高排架智能監(jiān)測系統(tǒng)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(fā)生具有突然性，從出現(xiàn)危險征兆到事故發(fā)生通常只有數(shù)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(fā)生往往會造成重大人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。在高排架監(jiān)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(jiān)測，能夠?qū)χ误w系進行全過程、全方位的監(jiān)測；樊冬冬[2]針對傳統(tǒng)高支模架體變形的監(jiān)測，探索了變形監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(tài)變化數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)了對高排架的在線監(jiān)測。筆者以古瓦水電站為例，對該系統(tǒng)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(xiāng)城縣境內(nèi)，是碩曲河干流鄉(xiāng)城、得榮段“一庫六級”梯級開發(fā)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(fā)生了大規(guī)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(wěn)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(qū)域內(nèi)的施工荷載主要為鉆機及鉆具、作業(yè)人員、材料等，在腳手架上進行編錨作業(yè)。現(xiàn)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(wěn)定性，項目部技術人員經(jīng)過反復思考，成功研制出了高排架智能化監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 古瓦水電站崩塌滑坡體

圖2 現(xiàn)場腳手架

2 監(jiān)測系統(tǒng)的結構

該高排架無線監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)對高排架進行實時在線監(jiān)測。高排架無線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括無線傳感器、路由器、協(xié)調(diào)器、設備、短信報警設備和監(jiān)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(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)通過無線射頻模塊發(fā)送至路由器，路由器將接收數(shù)據(jù)轉發(fā)至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)通過RS232 串口傳輸至GRPS設備，GRPS設備通過ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)送至監(jiān)測軟件中進行數(shù)據(jù)顯示、存儲和報警。

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

傳感器系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)包括：數(shù)據(jù)庫軟件和監(jiān)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(xiàn)場主機安裝

圖4 無線通信基站設備

3 監(jiān)測方案的設計與實施

3.1 監(jiān)測項目及儀器安裝

監(jiān)測項目的選取遵循傳感器實時監(jiān)測的原則，監(jiān)測內(nèi)容應能覆蓋結構評估的要求。根據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目見表1，測點布置情況見圖5。

表1 支架監(jiān)測項目表

圖5 測點布置圖

3.2 監(jiān)測頻率

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

3.3 監(jiān)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(huán)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(jié)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(jié)點剛接模型和節(jié)點鉸接模型。由于節(jié)點鉸接模型計算結果較為保守，故本監(jiān)測方案的制定以鉸接模型計算結果作為主要參考依據(jù)，節(jié)點剛接模型則用于參照對比。節(jié)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(jiān)測系統(tǒng)進行了位移分級、分目標預警，對每一監(jiān)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(jù)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(nèi)。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(jiān)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(xù)施工。

4 監(jiān)測結果及分析

4.1 水平位移監(jiān)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(jiān)測。通過1 d(24 h)不間斷地連續(xù)監(jiān)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(nèi)、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(tài)。同時，結合圖9可知，在一個月時間的監(jiān)測周期內(nèi)，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(tài)。

4.2 應變監(jiān)測結果及分析

為了分析支架軸向受力狀態(tài)，在支架頂部安裝了6個鋼弦傳感器進行監(jiān)測。通過1 d(24 h)不間斷連續(xù)監(jiān)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(nèi)內(nèi)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(nèi)、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(tài)。同時，結合圖11可知，在一個月時間的監(jiān)測周期內(nèi)，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(tài)。

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(fā)的實時監(jiān)測警報系統(tǒng)能有效監(jiān)測支架的受力和位移狀態(tài)，將該系統(tǒng)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(yōu)點，值得推廣運用。