图1 腊八斤特大桥
近年来国内外公路桥梁频发结构坍塌事故，除造成巨大的生命财产损失外，也产生了非常恶劣的社会影响。如：2018年8月14日位于意大利热那亚A10高速公路的莫兰迪大桥垮塌造成43人死亡；2019年10月1日台湾宜兰大桥垮塌造成6人死亡；同年10月10日无锡市312国道上跨锡港路高架桥倾覆导致3人死亡。上述灾难发生的直接原因或归咎于桥梁年久失修，或因疏于检查评估，或由于严重超载所致，但究其本质均可归纳为桥梁运营荷载超过其实际承载能力所致。这也是从古至今桥梁工程技术发展始终必须面对的主要矛盾，即：如何在运营荷载和承载能力之间，在经济和安全两端达成平衡。然而在我国西部艰险山区，公路桥梁安全运营所面临的主要风险，除了上述运营荷载与结构抗力之间的矛盾外，还要面对复杂恶劣的地质地形和水文气候条件带来的灾害风险。在某些情况下，后者比前者发生的概率更高，所造成的损失更大。
山区桥梁面对的灾害威胁
以四川省为例，四川盆地位于中国大陆地势三大阶梯中的第二级，即长江中下游平原向第一级青藏高原爬升的过渡地带，西北向接青藏高原，南连云贵高原，东邻重庆山岭重丘。随着西部地区经济的发展及高等级公路的延伸，特别是高速公路由城市向西部山区延伸，需要穿越青藏高原东缘和横断山脉，且多次穿越四川龙门山断裂带、鲜水河断裂带、安宁河断裂带构成的“Y”字形三大活动断裂带。桥位区域地震烈度高、地层岩性和地形条件复杂，且在地震频发区极易造成泥石流、滑坡等次生地质灾害。四川境内河流众多，山区河流的流量和流速大、输沙能力强，造成河床急剧下切，对跨河及顺河桥梁造成冲刷及磨蚀等安全风险。另外，随着水电资源开发，库区的水位调度往往诱发库岸再造及滑坡，给临库公路桥梁的运营安全带来影响。
图2 四川省公路建设向西发展的总体地势
综上所述，四川省内公路桥梁的建设运营条件具有以下显著特点：
1. 地质构造复杂，地震烈度高；
2. 地形起伏巨大，地质灾害频发；
3. 水系发达，库区密布，季节性水患频发。
受上述条件限制，山区公路线路走廊常沿着深切峡谷地形展线，导致公路桥梁或傍崇山峻岭，或跨沟谷河流。根据近20年来公路桥梁灾害调研结果，四川省公路桥梁面临的安全风险中排序靠前的分别是：地震、洪水、滑坡、崩塌落石、泥石流。相关典型案例可参见图3~图4。与桥梁结构性能退化和车辆超载相比，上述灾害风险对桥构成更大的威胁。
图3 洪水冲刷作用对桥梁结构及其桩基承载能力构成威胁
图4 泥石流致都汶高速板子沟中桥损毁
桥梁风险管理的新趋势
强化风险辨识 细化分析评估
工程技术的飞速进步使山区高等级公路中桥梁占总里程比例大幅提高，雅康高速、汶马高速等工程中桥梁占总里程比例均接近30%。而且由于地质地形和水文气候条件复杂多变，桥梁工程与隧道工程、不良地质处治工程、边坡防护工程等相互交接、相互影响，多种灾害和安全风险因素相互耦合，使工程结构安全风险辨识和分析评估变得必不可少，且需求范围和内涵有别于传统的工程安全风险评价。在以下三个维度上提出了更高的要求：（1）在空间跨度和专业跨度上不应局限于单位工程或桥梁专业领域，而应把风险辨识范围扩大到路段内所有相关工程及相关专业的全要素分析评估；（2）在时间跨度上不应局限于工程建设期的预评价和后期评价，而是贯穿整个公路建设、运营、维养的全寿命周期；（3）在分析深度上不应满足于定性分析，还应对风险概率和损失进行定量分析和评估，以作为制定安全风险管理策略和技术方案的基础。
图5 瓦石窝大桥BIM+GIS模型
以G4216线沿江高速新市至金阳段瓦石窝大桥为例，该桥为一孔主跨95米的下承式钢管混凝土拱桥，上跨约200米深的V形河谷，两岸桥头直接隧道洞口，工程场地抗震设防类别为A类，抗震设防烈度为8度。经初步辨识的工程结构安全风险因素耦合情况见表1。
人工检测与自动监测的结合
长期以来桥梁结构安全和技术状况，依靠定期检测和日常巡查为主的人工检查手段，主要受限于以下两种情况：
（1）检查间隔期长、辅助成本高，无法及时预警和响应突发安全事件；
（2）检查结论偏于主观和表面，缺乏有效的实测数据支撑。
另一方面，桥梁健康监测技术虽可有效解决上述问题，但由于受制于以下障碍而难以广泛应用：
（1）健康监测指标覆盖面广，系统建设的一次性投入过高；
（2）监测设备的使用寿命与桥梁结构设计使用寿命错配，导致长期监测目标无法实现；
（3）对实时采集的海量数据，缺乏有效且可靠的分析评估方法和技术，弱化了支持桥梁运营管养的决策。
近20年来的大量工程实践表明，唯有在对工程结构安全风险进行充分辨识分析的基础上，将人工检查和自动监测两种技术手段相结合，发挥各自优势、互补短板，有效融合人工检查成果和实时监测数据进行综合分析评估，形成安全预警与应急响应联动机制、安全评估与管养决策的支持机制，并保持该机制长期持续有效运行，才能推动桥梁结构安全风险管理技术的普及和推广应用。
风险防控机制的升级
预警与响应的联动机制
自动化监测的主要目的是在安全事故发生前及时预警，从而触发桥梁管养单位的应急响应机制，有效防控及避免灾难或减轻灾难损失。《公路桥梁养护管理工作制度》规定：“桥梁经营管理者应制定以预防和处置桥梁坍塌事故为重点的突发事件应急预案，针对特大、特殊结构和特别重要的桥梁还应单独制定应急预案。”但调研发现，实际应用中由于缺乏监测技术手段或专业知识及经验，在响应过程中管养单位与桥梁安全监测系统及监测技术机构的互动与配合机制也不完善，所启动的应急预案往往是事故发生后的被动处置模式。为此，笔者在《四川省营运高速公路桥梁结构安全风险监测技术指南》编制过程中，对安全预警与应急响应的责任分工和联动机制进行了研究和规范，分别如表2和图6所示。
图6 应急响应流程及联动机制框图
管养决策支持的综合互补机制
在现行《公路桥梁养护管理工作制度》中，制定桥梁养护管理计划和措施的唯一依据，是人工检查评定的桥梁技术状况等级。按照本文的桥梁结构安全风险管理策略，桥梁养护管理决策的依据不应来源于单一渠道，而应为基于人工检查成果和自动监测数据互补综合分析的决策机制，如表3所示。
产业链模式的变革
自从1990年代桥梁健康监测理念和技术传入我国，二十年来大量的技术进步主要集中于传感设备、数据采集和传输、系统集成技术领域，客观上造成了产业链重心前移到以设备厂商和系统集成商为代表的上游端，产业模式以交付监测系统或产品为核心，相对忽视了系统后期运维、数据分析评估、预警与应急响应、评估与决策支持等服务的重要性。越来越多的项目实践经验和教训表明，目前这种模式无法保障监测系统持续正常运行，也无法为桥梁管养单位有效地防控安全风险，因而不具有可持续性。为适应上述新需求和新机制，必然要求“以服务为导向和核心”的新产业模式，逐渐取代“以产品为导向”的现有产业链模式，即：以公路交通行业内具有技术能力和专业优势的专业技术机构为核心，通过牵头联合或外委采购等方式，组织软硬件系统供应商，为桥梁经营管理者提供从监测系统设计，到系统建设、运维、预警及应急响应、评估及决策支持的全生命周期技术服务。
图7 以服务为导向的工程结构安全监测产业链模式
前沿监测技术的进展
以下几种与本文所述山区公路桥梁结构安全风险管理的新需求、新机制和新模式契合度高，且发展潜力巨大的技术热点，值得大家关注。
1. 基于INSAR、LIDAR等机载雷达测量技术的空天地一体化监测体系
以人造卫星或地面轨道车辆为载具的合成孔径雷达干涉测量技术（INSAR），以及以飞机为载具的激光雷达探测技术（LIDAR），可广泛应用于山区公路带状区域内不良地质和特殊路基变形和位移的反演分析和监测预警。特别是INSAR技术，以人造卫星为载具的测绘成果，由于其具有覆盖范围广和可反演追溯的特性，可作为全路段筛选监测工点和制定监测方案的依据；若以地面轨道车辆为载具，则可直接应用于边坡和特殊路基的变形监测预警。
图8 INSAR反演分析成果用于公路沿线不良地质筛查
2. 基于无源传感和低功耗无线通讯的野外免维护监测技术和装备
西部山区公路大多需要穿越人迹罕至的无人区，区域内无电源供应、无有线光纤网络覆盖，且大量监测点位处于陡坡危岩或高墩大跨的桥梁结构上，安装和维护的人力和措施成本很高。基于光能、振动能量及热能转换技术，低功耗能量管理技术和无线通讯技术研发的免维护传感器和网关设备可有效解决上述困难，保障监测系统长期稳定运行。
图9 基于无源传感和低功耗无线通讯的监测技术
3. 基于GIS+BIM的工程结构数字孪生技术实现多源异构数据融合为在桥梁等工程结构全寿命周期内提供安全风险管理技术服务,需要建立桥梁信息化技术档案，以便存储、融合和挖掘从设计、施工、交验、运营、检测、监测、养护、维修等多源异构的全要素技术信息。以GIS+BIM为底层数字平台的桥梁工程结构数字孪生技术，是目前实现工程结构全寿命周期多源异构数据融合的最有前途的技术途径。
图10 基于GIS+BIM 的桥梁工程结构数字孪生建模技术
4. 基于大数据分析和人工智能的工程结构安全预警评估技术与传感、通讯和系统集成技术的飞速发展相比,对实测数据和桥梁模型的分析、预警和评估理论和算法,近二十年来并未取得突破性进步,特别是传统的基于数学或力学模型的损伤识别和安全评估理论及方法,在复杂结构体系的大型桥梁工程上的应用效果,尚不能满足工程实际需求。随着大数据分析和人工智能算法在其他技术领域的应用研究不断取得进步,“机器视觉”“深度学习”等也逐渐成为桥梁工程健康监测领域进行损伤识别、安全预警和状态评估的热点。“他山之石,能否攻玉”？让我们拭目以待。
本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志 2020年 第2期 总第10期
作者 / 吴涤
作者单位 / 四川省公路规划勘测设计研究院有限公司
(文章来源52监测网，本文转载自桥梁杂志，仅用来学习及交流，侵权删）
