高排架智能監測系統的研制與應用

鄧 正 楷， 鄧 樹 密， 鄧 歡

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

高排架在邊坡施工中被廣泛使用。常用的滿堂支架主要有門式支架和碗扣式支架。高排架坍塌事故的發生具有突然性，從出現危險征兆到事故發生通常只有數分鐘時間，加之其本身具有的高空間、大跨度等特點，導致高支模安全事故一旦發生往往會造成重大人員傷亡和巨大的經濟損失。在高排架監測研究方面，朵潤民等[1]對高速公路匝道高支模體系進行了預壓實時監測，能夠對支撐體系進行全過程、全方位的監測；樊冬冬[2]針對傳統高支模架體變形的監測，探索了變形監測技術在高支模施工中的應用。筆者基于LoRa技術和4G技術，構建了適用于高排架的無線監測系統。該系統采用鋼弦應變傳感器和拉線位移傳感器，能夠有效地獲取高排架施工期間的排架立桿壓力和水平位移的動態變化數據，進而實現了對高排架的在線監測。筆者以古瓦水電站為例，對該系統的研究與應用過程介紹于后。

古瓦水電站位于四川省甘孜藏族自治州鄉城縣境內，是碩曲河干流鄉城、得榮段“一庫六級”梯級開發方案中的“龍頭水庫”電站。2017年10月15日，該電站首部樞紐進水口邊坡因自然災害發生了大規模的崩塌滑坡破壞，滑坡范圍為底部順河流長度方向底寬約 115 m，頂寬約 96 m，高度約100 m，古瓦水電站崩塌滑坡體照片見圖1。

為保證邊坡穩定與施工人員的安全，工程采用預應力錨索支護的方式予以防護，腳手架搭設的整體高度約為95 m，垂直最高立桿高約52 m，搭設寬度約為106 m，搭設面積約為10 070 m2。該區域內的施工荷載主要為鉆機及鉆具、作業人員、材料等，在腳手架上進行編錨作業。現場搭設的高排架照片見圖2。鑒于該高排架搭設于倒懸體高邊坡上，為確保高排架的整體穩定性，項目部技術人員經過反復思考，成功研制出了高排架智能化監測系統。

圖1 古瓦水電站崩塌滑坡體

圖2 現場腳手架

2 監測系統的結構

該高排架無線監測系統主要利用LoRa技術和4G技術，通過使用鋼弦應變傳感器和拉線式傳感器采集高排架立桿的壓力和水平位移數據對高排架進行實時在線監測。高排架無線監測系統主要包括無線傳感器、路由器、協調器、設備、短信報警設備和監測軟件。無線傳感器主要包括鋼弦應變傳感器，用于采集支架結構立桿的壓力數據；拉線式傳感器用于采集立桿的水平位移；無線傳感器設備將采集到的數據通過無線射頻模塊發送至路由器，路由器將接收數據轉發至協調器，協調器將接收到的數據通過RS232 串口傳輸至GRPS設備，GRPS設備通過ZigBee網絡將數據送至監測軟件中進行數據顯示、存儲和報警。

FMC610高排架應變和水平變形在線檢測系統由應變測量儀、位移測量儀、現場通信總線、數據通信基站、監測電腦和現場供電總線等構成。該監測系統通過對高排架支撐系統的支架變形和立桿軸力實施實時監測，可以實現實時監測“超限預警”危險報警的監測目標；同時，該智能監測系統測點安裝快捷便利。該系統通過無線接收數據，實時監測警報系統能夠做到歷史監測數據可查、操作簡便、功能直觀，進而提高了工作效率。

傳感器系統包括：鋼弦應變傳感器、拉線位移傳感器和溫度傳感器。其中，應變傳感器的測量范圍為：±2 500 με，分辨力可達±1 με；全自動拉線位移變形測量范圍為0～80 cm；分辨力可達0.1 mm，精度為1 mm；溫度測量儀采用工業級的溫度測量設備，測量范圍為-70 ℃～500 ℃，測量精度可達0.1 ℃。通信設備包括：通信基站和通信中繼站；軟件系統包括：數據庫軟件和監測軟件。主機和無線通信基站設備安裝照片見圖3、4。

圖3 現場主機安裝

圖4 無線通信基站設備

3 監測方案的設計與實施

3.1 監測項目及儀器安裝

監測項目的選取遵循傳感器實時監測的原則，監測內容應能覆蓋結構評估的要求。根據以上原則，考慮到支架結構特點并結合支架實際運營狀況，長期監測系統的監測項目見表1，測點布置情況見圖5。

表1 支架監測項目表

圖5 測點布置圖

3.2 監測頻率

高支模的監測時間為錨桿支護施工開始至錨桿支護完畢。監測頻率為每1～5 min/次 。

3.3 監測閥值的確定

腳手架的每根豎桿、橫桿及剪刀撐均采用外徑為48 mm，壁厚3 mm的圓環截面。材料選取彈性模量為206×103MPa、泊松比為0.3、密度為7 850 kg / m3、抗拉強度設計值為205 MPa 的 Q235 鋼材。選用梁單元對鋼管腳手架進行建模。在考慮邊界條件時，由于應用支架節點剛接理論及鉸接理論所得到的計算結果可能差異較大，故同時建立了鋼管腳手架節點剛接模型和節點鉸接模型。由于節點鉸接模型計算結果較為保守，故本監測方案的制定以鉸接模型計算結果作為主要參考依據，節點剛接模型則用于參照對比。節點鉸接模型假設支架豎桿間采用剛接點連接，橫桿、剪刀撐與支架豎桿間采用鉸接點連接。Midas整體計算模型見圖6，在恒載和活載組合作用下的桿件軸力情況見圖7。

圖6 Midas Civil 整體計算模型圖

圖7 恒載+活載基本組合作用下的桿件軸力圖

筆者將鋼管腳手架監測系統進行了位移分級、分目標預警，對每一監測方向采用分級預警方式。一級預警值的設立原則為鋼管腳手架所承受的荷載超過設計荷載的100%，二級預警值的設立原則為鋼管腳手架所承受的荷載達到支架極限荷載的80%。根據有限元計算結果可知，以上臨界荷載值所對應的鋼管腳手架的應變和橫向位移 在設計的預警值范圍內。應變閥值的確定：按照構件在恒載+活載最不利荷載組合下，應變閥值為72 με。水平位移閥值的確定：按照構件恒載+活載最不利荷載組合下，水平位移閥值取為60 mm。當監測項目超過其警戒值時，必須迅速停止施工，待查明原因后方可繼續施工。

4 監測結果及分析

4.1 水平位移監測結果及分析

為了分析支架頂部的水平位移，在支架頂部安裝了2個拉線位移傳感器進行監測。通過1 d(24 h)不間斷地連續監測支架頂部的水平位移，取得的成果見圖8；圖9為支架頂部1個月間水平位移峰值隨日變化曲線。

圖8 支架頂水平位移隨時間變化曲線圖

圖9 支架頂水平位移每日峰值隨日變化曲線圖

由圖8可知：支架頂部的水平位移在1 d(24 h)內、在日常施工條件下的最大水平位移為41.2 mm，小于安全預警值，表明支架結構在施工荷載作用下其結構處于正常工作狀態。同時，結合圖9可知，在一個月時間的監測周期內，支架水平變化峰值均未超過安全預警值，且其變化雖有一定幅度的波動但變化幅度不大，表明支架處于安全狀態。

4.2 應變監測結果及分析

為了分析支架軸向受力狀態，在支架頂部安裝了6個鋼弦傳感器進行監測。通過1 d(24 h)不間斷連續監測支架頂部的水平位移，選取應變點(337777)取得的測試結果見圖10；圖11為支架頂部1個月時內內水平位移峰值隨日變化曲線。

圖10 支架應變隨時間變化曲線圖

圖11 支架應變每日峰值隨日變化曲線圖

由圖11可知：支架測點應變在1 d(24 h)內、在日常施工條件下的最大水平位移為34 με，小于安全預警值，表明支架結構在施工荷載作用下其結構處于正常工作狀態。同時，結合圖11可知，在一個月時間的監測周期內，支架應變變化峰值(最大應變峰值為61 με)均未超過安全預警值，且其變化雖有一定幅度的波動，但變化幅度不大，表明支架處于安全狀態。

5 結 語

綜上所述，在對高支模的安全風險控制過程中，基于LoRa技術和4G技術研發的實時監測警報系統能有效監測支架的受力和位移狀態，將該系統成功運用于實際項目中，具有高精度、高效率且操作簡單，成本可控等優點，值得推廣運用。