地鐵工程高大模板實時監(jiān)測技術的應用

住房和城鄉(xiāng)建設部文件，《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》明確指出，高大模板支撐系統(tǒng)是指建設工程施工現(xiàn)場混凝土構件模板支撐高度超過8 m，或搭設跨度超過18 m，或施工總荷載＞15 kN/㎡，或集中線荷載＞20 kN/m的模板支撐系統(tǒng)。據(jù)有關部門數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2018年全國共發(fā)生房屋、市政工程生產(chǎn)安全事故734起、死亡840人，其中較大及以上事故22起、死亡87人，模板支撐體系坍塌事故10起，占事故總數(shù)的45.5%，高居各類事故之首[1]。因此，住房和城鄉(xiāng)建設部相繼頒布了一系列文件，明確要求在混凝土澆筑過程中應組織專業(yè)監(jiān)測人員對高大模板支撐系統(tǒng)進行全面監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)支撐系統(tǒng)有較大變形等情況，必須立即停止施工，同時緊急撤離施工人員并采取相應的控制措施，避免安全事故發(fā)生或事態(tài)惡化，造成經(jīng)濟財產(chǎn)損失、人員傷亡及不良社會影響[2]。傳統(tǒng)高大模板監(jiān)測僅僅利用全站儀、水準儀等常規(guī)光學儀器在支架體系的外側(cè)進行，存在監(jiān)測項目單一、監(jiān)測精度和監(jiān)測頻率不能滿足要求等問題。隨著測繪技術的發(fā)展，高大模板實時監(jiān)測技術具有監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測參數(shù)全面、操作簡單、降低監(jiān)測作業(yè)勞動強度、適應環(huán)境性強等優(yōu)點，實時監(jiān)測能夠有效地反映高大模板體系的變形，極大地避免了高大模板垮塌事故的發(fā)生[3]。

1 監(jiān)測必要性

通過對預壓及混凝土澆筑過程中的高大模板支撐系統(tǒng)進行全面實時的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化指導施工，及時調(diào)整預壓及混凝土澆筑方案，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過控制值時，及時通知現(xiàn)場作業(yè)人員停止作業(yè)、迅速撤離現(xiàn)場，預防和杜絕支架坍塌事故的發(fā)生[4]。此外，將監(jiān)測結果用于優(yōu)化設計，為設計提供更符合工程實際情況的數(shù)據(jù)依據(jù)，通過對現(xiàn)場監(jiān)測結果進行分析、研究，可以對不安全的情況加以局部的修改、補充和完善。因此在混凝土澆筑過程中對高大模板的實時監(jiān)測是十分必要的。

2 監(jiān)測方法

2.1 事故發(fā)生機理

高大模板在混凝土荷載作用下產(chǎn)生過大變形或過大位移，導致支架體系鋼構件失效，或系統(tǒng)局部或整體失穩(wěn)，從而發(fā)生高大模板支撐系統(tǒng)局部垮塌或整體性傾覆，造成施工作業(yè)人員傷亡和其他安全質(zhì)量事故。

2.2 監(jiān)測項目及設備

針對高大模板支架體系特點和現(xiàn)場實際情況，監(jiān)測項目一般包括桿件傾角、水平位移、模板沉降、立桿軸力等四個參數(shù)。見表1。

表1 高大模板監(jiān)測項目

高大模板實時監(jiān)測系統(tǒng)包含位移傳感器、軸力傳感器、傾角傳感器、聲光報警器、監(jiān)測主機、數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。

高大模板監(jiān)測設備應注意：設備的系統(tǒng)性，傳感器類型齊全，采集主機集成；設備在檢定周期內(nèi)；設備精度，報警值的1/10；安全作業(yè)，作業(yè)點應在工程預計垮塌范圍以外且能預防高空墜物，防雨、防雷、防火。

2.3 監(jiān)測周期及頻率

高大模板的監(jiān)測周期為預壓開始到結束及混凝土澆筑開始到混凝土初凝后2 h，高大模板監(jiān)測頻率在預壓及混凝土澆筑過程中，按1 s/次的監(jiān)測頻率進行采集數(shù)據(jù)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時性和有效性。監(jiān)測成果報告數(shù)據(jù)選取適當延長，數(shù)據(jù)變化平緩的時段采用10 min/次的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)變化較大的時段成果數(shù)據(jù)頻率適當增加，充分反映數(shù)據(jù)變化情況。

2.4 監(jiān)測過程

1）混凝土澆筑前：組織人員進行設備安裝、設備調(diào)試、初始值采集。

2）混凝土澆筑中：實時進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結果反饋并安排專人進行現(xiàn)場巡查。

3）混凝土澆筑完成：現(xiàn)場排查、拆除監(jiān)測元件、整理數(shù)據(jù)、編制監(jiān)測報告。

2.5 人工巡視

巡視檢查以人工目測檢查為主，同時輔助其他工器具及攝像、攝影等設備。高大模板工程巡視檢查包括：降雨情況、風力風級；澆筑施工，澆筑順序，施工荷載分布情況；監(jiān)測設施，監(jiān)測設備、預警設備運行狀況，有無特殊情況造成采集終端破壞等現(xiàn)象，監(jiān)測數(shù)據(jù)接收是否正常，有無數(shù)據(jù)連接中斷情況；支撐體系，查看支撐體系和模板是否有彎曲變形較大情況發(fā)生；肉眼觀察地面是否有沉陷、裂縫等異常現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)異常情況，及時向參建各方單位通報并做好記錄。

3 工程實例

3.1 工程概況

廣州市軌道交通工程某盾構區(qū)間中間風井長87 m、標準段寬25.54 m、盾構端頭井段寬32.1 m，基坑深約33 m，地下三層、雙柱三跨矩形框架結構，采用明挖法施工。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容及頻率

中間風井頂板混凝土澆筑高大模板，支撐系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容見表2，監(jiān)測點位見圖1。

表2 中間風井監(jiān)測內(nèi)容

圖1 中間風井頂板高支模監(jiān)測布點

3.3 監(jiān)測點布設

1）桿件傾角：將傾角采集終端通過扣件固定于桿件頂部，當高度過大時應考慮豎向方向增加測點布設，測點布設應牢固穩(wěn)定。

2）水平位移：將激光標靶固定于支撐體系頂部，調(diào)整激光發(fā)射器保證激光打在標靶中心，然后固定牢固。

3）模板沉降：將位移傳感器固定于頂托下橫桿上，拉出位移傳感器鋼絲，通過測釘與鋼絲線（變形量較小的鋼絲線）將測點固定于模板下方。

4）立桿軸力：將軸力計放置于頂托與鋼梁之間，然后扭緊頂托使監(jiān)測點牢固穩(wěn)定。

3.4 監(jiān)測情況

1）監(jiān)測時間：2019-03-26（11：14）— 2019-03-27（7：23）。

2）監(jiān)測儀器設備：高大模板智能無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（LRK-DS602/LRK-FN50）。儀器精度：±0.03 mm/0.5%F.S。

3.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

選取典型特征點46#終端監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制變形曲線，見圖2。

圖2 46#監(jiān)測點數(shù)據(jù)

由圖2可知，高大模板工程監(jiān)測變形存在以下幾個特點。

1）階梯性：立桿傾角、水平位移、模板沉降、立桿軸力監(jiān)測項目數(shù)據(jù)隨著混凝土澆筑施工進度，呈現(xiàn)明顯的階梯變化且各階梯階段變化數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。

2）急變性：各階梯相比于階梯階段的穩(wěn)定時常，存在“急劇變化階段”，階段時常一般為10～30 min；通常為混凝土澆筑階段。

3）相關性：隨施工進度的推進，各參數(shù)之間對應變化關聯(lián)性較好。桿件傾角發(fā)生變化，則水平桿必然發(fā)生水平位移；模板沉降發(fā)生變化，則立桿軸力必然變化。

4）粗差性：由于監(jiān)測傳感器安裝不當或信號遮擋，存在部分監(jiān)測數(shù)據(jù)無規(guī)律變化或者各參數(shù)數(shù)據(jù)之間變化關聯(lián)性不大的情況。對此監(jiān)測人員在數(shù)據(jù)分析時應做出適當?shù)呐袛嗪吞蕹?/p>

5）本次監(jiān)測各項數(shù)據(jù)正常，累計變化量均未超過報警值，高大模板工程安全可控。

3.6 監(jiān)測注意事項

1)施工前做好監(jiān)測點布設。

2）監(jiān)測點需布設在結構受力薄弱部位且保證監(jiān)測點的均勻性，布設完成后必須反復檢查確認穩(wěn)定、牢固。

3）監(jiān)測點的布設要避開模板接縫處，防止接縫處漏漿導致采集終端損壞。

4）監(jiān)測點完成安裝后進行儀器調(diào)試，如發(fā)現(xiàn)無法連接的采集終端要及時排除原因，保證所有采集終端都能連接到信號。

5）監(jiān)測過程中要保證接收端儀器供電的連續(xù)性，做好特殊天氣的應對措施。

6）高大模板監(jiān)測以獲取實時自動化采集數(shù)據(jù)為主，現(xiàn)場目測巡查為輔。

4 存在問題探討

4.1 專業(yè)規(guī)范

目前，缺少專門能夠?qū)Τ鞘熊壍澜煌ㄐ袠I(yè)高大模板實時監(jiān)測做出具體指導和技術要求的高大模板工程實時監(jiān)測規(guī)范，高大模板工程實時監(jiān)測方案編制和實施僅能從相關行業(yè)規(guī)范里查閱技術要求。如JGJ 300—2013《建筑施工臨時支撐結構技術規(guī)范》對內(nèi)力和水平位移監(jiān)測指標限值做了簡要要求，內(nèi)力限值為設計計算值，速率限值為近三次讀數(shù)平均值的1.5倍；水平位移限值為H/300（H為支撐結構高度），速率限值為近三次讀數(shù)平均值的1.5倍；JGJ/T 181—2009《房屋建筑與市政基礎設施工程檢測分類標準》對基礎沉降、支撐沉降、支架位移等參數(shù)做了簡要描述，但未給出明確指標；僅有的規(guī)范給出的參考報警值不盡合理，不盡詳細。

4.2 控制值

1）監(jiān)測規(guī)范和設計圖紙不給出詳細監(jiān)測參數(shù)控制值或僅僅給出部分監(jiān)測報警值，如水平位移、沉降并且所給出報警值不盡合理，幾乎所有水平位移報警值均為8～10 mm，沉降6～8mm。忽略參數(shù)之間的相互關系，在支模高度較大時，明顯不合理，如地鐵高架區(qū)間高大支模支架高度在20～30 m，根據(jù)水平位移報警值與支模高度呈線性相關（H/300）的關系，則水平位移報警值達66～100 mm，明顯與工程要求和實際監(jiān)測結果不符[5]。

以支架水平位移與支架沉降為例進行討論，支架水平位移與支架沉降相對關系見圖3。

圖3 支架沉降與支架水平位移關系

假定支架立桿為剛體，支架繞O點進行轉(zhuǎn)動，從A點至B點；其中OA=OB=L,∠AOB=α，推得：∠ABC=β=90°-∠BAC=90°-（180-α）/2=α/2；支架水平位移BC=L×sinα；支架沉降AC=BC×tanβ=L×sinα×tan（α/2）；則有AC/BC=tan（α/2）。

從公式推導出，支架沉降和支架水平位移控制值均與立桿旋轉(zhuǎn)角度有關。

2）支撐軸力報警值不明確。根據(jù)相關技術規(guī)范說明，作用于支撐結構的荷載可分為永久荷載與可變荷載。永久荷載包括被支撐的結構自重、支撐結構自重、其他材料自重，可變荷載包括施工荷載、風荷載、泵送混凝土和不均勻堆載等因素產(chǎn)生的附加水平荷載。現(xiàn)有的測量方法無法測量立桿實際承受荷載；軸力值實為施工中的荷載累計變化量，與實際承載力不相符，所以無法按規(guī)范要求以設計值作為報警值。

4.3 政策實施

住房和城鄉(xiāng)建設部相繼出臺了系列文件，明確指出：需對高大模板工程施工方案進行專家論證、同時要求對高大模板進行監(jiān)測。雖然目前已有部分城市，如廣州等開始實施實時自動化監(jiān)測工作；但是在絕大多數(shù)城市高大模板工程施工時無論是設計單位，還是監(jiān)測單位，實施仍然只是流于形式，建設管理部門及安全監(jiān)管部門未引起足夠重視。

5 結論

1）高大模板事故發(fā)生往往是由于荷載超載、支架變形失穩(wěn)、基礎沉降失穩(wěn)造成的。實時監(jiān)測可以較好地針對高大模板工程特點提供及時有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)預防安全事故發(fā)生。

2）針對高大模板工程監(jiān)測數(shù)據(jù)特點，采用階梯性分級預警，急變性高頻監(jiān)控及速率預警，相關性綜合考量、組合預警，粗差性全面判斷的工作方式進行。

3）應委托有監(jiān)測能力的第三方監(jiān)測單位進行監(jiān)測，同時專家論證高大模板施工方案時應重點審查監(jiān)測內(nèi)容。

4）應出臺專門的高大模板實時監(jiān)測政策文件和國家技術規(guī)范，為高大模板工程實時監(jiān)測工作開展實施落地提供強有力的政策支撐和科學技術依據(jù)。

5）應繼續(xù)加大高大模板支撐體系理論體系的研究，加大監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測傳感器的研發(fā)，保證實時監(jiān)測系統(tǒng)性能更優(yōu)，減少復雜多變現(xiàn)場環(huán)境的干擾。