高架橋梁高支模施工安全風險管控的信息化技術應用研究

章偉

（杭州交通投資建設管理集團有限公司，杭州 310024）

1 引言

城市高架橋梁在建設過程中需要在保持原有通行道路通行的情況下，采用支架現澆工藝進行施工，但施工工藝涉及的安全風險因素眾多，施工安全風險高， 施工安全事故會引發嚴重危害。目前，針對高支模施工安全影響因素和管理對策都開展了研究：從多方面對扣件鋼管支架的安全性做了探討，分析了扣件式鋼管支架搭設和材料的不安全因素，并對典型的模板支架倒塌事故進行了分析【1】；分析典型人為過失對結構承載力的影響， 計算了帶有多個人為過失的模板支架的可靠度，并分析了人為過失對結構可靠度的影響【2】；分析了腳手架結構應達到的設計安全度和確定扣件壓桿計算長度系數取值的依據，提出了加強施工安全管理工作的重點要求【3，4】；建立碗扣式滿堂支架系統有限元模型，分析結構在各種不利荷載作用下的應力與位移值，并通過對施工過程中支架應力和位移值的實時監控來驗證支架系統的安全穩定性及數值計算的可靠性【5】；提出了一種基于Zigbee 和GPRS 無線通信技術的支架結構安全監測系統【6】。但是，高架橋梁高支模施工安全管理的技術措施在現場實施中受到主觀和客觀制約，尚未形成簡便高效的管理系統，安全事故仍時有發生。本文在調研分析高架橋梁高支模安全事故原因的基礎上，提出采用信息化技術加強高架橋高支模施工風險管理，包括建立基于物聯網技術的支架施工安全監測技術，基于移動互聯技術的高支?，F場施工安全巡檢系統，形成一套簡便高效的高支模安全管理信息化系統，提高安全風險管控水平。

2 高架橋梁高支模施工安全管理工作分析

針對典型高架橋支架倒塌事故進行調研和剖析，找出支架安全管理的重點。

2.1 2000 年11 月鹽壩高速公路工程高架橋支架倒塌事故

1）立桿垂直高度誤差偏大，部分扣件未擰緊，水平桿連接未采用搭接方式。

2）倒塌的第7 跨支架設計中未設橫向剪刀撐，縱向雖然設有剪刀撐，但其數量不夠。剪刀撐設置未達到要求，造成了支架主體穩定性不足。

3）支架設計中對不利荷載因素及分布認識不足，未采取相應的對策和措施。

4）施工、監理部門管理不力，安全意識薄弱。

2.2 2002 年2 月，四川省自貢市某跨度80m的現澆箱梁拱橋支架倒塌事故

1）支架承載力不滿足要求，局部立桿被壓彎失穩導致整體坍塌。

2）不均勻加載。

3）采用了質量不合格的材料、產品和設備。

4）支架搭設不符合規范要求。

2.3 2010 年1 月云南昆明機場配套引橋支架垮塌事故

1）混凝土澆筑過程中出現異常振動，但未引起擔事人的重視。

2）個別的施工支架鋼管、扣件存在質量問題，導致支架失穩。

3）為節省人力物力，在支架搭設中間部分，豎向鋼管安裝過于稀疏，從而導致支架密度不夠。

從以上3 個典型案例可以看出，設計計算、構配件材質驗收、支架施工后驗收，施工過程中支架承受荷載的檢查，支架安全管理工作是否規范是影響支架安全的主要因素。通過對高架橋梁高支模坍塌事故的原因剖析，高支模安全管理需要從2 個方面著手：（1）抓好高支模結構安全的因素，（2）抓好高支模日常施工的因素，得到了高支模安全管理的關鍵環節和管控要點。

3 高架橋梁高支模安全風險控制信息化技術應用

3.1 基于物聯網技術的支架監測

高架橋梁高支模施工監測是高支模結構性安全管理的重要手段，包括支架桿件承載力和支架整體穩定性。高架橋梁高支模有其自身特點：

1）支架桿件數量多，密度大，若采用有線監測需要解決現場布線困難，若采用無線監測需要提高信號的穩定性；

2）施工周期長，從支架預壓到梁體分層澆筑、預應力張拉和壓漿，最后才能實施支架拆除，監測系統工作時間長，保證監測數據連續性和完整性。

本文采用6LoWPN 無線嵌入式物聯網技術建立了高支模體系的桿件內力及轉角位移、模板沉降變形的實時在線監測技術，通過桿件內力反映高支模的承載力，通過桿件轉角位移和模板沉降位移反映高支模的穩定性。

3.1.1 物聯網監測項目

1）桿件內力監測。高支模體系的桿件內力監測采用鋼弦應變傳感器，設計獨立的激勵與測量系統，并將其與基于6LoWPAN 無線通信系統進行整合。

2）桿件轉角位移監測。支架桿件轉角監測采用三軸加速度傳感器，并實現傳感器和無線通信單元進行整合封裝。

3）模板沉降位移監測。模板沉降位移監測采用超聲測距傳感器進行位移測量，并實現傳感器和無線通信單元進行整合封裝。

在傳感器節點及6LoWPAN 網關設計中，傳感單元、微處理器、無線收發器這3 個部分組成了傳感器節點硬件框架。

3.1.2 物聯網監測系統

在完成物聯網硬件系統的基礎上，采用B/S 架構遵循平臺化、組件化的設計思想，實現統一的數據交換、接口標準、流程管理，建立了高支模物聯網監測系統。

3.2 基于移動互聯技術的現場安全風險管控

3.2.1 現場安全檢查要求

高支模施工過程中對人的不安全行為檢查內容：對施工現場技術交底及安全教育不到位等；現場操作人員的不安全行為主要有違規操作、操作方法錯誤、安全意識薄弱、個體防護不到位、冒險作業等。對于高支模架體的安全檢查，從架體基礎、穩定性、架體防護管理、材料驗收等方面，形成現場檢查清單（見表1）。

表1 高支模體系現場檢查清單

3.2.2 基于移動端的現場安全檢查系統

為了提高高支模施工安全風險管理的效率及客觀性，本課題采用移動互聯技術采集各風險影響因素的現場檢查數據，同時也實現現場問題整改的及時性和閉環管理（見圖1）。

圖1 支架安全巡視流程

3.3 典型工程應用情況

某高架橋梁采用組合支架進行橋梁整體現澆施工。組合支架采用φ800mm×10mm 鋼管作為立柱，沿橋梁橫斷面方向共布置5 根，墩頂位置處除中間立柱在承臺上設置預埋件外，其余均采用擴大基礎，跨中立柱均采用擴大基礎，支架外伸凈空高度不小于5m。樁頂縱梁采用2HM588 型鋼，橫梁采用工45a 型鋼間距1m，分配縱梁采用工20 工字鋼間距50cm，分配橫梁采用10cm×10cm 方木間距20cm，頂上鋪1.5cm 竹膠板作為底模。

在施工時對支架可能發生較大應變（或位移）的部位安裝應變（或位移）傳感器，監測混凝土澆筑過程中的應變（或位移），對支架的安全施工進行提前預警。

3.3.1 監測內容

物聯網系統從安裝到拆除整個過程自2019 年10 月31日～2019 年12 月25 日，監測了支架搭設開始到混凝土澆筑結束，其中監測工況包括：（1）支架預壓工況；（2）底板及腹板混凝土澆筑工況；（3）頂板混凝土澆筑工況。

監測內容具體包括：（1）支架跨中立柱的應力變化；（2）支架縱梁跨中變形情況；（3）支架施工現場溫度情況。

3.3.2 測點布設

組合支架的監測對象為立柱和鋼梁，監測參數為應力和位移。每一聯每跨選擇L/2（L 為每跨長度）截面處，每個截面選擇3 根立柱各布置1 個應力數據采集點，選擇3 根縱梁各布置1 個位移數據采集點。數據采集點共計18 個，其中，位移測點9 個，應力測點9 個，由傳感器進行數據采集和傳輸。

3.3.3 監測數據

該工程支架監測信息化管理平臺對支架位移和應力進行全過程管理，位移和應力數據經分析后，通過選擇時間顯示應力時間曲線圖和通過選擇截面顯示以截面為單位的應力圖。

通過采用物聯網在線監測系統，對第5 聯現澆梁模板支架進行了為期45d 的持續監測（2019 年11 月 8 日～12 月21 日）。監測結果如下：

1）立柱最大應力值為-50.4MPa，小于最不利荷載組合理論值-75.1MPa；

2）縱向主要鋼梁最大撓度為-20.6mm，扣除溫度和非彈性變形值，基本符合最不利荷載組合下的最大撓度值。

施工單位安全管理人員按照規定頻率對施工現場進行巡視，發現問題及時整改（見圖2）。

圖2 基于移動端的現場巡視典型數據

4 結語

1）高架橋梁高支模安全風險管理需要從2 個方面著手：（1）高支模結構安全，重點是高支模結構構件的應力和變形響應；（2）高支模日常施工管理，重點是材料驗收、結構搭設規范性、架體維護等具體施工行為。

2）信息化技術可以提高高架橋梁高支模安全風險管控水平。（1）物聯網技術可以實時監測高支模結構構件的應力和變形響應，及時提供預警；（2）移動互聯技術可以提高施工現場巡視的效率，實現不安全施工行為的整改閉合。