高架橋梁高支模施工安全風(fēng)險(xiǎn)管控的信息化技術(shù)應(yīng)用研究

章偉

（杭州交通投資建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，杭州 310024）

1 引言

城市高架橋梁在建設(shè)過程中需要在保持原有通行道路通行的情況下，采用支架現(xiàn)澆工藝進(jìn)行施工，但施工工藝涉及的安全風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高， 施工安全事故會(huì)引發(fā)嚴(yán)重危害。目前，針對(duì)高支模施工安全影響因素和管理對(duì)策都開展了研究：從多方面對(duì)扣件鋼管支架的安全性做了探討，分析了扣件式鋼管支架搭設(shè)和材料的不安全因素，并對(duì)典型的模板支架倒塌事故進(jìn)行了分析【1】；分析典型人為過失對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響， 計(jì)算了帶有多個(gè)人為過失的模板支架的可靠度，并分析了人為過失對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的影響【2】；分析了腳手架結(jié)構(gòu)應(yīng)達(dá)到的設(shè)計(jì)安全度和確定扣件壓桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取值的依據(jù)，提出了加強(qiáng)施工安全管理工作的重點(diǎn)要求【3，4】；建立碗扣式滿堂支架系統(tǒng)有限元模型，分析結(jié)構(gòu)在各種不利荷載作用下的應(yīng)力與位移值，并通過對(duì)施工過程中支架應(yīng)力和位移值的實(shí)時(shí)監(jiān)控來驗(yàn)證支架系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性及數(shù)值計(jì)算的可靠性【5】；提出了一種基于Zigbee 和GPRS 無線通信技術(shù)的支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)【6】。但是，高架橋梁高支模施工安全管理的技術(shù)措施在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中受到主觀和客觀制約，尚未形成簡(jiǎn)便高效的管理系統(tǒng)，安全事故仍時(shí)有發(fā)生。本文在調(diào)研分析高架橋梁高支模安全事故原因的基礎(chǔ)上，提出采用信息化技術(shù)加強(qiáng)高架橋高支模施工風(fēng)險(xiǎn)管理，包括建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支架施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的高支模現(xiàn)場(chǎng)施工安全巡檢系統(tǒng)，形成一套簡(jiǎn)便高效的高支模安全管理信息化系統(tǒng)，提高安全風(fēng)險(xiǎn)管控水平。

2 高架橋梁高支模施工安全管理工作分析

針對(duì)典型高架橋支架倒塌事故進(jìn)行調(diào)研和剖析，找出支架安全管理的重點(diǎn)。

2.1 2000 年11 月鹽壩高速公路工程高架橋支架倒塌事故

1）立桿垂直高度誤差偏大，部分扣件未擰緊，水平桿連接未采用搭接方式。

2）倒塌的第7 跨支架設(shè)計(jì)中未設(shè)橫向剪刀撐，縱向雖然設(shè)有剪刀撐，但其數(shù)量不夠。剪刀撐設(shè)置未達(dá)到要求，造成了支架主體穩(wěn)定性不足。

3）支架設(shè)計(jì)中對(duì)不利荷載因素及分布認(rèn)識(shí)不足，未采取相應(yīng)的對(duì)策和措施。

4）施工、監(jiān)理部門管理不力，安全意識(shí)薄弱。

2.2 2002 年2 月，四川省自貢市某跨度80m的現(xiàn)澆箱梁拱橋支架倒塌事故

1）支架承載力不滿足要求，局部立桿被壓彎失穩(wěn)導(dǎo)致整體坍塌。

2）不均勻加載。

3）采用了質(zhì)量不合格的材料、產(chǎn)品和設(shè)備。

4）支架搭設(shè)不符合規(guī)范要求。

2.3 2010 年1 月云南昆明機(jī)場(chǎng)配套引橋支架垮塌事故

1）混凝土澆筑過程中出現(xiàn)異常振動(dòng)，但未引起擔(dān)事人的重視。

2）個(gè)別的施工支架鋼管、扣件存在質(zhì)量問題，導(dǎo)致支架失穩(wěn)。

3）為節(jié)省人力物力，在支架搭設(shè)中間部分，豎向鋼管安裝過于稀疏，從而導(dǎo)致支架密度不夠。

從以上3 個(gè)典型案例可以看出，設(shè)計(jì)計(jì)算、構(gòu)配件材質(zhì)驗(yàn)收、支架施工后驗(yàn)收，施工過程中支架承受荷載的檢查，支架安全管理工作是否規(guī)范是影響支架安全的主要因素。通過對(duì)高架橋梁高支模坍塌事故的原因剖析，高支模安全管理需要從2 個(gè)方面著手：（1）抓好高支模結(jié)構(gòu)安全的因素，（2）抓好高支模日常施工的因素，得到了高支模安全管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和管控要點(diǎn)。

3 高架橋梁高支模安全風(fēng)險(xiǎn)控制信息化技術(shù)應(yīng)用

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支架監(jiān)測(cè)

高架橋梁高支模施工監(jiān)測(cè)是高支模結(jié)構(gòu)性安全管理的重要手段，包括支架桿件承載力和支架整體穩(wěn)定性。高架橋梁高支模有其自身特點(diǎn)：

1）支架桿件數(shù)量多，密度大，若采用有線監(jiān)測(cè)需要解決現(xiàn)場(chǎng)布線困難，若采用無線監(jiān)測(cè)需要提高信號(hào)的穩(wěn)定性；

2）施工周期長(zhǎng)，從支架預(yù)壓到梁體分層澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉和壓漿，最后才能實(shí)施支架拆除，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)間長(zhǎng)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性和完整性。

本文采用6LoWPN 無線嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了高支模體系的桿件內(nèi)力及轉(zhuǎn)角位移、模板沉降變形的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過桿件內(nèi)力反映高支模的承載力，通過桿件轉(zhuǎn)角位移和模板沉降位移反映高支模的穩(wěn)定性。

3.1.1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

1）桿件內(nèi)力監(jiān)測(cè)。高支模體系的桿件內(nèi)力監(jiān)測(cè)采用鋼弦應(yīng)變傳感器，設(shè)計(jì)獨(dú)立的激勵(lì)與測(cè)量系統(tǒng)，并將其與基于6LoWPAN 無線通信系統(tǒng)進(jìn)行整合。

2）桿件轉(zhuǎn)角位移監(jiān)測(cè)。支架桿件轉(zhuǎn)角監(jiān)測(cè)采用三軸加速度傳感器，并實(shí)現(xiàn)傳感器和無線通信單元進(jìn)行整合封裝。

3）模板沉降位移監(jiān)測(cè)。模板沉降位移監(jiān)測(cè)采用超聲測(cè)距傳感器進(jìn)行位移測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)傳感器和無線通信單元進(jìn)行整合封裝。

在傳感器節(jié)點(diǎn)及6LoWPAN 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，傳感單元、微處理器、無線收發(fā)器這3 個(gè)部分組成了傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框架。

3.1.2 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在完成物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用B/S 架構(gòu)遵循平臺(tái)化、組件化的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換、接口標(biāo)準(zhǔn)、流程管理，建立了高支模物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2 基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)管控

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)安全檢查要求

高支模施工過程中對(duì)人的不安全行為檢查內(nèi)容：對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底及安全教育不到位等；現(xiàn)場(chǎng)操作人員的不安全行為主要有違規(guī)操作、操作方法錯(cuò)誤、安全意識(shí)薄弱、個(gè)體防護(hù)不到位、冒險(xiǎn)作業(yè)等。對(duì)于高支模架體的安全檢查，從架體基礎(chǔ)、穩(wěn)定性、架體防護(hù)管理、材料驗(yàn)收等方面，形成現(xiàn)場(chǎng)檢查清單（見表1）。

表1 高支模體系現(xiàn)場(chǎng)檢查清單

3.2.2 基于移動(dòng)端的現(xiàn)場(chǎng)安全檢查系統(tǒng)

為了提高高支模施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理的效率及客觀性，本課題采用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)采集各風(fēng)險(xiǎn)影響因素的現(xiàn)場(chǎng)檢查數(shù)據(jù)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)問題整改的及時(shí)性和閉環(huán)管理（見圖1）。

圖1 支架安全巡視流程

3.3 典型工程應(yīng)用情況

某高架橋梁采用組合支架進(jìn)行橋梁整體現(xiàn)澆施工。組合支架采用φ800mm×10mm 鋼管作為立柱，沿橋梁橫斷面方向共布置5 根，墩頂位置處除中間立柱在承臺(tái)上設(shè)置預(yù)埋件外，其余均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，跨中立柱均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，支架外伸凈空高度不小于5m。樁頂縱梁采用2HM588 型鋼，橫梁采用工45a 型鋼間距1m，分配縱梁采用工20 工字鋼間距50cm，分配橫梁采用10cm×10cm 方木間距20cm，頂上鋪1.5cm 竹膠板作為底模。

在施工時(shí)對(duì)支架可能發(fā)生較大應(yīng)變（或位移）的部位安裝應(yīng)變（或位移）傳感器，監(jiān)測(cè)混凝土澆筑過程中的應(yīng)變（或位移），對(duì)支架的安全施工進(jìn)行提前預(yù)警。

3.3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從安裝到拆除整個(gè)過程自2019 年10 月31日～2019 年12 月25 日，監(jiān)測(cè)了支架搭設(shè)開始到混凝土澆筑結(jié)束，其中監(jiān)測(cè)工況包括：（1）支架預(yù)壓工況；（2）底板及腹板混凝土澆筑工況；（3）頂板混凝土澆筑工況。

監(jiān)測(cè)內(nèi)容具體包括：（1）支架跨中立柱的應(yīng)力變化；（2）支架縱梁跨中變形情況；（3）支架施工現(xiàn)場(chǎng)溫度情況。

3.3.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

組合支架的監(jiān)測(cè)對(duì)象為立柱和鋼梁，監(jiān)測(cè)參數(shù)為應(yīng)力和位移。每一聯(lián)每跨選擇L/2（L 為每跨長(zhǎng)度）截面處，每個(gè)截面選擇3 根立柱各布置1 個(gè)應(yīng)力數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，選擇3 根縱梁各布置1 個(gè)位移數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)共計(jì)18 個(gè)，其中，位移測(cè)點(diǎn)9 個(gè)，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)9 個(gè)，由傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸。

3.3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

該工程支架監(jiān)測(cè)信息化管理平臺(tái)對(duì)支架位移和應(yīng)力進(jìn)行全過程管理，位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)經(jīng)分析后，通過選擇時(shí)間顯示應(yīng)力時(shí)間曲線圖和通過選擇截面顯示以截面為單位的應(yīng)力圖。

通過采用物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)第5 聯(lián)現(xiàn)澆梁模板支架進(jìn)行了為期45d 的持續(xù)監(jiān)測(cè)（2019 年11 月 8 日～12 月21 日）。監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：

1）立柱最大應(yīng)力值為-50.4MPa，小于最不利荷載組合理論值-75.1MPa；

2）縱向主要鋼梁最大撓度為-20.6mm，扣除溫度和非彈性變形值，基本符合最不利荷載組合下的最大撓度值。

施工單位安全管理人員按照規(guī)定頻率對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)整改（見圖2）。

圖2 基于移動(dòng)端的現(xiàn)場(chǎng)巡視典型數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

1）高架橋梁高支模安全風(fēng)險(xiǎn)管理需要從2 個(gè)方面著手：（1）高支模結(jié)構(gòu)安全，重點(diǎn)是高支模結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力和變形響應(yīng)；（2）高支模日常施工管理，重點(diǎn)是材料驗(yàn)收、結(jié)構(gòu)搭設(shè)規(guī)范性、架體維護(hù)等具體施工行為。

2）信息化技術(shù)可以提高高架橋梁高支模安全風(fēng)險(xiǎn)管控水平。（1）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高支模結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力和變形響應(yīng)，及時(shí)提供預(yù)警；（2）移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)可以提高施工現(xiàn)場(chǎng)巡視的效率，實(shí)現(xiàn)不安全施工行為的整改閉合。