智能無線采集技術在高支模實時監(jiān)測中的應用

陳建京 曾德尚

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司南方分公司, 廣東 廣州 510375)

0 引言

隨著經濟社會的快速發(fā)展,交通擁堵,各大城市大力發(fā)展軌道交通,高支模施工在軌道交通工程建設中隨處可見。高支模施工復雜多樣化,影響施工安全因素較多。據統計在土建工程安全事故中,高支模坍塌一直占有較高的比例。坍塌事故具有突發(fā)性,從危險征兆到事故的發(fā)生往往就那么短短幾分鐘時間,可能會更短。主要是由于高支模承載過大或變形過大誘發(fā)系統內鋼構件失去穩(wěn)定,從而發(fā)生高支模局部坍塌或整體傾覆[1]。通過智能無線采集技術在高支模實時監(jiān)測中應用,對高支模立桿傾角、模板沉降、立桿軸力以及水平位移進行實時監(jiān)測并分析其變化特征,及時排除支撐體系異常情況,預防和杜絕支撐體系坍塌事故的發(fā)生。保障作業(yè)人員的生命安全及為工程項目取得最佳經濟效益。

1 智能無線采集監(jiān)測系統組成

智能無線數據采集監(jiān)測系統是一款將建筑施工安全監(jiān)測與無線通信技術相結合,由硬件系統和軟件系統兩部分組成。硬件系統主要由采集主機、智能無線數據采集終端(雙軸傾角傳感器)、位移傳感器、軸壓傳感器、激光位移計、視頻監(jiān)控以及無線聲光報警器組成;軟件系統主要由工程管理、數據管理、控制管理和系統設置組成。具有免布線、快速安裝、高頻數據采集、多參數集成及智能預警等特點的監(jiān)測系統。智能無線采集監(jiān)測系統組成如圖1所示。

圖1 智能無線采集監(jiān)測系統組成

采集主機內置專業(yè)自動采集軟件,通過zigbee傳輸方式接收各類傳感器采集數據,并通過WiFi或4G網絡將監(jiān)測數據實時傳送至自動監(jiān)測云平臺,相關人員可通過云平臺隨時隨地了解高支模體系在施工過程中的實時狀態(tài)。

智能無線數據采集終端內置高精度傾角儀及鋰電池,可外接2通道,用于立桿傾角監(jiān)測。位移傳感器采用高精度電阻傳感器,用于模板沉降監(jiān)測,通過數據線連接智能無線數據采集終端將數據傳輸于采集主機。軸壓傳感器用于立桿軸力監(jiān)測,通過數據線連接智能無線數據采集終端將數據傳輸于采集主機。激光位移計由激光標靶及激光發(fā)射器組成,內置zigbee傳輸功能,用于水平位移監(jiān)測。傳感器參數如表1所示。

表1 傳感器參數一覽表

2 智能無線采集技術的應用

2.1 工程概況

廣州地鐵十四號線神崗高架車站位于廣州市從化區(qū)太平鎮(zhèn)神崗村105國道上,起訖里程YDK50+817～YDK50+937,長120 m,北接鄧村站,南接太平站,呈南北走向。車站含架空地面層、二層有銜接出入口的人行天橋及設備管理安裝房和站廳層、三層為站臺層。結構全部采用現澆混凝土;屋面及站臺下夾層以上外圍護部位采用輕鋼結構。設計坡度為平坡,車站軌面高程46.800 m。支撐體系采用Φ48 mm的鋼管搭設,鋼管涂刷鐵紅色防銹漆,支撐體系搭設間距為1 000 mm×800 mm,步距1 800 mm,剪刀撐搭設角度大于60°,支架與模板凈距大于2倍的模板厚度,扣件搭設必須每個扣件擰緊。為預防雷暴天氣增加腳手架整體穩(wěn)固性,需在腳手架兩側用纜風繩與地面以45°～60°夾角對拉,于地面施打膨脹螺絲固結。車站首層分3次澆筑混凝土,首層澆筑分段如圖2所示。

圖2 神崗站首層澆筑分段圖

2.2 測點的布設原則及方法

2.2.1測點布設原則

測點布設位置應遵守能反映支撐體系整體位移情況或荷載及模板沉降較大部位,另外跨度較大時應分別在1/4、1/2、3/4位置布置等原則。

2.2.2測點布設方法

(1)立桿傾角傳感器在立桿上部靠近頂托附近,安裝時,在被測的安裝部位打磨,使其表面平整。傳感器固定時,應保持其的軸線處于垂直狀態(tài)。

(2)模板沉降傳感器安裝在模板底木方梁下的橫桿,安裝時將傳感器線頭方向垂直向下,拉出約100 mm,用鋼絲線與下部配重相連[2]。

(3)立桿軸力安裝在立桿頂部與模板底梁之間,立桿頂托與模板底梁需平整。將頂托松開下降留足夠空間安放傳感器,再上緊頂托,必須保證頂托及梁底與傳感器上下兩邊緊貼,共同受力。

(4)水平位移激光標靶安裝于立桿頂部,底部安裝激光發(fā)射器,應使激光照準于接收面板中間位置,避免側偏否則稍有位移,激光照射不到激光標靶測點則失效。安裝完成后記錄好位移方向。

神崗站首層第二段混凝土澆筑高支模監(jiān)測中,智能無線采集系統監(jiān)測布設了11組傳感器(每組含立桿傾角、模板沉降、立桿軸力以及立桿水平位移各1個)。人工采集監(jiān)測布設了6個監(jiān)測點,監(jiān)測點位布置圖如圖3所示,傳感器實景圖如圖4所示。

圖3 神崗站首層第二段澆筑監(jiān)測點位布置圖

(a)傾角傳感器

(b)位移傳感器

(c)軸壓傳感器

(e)激光發(fā)射器

2.3 預警值的設置

根據支撐體系相關參數計算,結合相關的規(guī)范、文件對該工程的立桿傾角、模板沉降、立桿軸力及水平位移監(jiān)測項目確定以下預警值及控制值,如表2所示。

表2 監(jiān)測項目預警值及控制值

2.4 數據采集

傳感器安裝完成后,首先打開在采集主機內置的專業(yè)采集軟件,按照程序建立項目并填寫相關信息,根據傳感器編號添加對應的編號及輸入預警值進行測試。輸入預警值主要作用于監(jiān)測數據達到預警值時,系統通過無線聲光報警器自動向現場人員發(fā)出預警。在混凝土澆筑前通過無線喚醒方式將所有采集傳感器進行喚醒開機并進行歸零初始化即初始值采集。正常情況下監(jiān)測頻率為5 min/次,當監(jiān)測數據出現異常情況時,可將頻率最高調整為1 S/次。神崗站首層4#-7#軸支架現澆高支模實時監(jiān)測自2017年9月10日08 ：25時開始,于2017年9月10日18 ：45時結束,監(jiān)測工作歷10個小時20分,貫穿整個混凝土澆筑施工過程。

2.5 成果分析

由于文章篇幅受限,以S2-02監(jiān)測組為例,繪制立桿傾角、模板沉降、立桿軸力及水平位移隨時間變化曲線圖進行分析,如圖5所示。

由圖5可以看出,在實時監(jiān)測過程中,立桿傾角因受振搗混凝土過程中產生的影響,呈現出震蕩情況,但震蕩幅度相對較小;立桿軸力在混凝土澆筑位置移至附近時,該點受力情況有所下降,可說明澆筑位置附近模板引起輕微翹起狀態(tài)。模板沉降、立桿軸力及水平位移分別出現3次跳躍性變化,且基本處于同一時間,因此,在混凝土澆筑過程,支架體系承載力達到一定程度時,模板沉降及水平位移均會發(fā)生一定的變化。模板沉降在荷載最大的時候,累計變化量為-8.81 mm,超出了報警值8 mm。各項監(jiān)測項目所發(fā)生變形時間段(9 ：20—15 ：00)基本是一致的,且該監(jiān)測點位置從混凝土澆筑到結束正好是這時間段。驗證了智能無線采集技術可反映出混凝土澆筑時支撐體系的真實變形情況。

(a)立桿傾角

(b)模板沉降

(c)立桿軸力

(d)水平位移

由表3可以看出,通過智能無線采集與基于Leica TS60全站儀人工采集數據成果比較,模板沉降最大差值為1.32 mm,水平位移最大差值為-1.47 mm。結果基本一致。

表3 智能無線采集與人工采集成果比較 單位:mm

2.6 預警情況處置及結果

當S2-02模板沉降監(jiān)測點達到預警情況時,監(jiān)測單位立即通知現場監(jiān)理工程師及施工負責人。按通過專家論證方案,啟動應急預案,立即停止混凝土澆筑,同時疏散施工作業(yè)人員。觀察一定時間,待監(jiān)測數據未發(fā)現有繼續(xù)沉降趨勢,由施工單位組織,各參建方一起排查隱患,結果發(fā)現在該測點位置處有頂托未上緊。針對該問題采取上緊頂托,同時增加了橫向剪刀撐等加固措施。在后續(xù)的澆筑過程中該位置不再出現繼續(xù)沉降情況。

3 案例應用中的優(yōu)缺點

優(yōu)點:(1)一般高支模施工安全事故的發(fā)生具有突發(fā)性,傳統的人工采集監(jiān)測則需要進行外業(yè)數據采集并對采集數據進行處理,一個監(jiān)測周期下來耗費了大量時間,預警效果有限。智能無線采集技術監(jiān)測傳感器監(jiān)測元件裝拆簡便,采集頻率可高達1 Hz,且監(jiān)測成果直接在采集軟件呈現,大大提高監(jiān)測工作效率。

(2)為誤差、儀器設備誤差及氣象環(huán)境誤差是常規(guī)測量過程中的主要誤差影響;智能無線采集監(jiān)測系統均配備高精度傳感器,具有靈敏性高及防水效果,不會因漏漿或雨水淋濕,造成設備損壞而影響監(jiān)測數據的準確性。全過程自動采集數據,可免除人工觀測。因此,這些誤差影響對采集監(jiān)測系統未產生影響,大大提高監(jiān)測精度。

(3)支撐體系搭設縱橫交叉錯亂,觀測視線受到嚴重的影響。該監(jiān)測系統全覆蓋無死角,不受天氣復雜及夜間照明的影響,人員可離施工現場100 m范圍外進行24 h進行采集數據監(jiān)測,降低作業(yè)人員安全風險。

缺點:無線信號易受干擾,部分傳感器元件與采集主機出現間接性短暫無法連接情況。

4 結束語

通過智能無線采集技術在高支模實時監(jiān)測中的應用,分析支撐體系監(jiān)測參數的數據變化情況及應用系統的優(yōu)缺點,并與傳統人工監(jiān)測采集數據比較,得出幾點結論:

(1)應用智能無線采集技術監(jiān)測,與傳統人工監(jiān)測比較,監(jiān)測成果基本一致,成果可真實反映支撐體系的變化情況。

(2)混凝土澆筑前,應對整體支撐體系進行全面檢查,排除支撐體系不穩(wěn)定性因素,預防和杜絕事故發(fā)生,保證施工安全。

(3)傳統的人工監(jiān)測需要人員在整過施工過程定期到現場觀測采集數據,應用智能無線采集技術監(jiān)測只需要在監(jiān)測前去到現場安裝測試傳感器以及監(jiān)測后拆除即可,監(jiān)測過程中設備可通過無線信號進行數據傳輸,數據超限由設備自動響應報警,符合去人力化的社會發(fā)展趨勢。

(4)不受復雜氣象環(huán)境影響可以實現監(jiān)測范圍全覆蓋無死角,24 h全天候實時監(jiān)測,科學預警,智能預警;采用自動采集主機及配套的高精度傳感器,可高頻(1 Hz)采集最新數據并直接呈現,提高監(jiān)控水平,為安全施工提供高效信息化指導。