自動化監測技術在大跨度現澆箱梁施工中的應用研究

郭振宇

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

0 引言

根據住房和城鄉建設部相關規定：高大模板支撐系統是指建設工程施工現場混凝土構件模板支撐高度超過8m，或搭設跨度超過18m，或施工總荷載大于15kN/m2，或集中線荷載大于20kN/m 的模板支撐系統[1]。

因高支模工程具備多元化、錯綜復雜、危險性大等特點，近期以來，在建筑施工階段，因支撐體系承載力不足、失穩等因素引發的坍塌事故時有發生，導致人身傷亡及重大經濟損失[2]。文獻[3]對國家住房和城鄉建設部2012～2018 年的房屋市政工程生產安全事故統計數據進行了分析，2018 年高支模坍塌事故發生概率在全部較大安全生產事故中所占比例最高，達到了約45%；2013 年高支模坍塌事故引起的人員傷亡數占全部較大安全生產事故導致的人員傷亡數比例最高，達到了近40%。

隨著國家對高支模工程管理的規范，高支模坍塌事故得到有效遏制，但仍有發生。文獻[4]通過綜合分析近10 年高支模坍塌事故案例，將高支模坍塌事故原因總結為：材料和支架搭設、技術方案、施工管理、安全監督四個主要方面。文獻[3]對坍塌事故原因總結為：沒有建立相應的安全監測指標和安全監測系統；動態施工荷載作用下高支撐體系整體動力特征認識不足；監測技術和設備落后，無法實現實時動態監測。

基于文獻資料、高支模工程案例統計分析，文章將高支模坍塌致因總結為以下三個方面：計算方案不規范、施工安全監督管理體制不健全、監控和監測預報不到位。

通過對上述情況的總結，決定使用基于數據智能傳輸的遠程監測方式，使監測自動化，保障施工安全。本文中的自動化監測系統自動化程度高，監測元器件技術成熟，便于維護。通過對施工過程的監測，直觀體現了施工全過程支架變形情況，積累了類似工程的寶貴經驗，達到滿意的實施成果。

1 高支模架監控與監測

1.1 高支模監測指標的研究

廣州市城鄉建設委員會2014 年發布相關通知，強調對高支模關鍵部位或薄弱部位的水平位移、模板沉降、立桿軸力以及桿件傾角等參數進行實時監測，并邀請專家組對監測內容進行重點審查。應對危險性較大的高支模進行預壓監測和混凝土澆筑過程中的安全監測，積極采用實時監測的自動化措施，保證監測數據的及時性和有效性[5]。

文獻（2018）[6]認為，高支模發生局部坍塌，主要是高支模局部立桿失穩彎曲，引起連鎖反應，同時模板下陷，混凝土未固結時在下陷處聚集加重荷載導致高支模局部坍塌。文獻（2019）[7]提出應在跨度較大的雙向板中部板底和高支模支架兩端布置監測設備，在梁底模板安裝豎向位移傳感器，監測模板沉降。文獻（2020）[8]強調高大支模結構工程施工過程中存在諸多影響因子，如混凝土泵送方式和機械設備振蕩、活載、構件連接等不確定因素影響，導致自動化監測過程中出現誤判誤報，嚴重影響施工過程的順利進行。并建議建立以多傳感器監測為基礎、協同遠程監控系統等現代技術的高支模自動化監測系統。

本文認為，鑒于監測環境的復雜性及施工因素的不確定性，監測點的布置在滿足現行規范要求的前提下，且保證監測內容的全面性，要做到以極少的監測點位來反映監測物體的整體狀況。設備安裝時根據現場情況，減少現場線路布置長度，不影響現場施工正常進行。動態施工荷載是支撐結構變形的重要影響因素，智能檢測設備的應用使得高支模現澆施工整個過程中對監測數據收集實現秒級的讀取，這在一定程度上可以做到高支模坍塌及時預警，減少施工人員人身安全事故的發生。

1.2 高支模監控管理

智能監控技術包括：智能監測系統安裝、監測系統調試、監測數據采集、數據處理、數據分析與總結。

對監測數據出現異常的情況，需人工檢查傳感器是否失效，及時恢復正常監測。當監測平臺發出危險報警時，現場負責人須通知作業人員停止施工并迅速撤離，同時啟用應急措施。監測人員須繼續觀察監測數據變化情況，在確認監測數據趨于穩定后方可進行施工。監測設備安裝后要用保護罩保護，同時貼好警示標語提醒施工人員注意保護。

2 高支模架監測系統的建立

2.1 監測系統組成

高支模支架自動化監測系統主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括傳感器、數據采集設備、信息發送裝置。傳感器分為應變計、靜力水準儀、位移計。

軟件系統主要由數據云存儲及處理系統、監測管理系統組成。軟件系統選用北京安信卓越信息科技有限公司的在線監測集成平臺。軟件系統主要負責監測點的數據處理、安全閾值的設置、安全預警人員管理。

2.2 預警值設定研究

目前國家規范《建筑施工臨時支撐結構技術規范》（JGJ300-2013）中第8 章規定了水平位移及立桿軸力監測報警值的監測指標。其中對內力報警值規定為設計計算值；對水平位移報警值規定為：H/300，H 為支撐結構高度。

許多第三方監測單位在高支模監測項目中強調模板沉降、立桿軸力、桿件傾角的計算，但對于高支模坍塌的預警值和報警值的確定沒有統一的規范，有待進一步研究。

3 工程實例和應用效果

3.1 工程概況

溫州市域鐵路S2 線一期工程土建SG6 標段包括2 站3 區間，區間上部結構雙線簡支梁。沙城站至天河站區間共有雙線簡支梁86 跨，主跨35m、30m，主要配跨25m、40m。橋墩基礎采用群樁基礎，承臺為矩形承臺。簡支箱梁采用貝雷梁高支模支架施工。實施監測的簡支箱梁跨度35m（沙天區間62#墩—63#墩），在支架兩側承臺設單排4 根φ630mm 鋼管作為支墩，鋼管壁厚10mm，中間不設支墩。支架跨度為29.9m、鋼管橫向間距為2.74m。鋼管柱上設橫向工字鋼，工字鋼支撐貝雷梁，橋墩承臺面至梁底距離12m，鋼柱支撐構件高9m，采用雙層貝雷架作為支架水平支撐構件，在貝雷梁及鋼柱上安裝支架監測系統。

在監測項目正式實施后，歷時15d 對沙天區間62#～63#墩簡支箱梁整體現澆施工過程實時監測。簡支箱梁模架支撐結構如圖1 所示。

圖1 簡支箱梁模架支撐結構圖

3.2 監測內容及設備安裝

設計方通過Midas Civil 軟件建立模型并計算，梁貝雷梁的上、下弦桿應力最大，是不利位置；在貝雷梁的支座位置，受到支座反力的影響，此處豎桿和斜桿受力最大；貝雷梁支架的跨中撓度最大，對撓度的監測反映跨中變形最為直觀。兩端鋼柱是承上啟下，將所有荷載傳遞到基礎的關鍵構件，對鋼柱進行監測。傳感器根據需要選用了位移計、應變計和靜力水準儀。

在綜合考慮監測目的、監測對象、監測方法和監測成本的前提下，用最經濟的監測手段和點位布置來完成對目標對象的監測。具體位置如表1 所示。

表1 監測內容及位置

監測人員在箱梁底模板安裝前，把監測傳感器設備安裝在監測點，進行初步調試，將數據采集周期定為5min，用軟件系統對監測點進行預警值和人員管理設置。

3.3 預警值的設置

本次監測項目主要對施工關鍵位置的模板沉降、桿件軸力、支架跨中撓度進行監測。傳感器將監測點的變形值以電信號形式傳輸給數據采集設備，信息發送裝置將數據傳輸至遠程服務器，監測人員可通過計算機掌握貝雷梁現澆支模架的安全狀態；當監測數值超過設定的閾值時，采集設備以短信形式向移動終端設備發出警告，管理員可采取應急措施保障施工安全。此次溫州市域鐵路S2 線高支模監測參數預警值具體情況如表2 所示。

表2 溫州市域鐵路S2 線高支模監測參數預警值

軟件系統根據項目要求設立了分級預警機制。據相關規范和計算書確定了高支模監測閾值范圍，一級預警值為設計值；二級預警值為設計值的50%；三級預警值為設計值的30%。跨中撓度設計值計算依據w=L/400（L 為支架跨度，w 為撓度），貝雷梁用16Mn 鋼，對應于《鋼結構設計規范》中的Q345 鋼材，抗拉、壓設計強度取值310Mpa。模板沉降設計值是H=L/1000（L 為計算跨度）。

3.4 數據分析

數據采集設備全天候采集數據，數據采集后直接上傳至服務器。本次監測過程經歷了底模吊裝、鋼筋綁扎、內膜吊裝、混凝土澆筑、預應力張拉灌漿五項施工工程。監測系統通過監測圖像實時反映了各個施工環節架體受力變形情況。

本次監測開始前，記錄高支模架搭建完成后未加荷載情況下連續4 次測量的自然值，然后取4 次自然值的平均值作為監測初始值。初始值是整個高支模監測的起算依據。

（1）貝雷梁高支模跨中撓度在整個施工過程中的變化情況如圖2 所示，撓度監測使用壓差式靜力水準儀。靜力水準儀的精度為0.2%FS，表示其誤差為全量程的0.2%，靈敏度為0.1mm，量程為1 000mm。在監測過程中，跨中下沉量均在安全范圍內。由圖2 可以看出橋梁澆筑施工前撓度初始值為-9.82mm，跨中撓度在-10mm 處浮動。簡支箱梁開始澆筑后數值下降至-12.64mm，混凝土養護期間數值未超限。橋梁預應力張拉階段，分兩次張拉，每次張拉過程中，撓度值都有所回彈，由圖像可知，預應力張拉后跨中撓度值逐漸向-10mm靠近。整個監測過程中，跨中撓度監測未出現報警情況。

圖2 貝雷梁跨中撓度變化

支架搭設、底模安裝完成后，對支架體系進行預壓。預壓荷載分布與支架施工荷載分布基本一致，加載重量偏差控制在同級荷載的±5%以內。支架預壓消除了支架搭設的非彈性變形，根據支架承載預壓后活絡頭的沉降量測算施工荷載時的彈性變形，根據箱梁張拉后的上拱度再計算出支架底模的預拱度。

根據支架預壓后的整體情況，對貝雷支架局部加固，保證了支架自身的強度和穩定性，這使得跨中撓度沉降相對較小。

（2）支架鋼柱監測點的數據圖如圖3 所示。鋼柱應變監測選用表面型智能弦式應變計。應變計靈敏度為1με，精度為0.1%FS，量程為±2 500με。

圖3 支架鋼柱應變數值監測圖

混凝土澆筑前，監測數值基本呈周期性變化，圖像波峰上升階段為白天施工作業，波峰下降階段為施工作業結束，夜間無人作業，圖像則呈現趨于平直的曲線。整個監測過程中，鋼柱應力監測在2019 年11 月15 日下午5 點51 分16 秒混凝土澆筑完成后，GZYB-1 和GZYB-2 兩個應變計處于二級報警狀態。直至簡支箱梁第一次張拉結束后，二級報警狀態解除，報警級別變為三級。第二次預應力張拉及灌漿結束后，報警解除。

3.5 安全預警效果

當數據值超過設定的閾值時，系統立即將預警信息以短信方式通知管理人員。可根據實際情況預先設定預警級別，啟動相應應急方案，及時采取應對措施，避免危害進一步擴大。本次監測，現場負責人收到監測設備發出的二級預警警告3 次，三級預警警告多次，設備類故障報警2 次，監測人員第一時間到達現場對故障部件進行檢查和維護。

4 結論

此次大跨度高支模支架監測實現24h 監測，與傳統人工監測相比，效率顯著提高，數據采集完整率和有效率均達97.92%；為推動貝雷梁現澆支模架監測規范的建立提供一定的數據參考。

通過自動化監測系統在橋梁支架工程中的應用效果，新型智能監測設備提高了監測效率，可及時預警和實時監測支架體系的整體狀況，保證施工過程安全。

自動化監測系統避免人工監測的缺點，同時節約成本并降低安全風險。實現了施工監測可視化智能管理，對提高工程管理信息化水平有很大作用。

結合施工現場的具體工況正確布置使用，是保證支架監測數據可靠的首要條件。去人力的自動化監測將迎來加速發展與應用，從而助力工程單位實現綠色建造和智慧工地建設。