在桥梁结构中的导梁前段重点位置设置一个监测点1， 为方便对桥梁施工过程中的挠度进行测量，在挠度变化最大的位置上设置一个监测点2。 由于在监测过程中无法对导梁前段变化情况进行观测，因此将监测点强制归心墩选择在桥梁的北侧设置一个观测点3 和观测点4。 同时为了解决导梁中心点与视线之间的矛盾，在计算过程中，依据监测点j 的高程函数表达式，将监测点平移到导梁北侧的钢桁梁外侧，设置观测点5 和观测点6，详见图3。

图3 桥梁工程项目监测点位置示意图

2.3 监测结果分析

完成对监测点的设置后，对监测得到的挠度计算值进行记录， 并将其与挠度实测值进行对比，以此验证本研究监测方法的准确性。 在监测过程中，通过本研究监测方法获取到的数据，对挠度进行计算的公式为：

公式（3）中，Ymax表示为监测方法计算得出的挠度结果；q 表示为桥梁施工过程中均布线荷载标准数值；E 表示为桥梁钢结构的弹性模量，在本研究工程项目当中E 的取值为210 000 N/mm2，C 表示为桥梁界面惯矩。 根据上述公式，计算得出本研究监测方法的挠度值，将其与挠度实际值进行对比，见表3。

从表3 可知，监测方法挠度计算值与挠度实测值之间的偏差均在0～0.05 mm 范围以内，计算结果的精度符合施工安全监测的精度需要。 因此，通过将本研究提出的监测方法应用于实际进一步证明该方法的优势。

表3 监测方法挠度计算值与实测值对比

3 结语

从划分桥梁工程施工作业模块、获取桥梁结构几何参数、 桥梁工程关键部位形变监测3 个方面，对桥梁工程模块化施工安全监测方法展开设计研究，并在完成对此方法的设计后，通过将此方法应用到工程实例的方式，对此方法进行了验证，证明本研究设计的监测方法挠度计算值与挠度实测值之间的偏差均在0～0.05 mm 范围以内，计算结果的精度符合施工安全监测的精度需要。 因此，认为此方法可应用到工程施工监测中，能进一步提高桥梁工程施工水平，保证工程在完成施工后，可满足市政工程质量达标要求。