深水鋼板樁圍堰智能監測預警技術及應用

錢 杰，卓為頂，王 序，劉 釗

(1. 江蘇省交通工程建設局，南京 210004； 2. 南京工程學院建筑工程學院，南京 211167；3. 東南大學土木工程學院，南京 211189)

大型橋梁在施工初期經常需要利用圍堰作為臨時圍護結構來完成樁基、承臺等橋梁基礎的澆筑，而鋼板樁圍堰因其工程造價低、自重輕以及吊裝方便等優勢，無論是在軟土地基還是在水工基礎工程中都能使用，適用性較強。但在水工基礎工程，尤其是深水基礎工程中，鋼板樁圍堰施工也存在風險問題：一是施工精度不足或施工工序控制不嚴會導致圍囹支撐無法順利放入，當存在多層圍囹支撐時，該情況出現概率會大幅提升；二是當水深較深時，過高的內外水頭差會對結構強度產生較大影響。因此，為保證人員及結構的安全，對深水基礎中鋼圍堰的施工監測顯得格外重要。

施工監測一般需要投入專業人員并且耗費大量精力才能實施，傳統的施工監測方法效率低，只能針對固定節點工況進行監測，實時性較弱，對突發事件無法進行預警和處理。因此，為解決傳統施工監測中存在的問題，基于物聯網和大數據分析的遠程施工監測技術應運而生。相對于傳統的施工監測方法，遠程施工監測技術的最大特點在于實時性和可遠程操作性，除此之外還包含風險評估、項目預警以及自動分析等功能特點。遠程施工監測一般包括現場監控和智能監測，現場監控是在指定位置架設高清攝像頭，所有攝像頭可全天候自由轉動，監控范圍將整個工地全覆蓋，并帶語音功能，監控人員可實時了解工程進展、施工人員操作是否安全規范等現場狀況[1]。智能監測是在現場監控的基礎上，埋設各類傳感器，對結構、土體、水文和空氣等進行遠程實時監測和閥值預警，利用云計算、物聯網和大數據分析等技術，結合電子化地理信息系統和Web(全球廣域網)前端展示到云平臺，進一步繪制出結構響應的變化圖表，使技術人員實時掌握工程發展趨勢[2-3]。

五峰山過江通道公路接線工程位于江蘇省高速公路中軸線，是世界第一座公鐵兩用懸索橋——五峰山長江大橋的公路接線工程，其中的芒稻河特大橋作為該過江通道接線的控制性節點，具有重要的工程示范作用。芒稻河特大橋位于揚州三江營夾江上游，也處在淮河泄洪入江水道上，距長江口約10 km，水流平均流速為1.3 m/s，水深約為 14 m。橋梁深水基礎基坑開挖深約為23 m，最不利條件下水頭差可達19 m，該項目是國內現階段同等條件下規模最大、插打最深的深水基礎鋼板樁圍堰項目。芒稻河特大橋共有5座水中墩，每座墩都有1套鋼板樁圍堰體系，每套體系又有多層圍囹支撐，施工工藝復雜且對施工精度要求較高，同時該橋位處內外水頭差大，水深且流急，圍囹支撐和鋼板樁在施工過程中都會存在安全隱患。為確保施工安全并提高監測效率，項目研發出橋梁鋼板樁圍堰施工遠程智能監測系統，并成功應用，這對于推動橋梁工程智能化建造和管養具有重要意義。

1 鋼板樁圍堰監測內容

本次施工監測主要針對芒稻河特大橋的下部基礎施工工程，以32#～36#墩作為標識定位，全橋下部結構采用現澆方式，圍堰支護在綜合對比后選用了拉森Ⅳ型鋼板樁。以32#墩為例，芒稻河特大橋鋼板樁圍堰布置如圖1所示，其中S1、S2、S3和S4為應力測點，I1和I2為測斜測點，其余的圍堰采用一樣的方式進行布置。

圖1 芒稻河特大橋鋼板樁圍堰布置

為應對可能出現的結構變形等問題，事先對圍囹支撐和鋼板樁都進行預先加固處理。由于圍囹支撐尺寸大，因此在跨中位置焊接多層鋼管，變簡支梁為連續梁，并設置多道斜撐，將應力均勻地分布在圍囹外輪廓上，以抵消基坑外水壓荷載。針對鋼板樁迎水面受沖擊荷載的問題，在此區域的鋼板樁上焊接H型鋼，以此增大鋼板樁截面積，提高慣性矩[4-5]。

考慮到潮汐時期以及汛期水流的流量加大、流速加快并且水深增加等情況，鋼圍堰的應力值每天都會產生一定變化，傳統常規的人工和機械式監測方案不能滿足本項目。因此，結合實際情況及需求，采用智能化監測手段提高監測頻率和工作效率，監測內容包含鋼板樁受水壓力的變形程度、圍囹支撐的應力變化趨勢、現場實時視頻監控、風險預警及后期報告自動整理。

2 遠程智能監測系統的開發

除后期的數據自動分析和可能出現的項目預警外，遠程智能監測主要針對鋼板樁變形程度、圍囹支撐的應力變化趨勢和現場實時視頻監控情況。鋼板樁變形幅度利用測斜儀伸入預埋的測斜管進行測量，通過多個節點的數據得到整體變形程度。圍囹支撐的應力通過預先埋設的傳感器進行測量，測量數據統一匯總到現場的采集儀中，采集儀自帶無線傳輸功能，將數據實時傳送。通過架設可360°旋轉的高清紅外攝像頭進行現場實時監控，可全天候查看現場情況。所有監測內容統一發送至云端，在云端自動處理并繪制成可視化圖表，可在監測中心和移動終端實時查看監測數據，遠程智能監測系統的運行示意如圖2所示。

圖2 遠程智能監測系統的運行示意

遠程智能監測系統的測量硬件主要為傳感器和交互系統。智能弦式傳感器精度較高、對溫度敏感性較低，用于測量圍囹支撐的應力。以圍囹支撐層數最多的鋼板樁圍堰體系為例，該圍堰由5層圍囹支撐承擔水壓力，由于頂部支撐水頭差小，因此不布置測點，剩下4道支撐的布置方式相同。傳感器主要技術參數如表1所示。

表1 傳感器主要技術參數

芒稻河特大橋遠程智能監測技術路線如圖3所示。

圖3 芒稻河特大橋遠程智能監測技術路線

3 云網平臺監測預警系統

常規施工監測一般需要人工分析處理數據，這對于施工周期長、施工節點多的項目而言工作量較大，考慮到相關人員自身因素，還可能出現數據處理不及時、不準確等情況。

為解決這些問題，本項目開發了一套可自動上傳、自動處理并自動分析原始數據的云端計算處理軟件，構建云網平臺監測預警系統，該云網平臺可顯示項目地點、測點位置及采集頻率等信息。

基于現場情況，本項目測點的采集頻率設置為0.5 h/次，設置后響應曲線可自動生成，進而設置報警依據，若有測點出現超限數值將自動報警。

該平臺還可每天自動生成施工監測日志并歸檔，后期只需按天調取即可查閱。該監測預警系統減少了人工的現場測量及后期報告整理工作，進而提高工作效率。

4 云網平臺監測模型理論計算及實測驗證

施工預警對施工安全具有重大意義，而預警閥值的定義則十分重要。在本項目中應力監測的重點對象是圍囹支撐，圍囹支撐采用Q235鋼，從安全冗余度的角度出發，設置容許應力值為205 MPa。為驗證測量結果的準確性，首先利用有限元軟件計算的結果進行對比驗證。

選取1種最不利條件下的鋼板樁圍堰進行建模，鋼板樁圍堰三維有限元模型如圖4所示。模型采用梁單元，為精確計算結果，選用梁格法進行模擬。

圖4 鋼板樁圍堰三維有限元模型

選取2種典型工況，計算工況所完成事項如表2 所示。首先計算出被動水壓力，再利用軟件中的彈簧單元模擬樁-土作用。

表2 計算工況所完成事項

各道內支撐應力理論值與實測值對比如表3所示。測點編號S2-1中的“S”代表傳感器(sensor)；“2”代表第二層數，最上面為第一層，以此類推；“1”代表該層的第一個傳感器。拉森鋼板樁變形實測值與理論值對比如表4所示。

表3 各道內支撐應力理論值與實測值對比

表4 拉森鋼板樁變形實測值與理論值對比

由表3和表4可知，實測值與理論值總體接近，其中應力最大數值偏差為33.1%，數值偏差主要是由于河床標高、現場水文條件和計算模型存在差異，且施工過程中存在局部圍囹支撐水下抄墊不夠密實的情況。

綜合考慮各因素，云網平臺的采集數據與理論計算值比較接近，即云網平臺的數據具有相當的置信度。項目實施中，在設置鋼材閥值為205 MPa的基礎上，當監測數值在閥值的75%以下時，預警系統呈綠色，此時施工可正常進行；當監測數值在閥值的75%以上、90%以下時，系統報警呈橙色，圍堰停工，需及時排查原因并加以處置；當監測數值在閥值的90%以上時，系統報警呈紅色，應緊急停工并迅速撤出人員，對原因進行全面排查處置，必要時啟動安全應急預案。

2019年6月芒稻河特大橋35#墩最后一根鋼板樁順利拔出，國內最深鋼板樁圍堰施工項目在一個枯水期內全面安全、高效完成。在整個施工過程中，智能監測預警系統發揮了巨大作用，將施工“物況”實時互聯互通，提高安全監測水平，多次規避施工險情。

5 結語

基于五峰山過江通道公路接線工程中芒稻河特大橋施工項目開展智能監測預警技術的研究和應用，在施工過程中該系統發揮較大作用，實現對安全風險的有效防控。經過項目檢驗，可得以下結論。

(1) 鋼板樁圍堰支撐對水文條件敏感性高，施工中有必要采用實時監測手段保證工程安全。

(2) 利用云網平臺及可視化界面進行遠程智能監測可以減輕人力與物力的投入，充分調動參建方積極性，提高施工管理效率。

(3) 鋼板樁圍堰可通過在迎水面增大截面法來加大整體剛度，減少水流沖擊對該柔性結構的力學響應，提高結構安全可靠度。

(4) 本項目智能監測系統的測量數據和理論計算結果雖然存在一定差異，但除去施工影響外，總體結果仍在安全范圍之內。

綜上所述，橋梁深水鋼板樁圍堰智能監測系統改進了常規的監測模式，有利于強化安全保障、加快工程進度和提升工程質量，契合新時期品質工程智能化建造的理念，在工程項目建設中發揮重要作用。