智能无线采集技术在高支模实时监测中的应用

陈建京 曾德尚

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司南方分公司, 广东 广州 510375)

0 引言

随着经济社会的快速发展,交通拥堵,各大城市大力发展轨道交通,高支模施工在轨道交通工程建设中随处可见。高支模施工复杂多样化,影响施工安全因素较多。据统计在土建工程安全事故中,高支模坍塌一直占有较高的比例。坍塌事故具有突发性,从危险征兆到事故的发生往往就那么短短几分钟时间,可能会更短。主要是由于高支模承载过大或变形过大诱发系统内钢构件失去稳定,从而发生高支模局部坍塌或整体倾覆[1]。通过智能无线采集技术在高支模实时监测中应用,对高支模立杆倾角、模板沉降、立杆轴力以及水平位移进行实时监测并分析其变化特征,及时排除支撑体系异常情况,预防和杜绝支撑体系坍塌事故的发生。保障作业人员的生命安全及为工程项目取得最佳经济效益。

1 智能无线采集监测系统组成

智能无线数据采集监测系统是一款将建筑施工安全监测与无线通信技术相结合,由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要由采集主机、智能无线数据采集终端(双轴倾角传感器)、位移传感器、轴压传感器、激光位移计、视频监控以及无线声光报警器组成;软件系统主要由工程管理、数据管理、控制管理和系统设置组成。具有免布线、快速安装、高频数据采集、多参数集成及智能预警等特点的监测系统。智能无线采集监测系统组成如图1所示。

图1 智能无线采集监测系统组成

采集主机内置专业自动采集软件,通过zigbee传输方式接收各类传感器采集数据,并通过WiFi或4G网络将监测数据实时传送至自动监测云平台,相关人员可通过云平台随时随地了解高支模体系在施工过程中的实时状态。

智能无线数据采集终端内置高精度倾角仪及锂电池,可外接2通道,用于立杆倾角监测。位移传感器采用高精度电阻传感器,用于模板沉降监测,通过数据线连接智能无线数据采集终端将数据传输于采集主机。轴压传感器用于立杆轴力监测,通过数据线连接智能无线数据采集终端将数据传输于采集主机。激光位移计由激光标靶及激光发射器组成,内置zigbee传输功能,用于水平位移监测。传感器参数如表1所示。

表1 传感器参数一览表

2 智能无线采集技术的应用

2.1 工程概况

广州地铁十四号线神岗高架车站位于广州市从化区太平镇神岗村105国道上,起讫里程YDK50+817～YDK50+937,长120 m,北接邓村站,南接太平站,呈南北走向。车站含架空地面层、二层有衔接出入口的人行天桥及设备管理安装房和站厅层、三层为站台层。结构全部采用现浇混凝土;屋面及站台下夹层以上外围护部位采用轻钢结构。设计坡度为平坡,车站轨面高程46.800 m。支撑体系采用Φ48 mm的钢管搭设,钢管涂刷铁红色防锈漆,支撑体系搭设间距为1 000 mm×800 mm,步距1 800 mm,剪刀撑搭设角度大于60°,支架与模板净距大于2倍的模板厚度,扣件搭设必须每个扣件拧紧。为预防雷暴天气增加脚手架整体稳固性,需在脚手架两侧用缆风绳与地面以45°～60°夹角对拉,于地面施打膨胀螺丝固结。车站首层分3次浇筑混凝土,首层浇筑分段如图2所示。

图2 神岗站首层浇筑分段图

2.2 测点的布设原则及方法

2.2.1测点布设原则

测点布设位置应遵守能反映支撑体系整体位移情况或荷载及模板沉降较大部位,另外跨度较大时应分别在1/4、1/2、3/4位置布置等原则。

2.2.2测点布设方法

(1)立杆倾角传感器在立杆上部靠近顶托附近,安装时,在被测的安装部位打磨,使其表面平整。传感器固定时,应保持其的轴线处于垂直状态。

(2)模板沉降传感器安装在模板底木方梁下的横杆,安装时将传感器线头方向垂直向下,拉出约100 mm,用钢丝线与下部配重相连[2]。

(3)立杆轴力安装在立杆顶部与模板底梁之间,立杆顶托与模板底梁需平整。将顶托松开下降留足够空间安放传感器,再上紧顶托,必须保证顶托及梁底与传感器上下两边紧贴,共同受力。

(4)水平位移激光标靶安装于立杆顶部,底部安装激光发射器,应使激光照准于接收面板中间位置,避免侧偏否则稍有位移,激光照射不到激光标靶测点则失效。安装完成后记录好位移方向。

神岗站首层第二段混凝土浇筑高支模监测中,智能无线采集系统监测布设了11组传感器(每组含立杆倾角、模板沉降、立杆轴力以及立杆水平位移各1个)。人工采集监测布设了6个监测点,监测点位布置图如图3所示,传感器实景图如图4所示。

图3 神岗站首层第二段浇筑监测点位布置图

(a)倾角传感器

(b)位移传感器

(c)轴压传感器

(e)激光发射器

2.3 预警值的设置

根据支撑体系相关参数计算,结合相关的规范、文件对该工程的立杆倾角、模板沉降、立杆轴力及水平位移监测项目确定以下预警值及控制值,如表2所示。

表2 监测项目预警值及控制值

2.4 数据采集

传感器安装完成后,首先打开在采集主机内置的专业采集软件,按照程序建立项目并填写相关信息,根据传感器编号添加对应的编号及输入预警值进行测试。输入预警值主要作用于监测数据达到预警值时,系统通过无线声光报警器自动向现场人员发出预警。在混凝土浇筑前通过无线唤醒方式将所有采集传感器进行唤醒开机并进行归零初始化即初始值采集。正常情况下监测频率为5 min/次,当监测数据出现异常情况时,可将频率最高调整为1 S/次。神岗站首层4#-7#轴支架现浇高支模实时监测自2017年9月10日08 ：25时开始,于2017年9月10日18 ：45时结束,监测工作历10个小时20分,贯穿整个混凝土浇筑施工过程。

2.5 成果分析

由于文章篇幅受限,以S2-02监测组为例,绘制立杆倾角、模板沉降、立杆轴力及水平位移随时间变化曲线图进行分析,如图5所示。

由图5可以看出,在实时监测过程中,立杆倾角因受振捣混凝土过程中产生的影响,呈现出震荡情况,但震荡幅度相对较小;立杆轴力在混凝土浇筑位置移至附近时,该点受力情况有所下降,可说明浇筑位置附近模板引起轻微翘起状态。模板沉降、立杆轴力及水平位移分别出现3次跳跃性变化,且基本处于同一时间,因此,在混凝土浇筑过程,支架体系承载力达到一定程度时,模板沉降及水平位移均会发生一定的变化。模板沉降在荷载最大的时候,累计变化量为-8.81 mm,超出了报警值8 mm。各项监测项目所发生变形时间段(9 ：20—15 ：00)基本是一致的,且该监测点位置从混凝土浇筑到结束正好是这时间段。验证了智能无线采集技术可反映出混凝土浇筑时支撑体系的真实变形情况。

(a)立杆倾角

(b)模板沉降

(c)立杆轴力

(d)水平位移

由表3可以看出,通过智能无线采集与基于Leica TS60全站仪人工采集数据成果比较,模板沉降最大差值为1.32 mm,水平位移最大差值为-1.47 mm。结果基本一致。

表3 智能无线采集与人工采集成果比较 单位:mm

2.6 预警情况处置及结果

当S2-02模板沉降监测点达到预警情况时,监测单位立即通知现场监理工程师及施工负责人。按通过专家论证方案,启动应急预案,立即停止混凝土浇筑,同时疏散施工作业人员。观察一定时间,待监测数据未发现有继续沉降趋势,由施工单位组织,各参建方一起排查隐患,结果发现在该测点位置处有顶托未上紧。针对该问题采取上紧顶托,同时增加了横向剪刀撑等加固措施。在后续的浇筑过程中该位置不再出现继续沉降情况。

3 案例应用中的优缺点

优点:(1)一般高支模施工安全事故的发生具有突发性,传统的人工采集监测则需要进行外业数据采集并对采集数据进行处理,一个监测周期下来耗费了大量时间,预警效果有限。智能无线采集技术监测传感器监测元件装拆简便,采集频率可高达1 Hz,且监测成果直接在采集软件呈现,大大提高监测工作效率。

(2)为误差、仪器设备误差及气象环境误差是常规测量过程中的主要误差影响;智能无线采集监测系统均配备高精度传感器,具有灵敏性高及防水效果,不会因漏浆或雨水淋湿,造成设备损坏而影响监测数据的准确性。全过程自动采集数据,可免除人工观测。因此,这些误差影响对采集监测系统未产生影响,大大提高监测精度。

(3)支撑体系搭设纵横交叉错乱,观测视线受到严重的影响。该监测系统全覆盖无死角,不受天气复杂及夜间照明的影响,人员可离施工现场100 m范围外进行24 h进行采集数据监测,降低作业人员安全风险。

缺点:无线信号易受干扰,部分传感器元件与采集主机出现间接性短暂无法连接情况。

4 结束语

通过智能无线采集技术在高支模实时监测中的应用,分析支撑体系监测参数的数据变化情况及应用系统的优缺点,并与传统人工监测采集数据比较,得出几点结论:

(1)应用智能无线采集技术监测,与传统人工监测比较,监测成果基本一致,成果可真实反映支撑体系的变化情况。

(2)混凝土浇筑前,应对整体支撑体系进行全面检查,排除支撑体系不稳定性因素,预防和杜绝事故发生,保证施工安全。

(3)传统的人工监测需要人员在整过施工过程定期到现场观测采集数据,应用智能无线采集技术监测只需要在监测前去到现场安装测试传感器以及监测后拆除即可,监测过程中设备可通过无线信号进行数据传输,数据超限由设备自动响应报警,符合去人力化的社会发展趋势。

(4)不受复杂气象环境影响可以实现监测范围全覆盖无死角,24 h全天候实时监测,科学预警,智能预警;采用自动采集主机及配套的高精度传感器,可高频(1 Hz)采集最新数据并直接呈现,提高监控水平,为安全施工提供高效信息化指导。