高排架智能監(jiān)測系統(tǒng)的研制與應(yīng)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(dǎo)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(yù)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(shù)在高支模施工中的應(yīng)用。筆者基于LoRa技術(shù)和4G技術(shù)，構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(zāi)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(yù)應(yīng)力錨索支護的方式予以防護，腳手架搭設(shè)的整體高度約為95 m，垂直最高立桿高約52 m，搭設(shè)寬度約為106 m，搭設(shè)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(shè)的高排架照片見圖2。鑒于該高排架搭設(shè)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(shù)人員經(jīng)過反復(fù)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(jié)構(gòu)

該高排架無線監(jiān)測系統(tǒng)主要利用LoRa技術(shù)和4G技術(shù)，通過使用鋼弦應(yīng)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(shè)備、短信報警設(shè)備和監(jiān)測軟件。無線傳感器主要包括鋼弦應(yīng)變傳感器，用于采集支架結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)備，GRPS設(shè)備通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(yīng)變和水平變形在線檢測系統(tǒng)由應(yīng)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(gòu)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(yù)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(yīng)變傳感器、拉線位移傳感器和溫度傳感器。其中，應(yīng)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(shè)備，測量范圍為-70 ℃～500 ℃，測量精度可達0.1 ℃。通信設(shè)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(shè)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(shè)備

3 監(jiān)測方案的設(shè)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(yīng)能覆蓋結(jié)構(gòu)評估的要求。根據(jù)以上原則，考慮到支架結(jié)構(gòu)特點并結(jié)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(shè)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(yīng)用支架節(jié)點剛接理論及鉸接理論所得到的計算結(jié)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(jié)果較為保守，故本監(jiān)測方案的制定以鉸接模型計算結(jié)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(shè)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(yù)警，對每一監(jiān)測方向采用分級預(yù)警方式。一級預(yù)警值的設(shè)立原則為鋼管腳手架所承受的荷載超過設(shè)計荷載的100%，二級預(yù)警值的設(shè)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(jié)果可知，以上臨界荷載值所對應(yīng)的鋼管腳手架的應(yīng)變和橫向位移 在設(shè)計的預(yù)警值范圍內(nèi)。應(yīng)變閥值的確定：按照構(gòu)件在恒載+活載最不利荷載組合下，應(yīng)變閥值為72 με。水平位移閥值的確定：按照構(gòu)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(jié)果及分析

4.1 水平位移監(jiān)測結(jié)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(yù)警值，表明支架結(jié)構(gòu)在施工荷載作用下其結(jié)構(gòu)處于正常工作狀態(tài)。同時，結(jié)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(yù)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(yīng)變監(jiān)測結(jié)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(yīng)變點(337777)取得的測試結(jié)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(yīng)變隨時間變化曲線圖

圖11 支架應(yīng)變每日峰值隨日變化曲線圖

由圖11可知：支架測點應(yīng)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(yù)警值，表明支架結(jié)構(gòu)在施工荷載作用下其結(jié)構(gòu)處于正常工作狀態(tài)。同時，結(jié)合圖11可知，在一個月時間的監(jiān)測周期內(nèi)，支架應(yīng)變變化峰值(最大應(yīng)變峰值為61 με)均未超過安全預(yù)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(jié) 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(shù)和4G技術(shù)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。