■張恩廣 張 勇

（河南省公路工程局集團(tuán)有限公司，鄭州 450052）

橋梁工程在建設(shè)與施工過程中，存在較多的潛在危險因素，包括外界環(huán)境因素、人為因素、施工過程中由于工人不規(guī)范行為與操作誘發(fā)的因素，因此有必要對工程實施過程中的危險因素進(jìn)行獲取，并采用針對性分析的方式，定位危險源，為現(xiàn)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(yè)在市場發(fā)展中最新提出的施工方法，是指將工程施工作為一個系統(tǒng)化的整體， 在規(guī)定時間內(nèi)，按照一定的原則與施工標(biāo)準(zhǔn)，對整體進(jìn)行分解處理，將一個整體的工程劃分為多個子工程，再根據(jù)不同子工程之間的聯(lián)系性， 對其進(jìn)行施工對接[1]。 相比常規(guī)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(xiàn)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(jiān)測提出了新的挑戰(zhàn)， 傳統(tǒng)的監(jiān)測方法大多以施工周期與施工進(jìn)度作為基礎(chǔ)， 按照循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行工程管理。 但模塊化施工存在多點同步施工的行為， 監(jiān)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(xiàn)象不僅會導(dǎo)致工程施工質(zhì)量出現(xiàn)問題， 同時也十分容易誘發(fā)工程中一些潛在的危險源， 最終導(dǎo)致工程施工出現(xiàn)安全事故[2]。 因此，本研究將根據(jù)橋梁工程模塊化施工特點， 設(shè)計一種針對此工程施工的安全監(jiān)測方法， 以實現(xiàn)對工程的系統(tǒng)化與科學(xué)化管理。

1 橋梁工程模塊化施工安全監(jiān)測方法介紹

1.1 劃分橋梁工程施工作業(yè)模塊

考慮到橋梁工程的模塊化施工是一個動態(tài)組合的過程，不同的施工環(huán)節(jié)通過對接與增減的方式進(jìn)行施工作業(yè)，因此，需要在對其進(jìn)行監(jiān)測前，掌握橋梁工程模塊化施工的基礎(chǔ)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(xì)描述了模塊化施工的構(gòu)成，要實現(xiàn)針對此種工程的作業(yè)模塊分解， 需要從施工人員、工程信息、施工技術(shù)、作業(yè)環(huán)境、施工材料、施工設(shè)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(guān)聯(lián)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(xì)分為多個子模塊，分解內(nèi)容見表1。

基于施工內(nèi)容的工程模塊化安全管理劃分（表1），在上述提出的內(nèi)容中，施工人員管理區(qū)域的模塊化信息主要以固定格式文件的方式呈現(xiàn)；施工環(huán)境管理區(qū)域的模塊化信息需要根據(jù)工程實際與施工隊伍的現(xiàn)場運作再進(jìn)行設(shè)定，主要以平行化管理為主；施工現(xiàn)場設(shè)備與材料管理區(qū)域的模塊化信息應(yīng)結(jié)合工程實際需求再行設(shè)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(chǔ)化設(shè)定后，需要根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境與工程實際要求，進(jìn)行施工區(qū)域與作業(yè)內(nèi)容的詳細(xì)劃分。 在此過程中，需要考慮到橋梁工程的施工環(huán)境較為復(fù)雜、 工程施工技術(shù)較多、運輸施工物料的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)周期較長[3]。 因此，可以認(rèn)為橋梁工程具有施工難度大、施工管理環(huán)境惡劣等特點，為了確保針對此種工程施工作業(yè)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(xiàn)場作業(yè)管理進(jìn)行詳細(xì)的模塊歸類，見表2。

表2 劃分橋梁工程施工作業(yè)模塊

按照表2 中內(nèi)容，將橋梁工程施工作業(yè)劃分為7 個主要模塊， 并提出了針對不同施工作業(yè)模塊的監(jiān)測項目，以此種方式，確保工程施工管理工作的有序?qū)嵤?/p>

1.2 獲取橋梁結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

在完成橋梁工程施工作業(yè)模塊的劃分后，應(yīng)從工程施工安全性層面入手，并明確工程施工安全監(jiān)測的最終目的是實現(xiàn)現(xiàn)階段的安全施工。 為了落實此項工作，需要掌握橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中的幾何參數(shù)，并通過對不同結(jié)構(gòu)的受力分析與理想負(fù)載控制，提高工程施工安全性與施工成果的質(zhì)量性。 例如在工程施工過程中，通過協(xié)調(diào)橋梁支柱結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)（包括橋梁立面標(biāo)高與橋面位置等），降低此部分結(jié)構(gòu)在施工過程中實際位置與預(yù)計位置發(fā)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(xiàn)標(biāo)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(nèi)，需要有針對性地獲取結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，并通過結(jié)構(gòu)外形屬性，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何調(diào)整， 確保工程在竣工后即便發(fā)生部分形變，也可避免出現(xiàn)工程事故[4]。 要真實地滿足上文提出的內(nèi)容與工作需求，應(yīng)當(dāng)建立一個針對此工程的地面控制網(wǎng)，并設(shè)定橋梁工程的高程距離，在控制網(wǎng)內(nèi)布設(shè)3～8 個監(jiān)測點，以此種方式對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行初步獲取。 此種監(jiān)測方法區(qū)別于全站儀監(jiān)測方法，高程監(jiān)控網(wǎng)可以建立在一個距離施工現(xiàn)場較遠(yuǎn)的區(qū)域，通過全程施工數(shù)據(jù)的實時反饋，獲取一個較為真實的施工數(shù)據(jù)，并且由于控制網(wǎng)的構(gòu)建與施工現(xiàn)場較遠(yuǎn)，因此可以排除外界或施工現(xiàn)場一些危險因素或干擾源對監(jiān)測結(jié)果的影響。 在構(gòu)建監(jiān)測網(wǎng)過程中，可引進(jìn)幾何控制技術(shù)，以監(jiān)控橋體或部分結(jié)構(gòu)是否發(fā)生形變作為依據(jù)， 并在有需要的條件下，在監(jiān)測網(wǎng)上架設(shè)多個全站儀進(jìn)行輔助測量[5]。 在此過程中，可定義監(jiān)測網(wǎng)所處空間位置的高程高度為；觀測點距離目標(biāo)位置的高程距離表示為H1；基于遠(yuǎn)程角度監(jiān)測施工現(xiàn)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(biāo)高表示為i；對應(yīng)的目標(biāo)高度表示為0。在掌握相關(guān)參數(shù)后，可以輸出橋梁工程施工現(xiàn)場未知施工點的高程函數(shù)表達(dá)式：

在完成計算后，使用坐標(biāo)法，對橋梁工程施工現(xiàn)場水平位移進(jìn)行監(jiān)測， 再使用豎向監(jiān)測方式，對橋梁銜接端按照外部幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移計算，得到工程在施工過程中的外部結(jié)構(gòu)幾何位移量。 根據(jù)幾何位移量，可以計算得出固定點（儀器的空間標(biāo)高i）與監(jiān)測點之間的等高差值，根據(jù)計算結(jié)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(biāo)高位置不變，此時監(jiān)測點j的高程函數(shù)可表示為如下：

公式（2）中：Hj表示為監(jiān)測點的高程高度；Vj表示為對應(yīng)監(jiān)測區(qū)域的橋梁工程占地體積；Sj表示為基于監(jiān)測點的施工現(xiàn)場截面；hj表示為監(jiān)測點j 的高程高度。 在掌握橋梁工程監(jiān)測點的高程高度后，為了確保對橋梁結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)獲取的精確度，需要將遠(yuǎn)程監(jiān)測點與待測物體連接在一起，確保監(jiān)測端與觀測點具有較好的通視環(huán)境。 同時，當(dāng)遠(yuǎn)程端監(jiān)測人員在進(jìn)行參數(shù)獲取工作時，應(yīng)將所有的初始化數(shù)值測量次數(shù)控制在3 次以上[6]。 同時，要做好對監(jiān)測點的現(xiàn)場保護(hù)工作，有必要的情況下，可將監(jiān)測點埋設(shè)在距離施工區(qū)域較遠(yuǎn)的地區(qū)，避免監(jiān)測行為受到相關(guān)因素的影響。 根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境，計算針對同一個監(jiān)測點獲取多次數(shù)據(jù)的平均值，將計算結(jié)果記錄在表格中。 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)測量前，應(yīng)使用標(biāo)定的儀器設(shè)備對監(jiān)測點進(jìn)行校正，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

在安全監(jiān)測過程中，現(xiàn)場作業(yè)人員需要根據(jù)監(jiān)測行為的發(fā)生頻率，對現(xiàn)場工況、天氣情況及施工現(xiàn)場周邊的變化，進(jìn)行數(shù)據(jù)的多次整理與校正。 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何數(shù)據(jù)的分析與深度計算時，應(yīng)使用計算機設(shè)備作為輔助設(shè)備，參照橋梁工程的標(biāo)準(zhǔn)化理論模型，將計算結(jié)果進(jìn)行參數(shù)比較，并按照自適應(yīng)控制方法進(jìn)行結(jié)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(fā)生形變或收縮的幾何屬性參數(shù)等，根據(jù)不同施工階段橋梁截面應(yīng)力的變化，進(jìn)行內(nèi)力分布的同步測試，根據(jù)測試結(jié)果對立模與原定的標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，得到橋梁工程在受力狀態(tài)下、負(fù)載狀態(tài)下、常規(guī)非受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)幾何變化參數(shù)。

1.3 基于GPS 技術(shù)的橋梁工程關(guān)鍵部位形變監(jiān)測

進(jìn)一步引進(jìn)GPS 技術(shù)對橋梁工程關(guān)鍵部位形變進(jìn)行監(jiān)測。 在監(jiān)測過程中，使用全站儀進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與核心區(qū)域形變與位移數(shù)據(jù)的獲取，并利用其精準(zhǔn)定點與目標(biāo)追蹤能力，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的一體化測量[8]。 同時，將GPS 技術(shù)與全站儀進(jìn)行集成后，可以利用全站儀中的傳感器設(shè)備，進(jìn)行拱肋線形結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測， 根據(jù)其應(yīng)力變化趨勢，判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生形變，此過程可參照圖2 流程。

圖2 橋梁工程一體化監(jiān)測流程

按照上述方法進(jìn)行橋梁工程關(guān)鍵部位的變形監(jiān)測，在監(jiān)測過程中，需要根據(jù)工程規(guī)模與工程實施概況，在區(qū)域內(nèi)布設(shè)監(jiān)測點，根據(jù)監(jiān)測點的不同位置，進(jìn)行拱腳變形監(jiān)測、截面應(yīng)力監(jiān)測、系梁應(yīng)力監(jiān)測，根據(jù)施工過程中的結(jié)構(gòu)合理承載范圍，繪制針對橋梁結(jié)構(gòu)的三維坐標(biāo)體系。 在完成對相關(guān)數(shù)據(jù)的初步獲取后，使用GPS 技術(shù)對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位追蹤，由于此項技術(shù)的定位精準(zhǔn)度可以高達(dá)毫米級別，因此可將其與衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行匹配，確保最終監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)精度更高。 在完成數(shù)據(jù)監(jiān)測后，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)與監(jiān)測點風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行對接，掌握不同數(shù)據(jù)對應(yīng)的風(fēng)險等級，以此作為判斷監(jiān)測結(jié)果與橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的依據(jù)。 例如土方開挖區(qū)域發(fā)生施工安全風(fēng)險的等級為“一級（最高等級）”； 事故發(fā)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(fēng)險等級、橋梁主體結(jié)構(gòu)裂縫施工安全風(fēng)險等級、 位移形變施工安全風(fēng)險等級。 將所有結(jié)構(gòu)的最終監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式后整理成文件，將進(jìn)行封裝處理，完成橋梁工程模塊化施工的安全監(jiān)測。

2 監(jiān)測方法應(yīng)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(jiān)測方法，為了進(jìn)一步驗證該方法的實際應(yīng)用效果，選擇以某地區(qū)高鐵當(dāng)中的鋼桁梁大橋建設(shè)項目作為依托，針對該項目引入本研究監(jiān)測方法。該橋梁工程項目全長為523 m，采用雙線橋結(jié)構(gòu)。 依據(jù)橋梁工程模塊化施工拼接方式，將整個橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中分為了8 個邊跨節(jié)間，16 個中跨節(jié)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(dāng)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(shè)安全需要的監(jiān)測方法。因此，引入本研究上述提出的監(jiān)測方法針對該項目施工全程進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測點位置選擇

監(jiān)測點的選擇直接關(guān)系到本研究監(jiān)測方法的應(yīng)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(jiān)測流程內(nèi)容對監(jiān)測點位置進(jìn)行確定。

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

圖3 橋梁工程項目監(jiān)測點位置示意圖

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

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

公式（3）中，Ymax表示為監(jiān)測方法計算得出的撓度結(jié)果；q 表示為橋梁施工過程中均布線荷載標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值；E 表示為橋梁鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量，在本研究工程項目當(dāng)中E 的取值為210 000 N/mm2，C 表示為橋梁界面慣矩。 根據(jù)上述公式，計算得出本研究監(jiān)測方法的撓度值，將其與撓度實際值進(jìn)行對比，見表3。

從表3 可知，監(jiān)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(nèi)，計算結(jié)果的精度符合施工安全監(jiān)測的精度需要。 因此，通過將本研究提出的監(jiān)測方法應(yīng)用于實際進(jìn)一步證明該方法的優(yōu)勢。

表3 監(jiān)測方法撓度計算值與實測值對比

3 結(jié)語

從劃分橋梁工程施工作業(yè)模塊、獲取橋梁結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、 橋梁工程關(guān)鍵部位形變監(jiān)測3 個方面，對橋梁工程模塊化施工安全監(jiān)測方法展開設(shè)計研究，并在完成對此方法的設(shè)計后，通過將此方法應(yīng)用到工程實例的方式，對此方法進(jìn)行了驗證，證明本研究設(shè)計的監(jiān)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(nèi)，計算結(jié)果的精度符合施工安全監(jiān)測的精度需要。 因此，認(rèn)為此方法可應(yīng)用到工程施工監(jiān)測中，能進(jìn)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(zhì)量達(dá)標(biāo)要求。