深水鋼板樁圍堰智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及應(yīng)用

錢 杰，卓為頂，王 序，劉 釗

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

大型橋梁在施工初期經(jīng)常需要利用圍堰作為臨時圍護結(jié)構(gòu)來完成樁基、承臺等橋梁基礎(chǔ)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(yōu)勢，無論是在軟土地基還是在水工基礎(chǔ)工程中都能使用，適用性較強。但在水工基礎(chǔ)工程，尤其是深水基礎(chǔ)工程中，鋼板樁圍堰施工也存在風(fēng)險問題：一是施工精度不足或施工工序控制不嚴(yán)會導(dǎo)致圍囹支撐無法順利放入，當(dāng)存在多層圍囹支撐時，該情況出現(xiàn)概率會大幅提升；二是當(dāng)水深較深時，過高的內(nèi)外水頭差會對結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生較大影響。因此，為保證人員及結(jié)構(gòu)的安全，對深水基礎(chǔ)中鋼圍堰的施工監(jiān)測顯得格外重要。

施工監(jiān)測一般需要投入專業(yè)人員并且耗費大量精力才能實施，傳統(tǒng)的施工監(jiān)測方法效率低，只能針對固定節(jié)點工況進行監(jiān)測，實時性較弱，對突發(fā)事件無法進行預(yù)警和處理。因此，為解決傳統(tǒng)施工監(jiān)測中存在的問題，基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析的遠程施工監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生。相對于傳統(tǒng)的施工監(jiān)測方法，遠程施工監(jiān)測技術(shù)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(fēng)險評估、項目預(yù)警以及自動分析等功能特點。遠程施工監(jiān)測一般包括現(xiàn)場監(jiān)控和智能監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)控是在指定位置架設(shè)高清攝像頭，所有攝像頭可全天候自由轉(zhuǎn)動，監(jiān)控范圍將整個工地全覆蓋，并帶語音功能，監(jiān)控人員可實時了解工程進展、施工人員操作是否安全規(guī)范等現(xiàn)場狀況[1]。智能監(jiān)測是在現(xiàn)場監(jiān)控的基礎(chǔ)上，埋設(shè)各類傳感器，對結(jié)構(gòu)、土體、水文和空氣等進行遠程實時監(jiān)測和閥值預(yù)警，利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，結(jié)合電子化地理信息系統(tǒng)和Web(全球廣域網(wǎng))前端展示到云平臺，進一步繪制出結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化圖表，使技術(shù)人員實時掌握工程發(fā)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(jié)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(chǔ)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(nèi)現(xiàn)階段同等條件下規(guī)模最大、插打最深的深水基礎(chǔ)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(fù)雜且對施工精度要求較高，同時該橋位處內(nèi)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(jiān)測效率，項目研發(fā)出橋梁鋼板樁圍堰施工遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)，并成功應(yīng)用，這對于推動橋梁工程智能化建造和管養(yǎng)具有重要意義。

1 鋼板樁圍堰監(jiān)測內(nèi)容

本次施工監(jiān)測主要針對芒稻河特大橋的下部基礎(chǔ)施工工程，以32#～36#墩作為標(biāo)識定位，全橋下部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)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(yīng)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(yīng)對可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變形等問題，事先對圍囹支撐和鋼板樁都進行預(yù)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(xù)梁，并設(shè)置多道斜撐，將應(yīng)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(qū)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(yīng)力值每天都會產(chǎn)生一定變化，傳統(tǒng)常規(guī)的人工和機械式監(jiān)測方案不能滿足本項目。因此，結(jié)合實際情況及需求，采用智能化監(jiān)測手段提高監(jiān)測頻率和工作效率，監(jiān)測內(nèi)容包含鋼板樁受水壓力的變形程度、圍囹支撐的應(yīng)力變化趨勢、現(xiàn)場實時視頻監(jiān)控、風(fēng)險預(yù)警及后期報告自動整理。

2 遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

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

圖2 遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)的運行示意

遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)的測量硬件主要為傳感器和交互系統(tǒng)。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(yīng)力。以圍囹支撐層數(shù)最多的鋼板樁圍堰體系為例，該圍堰由5層圍囹支撐承擔(dān)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(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器主要技術(shù)參數(shù)

芒稻河特大橋遠程智能監(jiān)測技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 芒稻河特大橋遠程智能監(jiān)測技術(shù)路線

3 云網(wǎng)平臺監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

常規(guī)施工監(jiān)測一般需要人工分析處理數(shù)據(jù)，這對于施工周期長、施工節(jié)點多的項目而言工作量較大，考慮到相關(guān)人員自身因素，還可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理不及時、不準(zhǔn)確等情況。

為解決這些問題，本項目開發(fā)了一套可自動上傳、自動處理并自動分析原始數(shù)據(jù)的云端計算處理軟件，構(gòu)建云網(wǎng)平臺監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該云網(wǎng)平臺可顯示項目地點、測點位置及采集頻率等信息。

基于現(xiàn)場情況，本項目測點的采集頻率設(shè)置為0.5 h/次，設(shè)置后響應(yīng)曲線可自動生成，進而設(shè)置報警依據(jù)，若有測點出現(xiàn)超限數(shù)值將自動報警。

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

4 云網(wǎng)平臺監(jiān)測模型理論計算及實測驗證

施工預(yù)警對施工安全具有重大意義，而預(yù)警閥值的定義則十分重要。在本項目中應(yīng)力監(jiān)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(fā)，設(shè)置容許應(yīng)力值為205 MPa。為驗證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先利用有限元軟件計算的結(jié)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(jié)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(nèi)支撐應(yīng)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(shù)，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(nèi)支撐應(yīng)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(yīng)力最大數(shù)值偏差為33.1%，數(shù)值偏差主要是由于河床標(biāo)高、現(xiàn)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(wǎng)平臺的采集數(shù)據(jù)與理論計算值比較接近，即云網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)具有相當(dāng)?shù)闹眯哦?。項目實施中，在設(shè)置鋼材閥值為205 MPa的基礎(chǔ)上，當(dāng)監(jiān)測數(shù)值在閥值的75%以下時，預(yù)警系統(tǒng)呈綠色，此時施工可正常進行；當(dāng)監(jiān)測數(shù)值在閥值的75%以上、90%以下時，系統(tǒng)報警呈橙色，圍堰停工，需及時排查原因并加以處置；當(dāng)監(jiān)測數(shù)值在閥值的90%以上時，系統(tǒng)報警呈紅色，應(yīng)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(yīng)急預(yù)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(nèi)最深鋼板樁圍堰施工項目在一個枯水期內(nèi)全面安全、高效完成。在整個施工過程中，智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮了巨大作用，將施工“物況”實時互聯(lián)互通，提高安全監(jiān)測水平，多次規(guī)避施工險情。

5 結(jié)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(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究和應(yīng)用，在施工過程中該系統(tǒng)發(fā)揮較大作用，實現(xiàn)對安全風(fēng)險的有效防控。經(jīng)過項目檢驗，可得以下結(jié)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(jiān)測手段保證工程安全。

(2) 利用云網(wǎng)平臺及可視化界面進行遠程智能監(jiān)測可以減輕人力與物力的投入，充分調(diào)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(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)安全可靠度。

(4) 本項目智能監(jiān)測系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果雖然存在一定差異，但除去施工影響外，總體結(jié)果仍在安全范圍之內(nèi)。

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