智能無(wú)線采集技術(shù)在高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陳建京 曾德尚

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司南方分公司, 廣東 廣州 510375)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(shè)中隨處可見(jiàn)。高支模施工復(fù)雜多樣化,影響施工安全因素較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(xiǎn)征兆到事故的發(fā)生往往就那么短短幾分鐘時(shí)間,可能會(huì)更短。主要是由于高支模承載過(guò)大或變形過(guò)大誘發(fā)系統(tǒng)內(nèi)鋼構(gòu)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(guò)智能無(wú)線采集技術(shù)在高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用,對(duì)高支模立桿傾角、模板沉降、立桿軸力以及水平位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并分析其變化特征,及時(shí)排除支撐體系異常情況,預(yù)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(xiàng)目取得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

1 智能無(wú)線采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

智能無(wú)線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一款將建筑施工安全監(jiān)測(cè)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合,由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)主要由采集主機(jī)、智能無(wú)線數(shù)據(jù)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(jì)、視頻監(jiān)控以及無(wú)線聲光報(bào)警器組成;軟件系統(tǒng)主要由工程管理、數(shù)據(jù)管理、控制管理和系統(tǒng)設(shè)置組成。具有免布線、快速安裝、高頻數(shù)據(jù)采集、多參數(shù)集成及智能預(yù)警等特點(diǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。智能無(wú)線采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 智能無(wú)線采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

采集主機(jī)內(nèi)置專(zhuān)業(yè)自動(dòng)采集軟件,通過(guò)zigbee傳輸方式接收各類(lèi)傳感器采集數(shù)據(jù),并通過(guò)WiFi或4G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至自動(dòng)監(jiān)測(cè)云平臺(tái),相關(guān)人員可通過(guò)云平臺(tái)隨時(shí)隨地了解高支模體系在施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

智能無(wú)線數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)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(cè)。位移傳感器采用高精度電阻傳感器,用于模板沉降監(jiān)測(cè),通過(guò)數(shù)據(jù)線連接智能無(wú)線數(shù)據(jù)采集終端將數(shù)據(jù)傳輸于采集主機(jī)。軸壓傳感器用于立桿軸力監(jiān)測(cè),通過(guò)數(shù)據(jù)線連接智能無(wú)線數(shù)據(jù)采集終端將數(shù)據(jù)傳輸于采集主機(jī)。激光位移計(jì)由激光標(biāo)靶及激光發(fā)射器組成,內(nèi)置zigbee傳輸功能,用于水平位移監(jiān)測(cè)。傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)一覽表

2 智能無(wú)線采集技術(shù)的應(yīng)用

2.1 工程概況

廣州地鐵十四號(hào)線神崗高架車(chē)站位于廣州市從化區(qū)太平鎮(zhèn)神崗村105國(guó)道上,起訖里程YDK50+817～YDK50+937,長(zhǎng)120 m,北接鄧村站,南接太平站,呈南北走向。車(chē)站含架空地面層、二層有銜接出入口的人行天橋及設(shè)備管理安裝房和站廳層、三層為站臺(tái)層。結(jié)構(gòu)全部采用現(xiàn)澆混凝土;屋面及站臺(tái)下夾層以上外圍護(hù)部位采用輕鋼結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)坡度為平坡,車(chē)站軌面高程46.800 m。支撐體系采用Φ48 mm的鋼管搭設(shè),鋼管涂刷鐵紅色防銹漆,支撐體系搭設(shè)間距為1 000 mm×800 mm,步距1 800 mm,剪刀撐搭設(shè)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(shè)必須每個(gè)扣件擰緊。為預(yù)防雷暴天氣增加腳手架整體穩(wěn)固性,需在腳手架兩側(cè)用纜風(fēng)繩與地面以45°～60°夾角對(duì)拉,于地面施打膨脹螺絲固結(jié)。車(chē)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(cè)點(diǎn)的布設(shè)原則及方法

2.2.1測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則

測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)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(shí)應(yīng)分別在1/4、1/2、3/4位置布置等原則。

2.2.2測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法

(1)立桿傾角傳感器在立桿上部靠近頂托附近,安裝時(shí),在被測(cè)的安裝部位打磨,使其表面平整。傳感器固定時(shí),應(yīng)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(shí)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(kāi)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(biāo)靶安裝于立桿頂部,底部安裝激光發(fā)射器,應(yīng)使激光照準(zhǔn)于接收面板中間位置,避免側(cè)偏否則稍有位移,激光照射不到激光標(biāo)靶測(cè)點(diǎn)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(cè)中,智能無(wú)線采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)布設(shè)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(gè))。人工采集監(jiān)測(cè)布設(shè)了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖如圖3所示,傳感器實(shí)景圖如圖4所示。

圖3 神崗站首層第二段澆筑監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(yù)警值的設(shè)置

根據(jù)支撐體系相關(guān)參數(shù)計(jì)算,結(jié)合相關(guān)的規(guī)范、文件對(duì)該工程的立桿傾角、模板沉降、立桿軸力及水平位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目確定以下預(yù)警值及控制值,如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)警值及控制值

2.4 數(shù)據(jù)采集

傳感器安裝完成后,首先打開(kāi)在采集主機(jī)內(nèi)置的專(zhuān)業(yè)采集軟件,按照程序建立項(xiàng)目并填寫(xiě)相關(guān)信息,根據(jù)傳感器編號(hào)添加對(duì)應(yīng)的編號(hào)及輸入預(yù)警值進(jìn)行測(cè)試。輸入預(yù)警值主要作用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值時(shí),系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線聲光報(bào)警器自動(dòng)向現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)出預(yù)警。在混凝土澆筑前通過(guò)無(wú)線喚醒方式將所有采集傳感器進(jìn)行喚醒開(kāi)機(jī)并進(jìn)行歸零初始化即初始值采集。正常情況下監(jiān)測(cè)頻率為5 min/次,當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況時(shí),可將頻率最高調(diào)整為1 S/次。神崗站首層4#-7#軸支架現(xiàn)澆高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自2017年9月10日08 ：25時(shí)開(kāi)始,于2017年9月10日18 ：45時(shí)結(jié)束,監(jiān)測(cè)工作歷10個(gè)小時(shí)20分,貫穿整個(gè)混凝土澆筑施工過(guò)程。

2.5 成果分析

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

由圖5可以看出,在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,立桿傾角因受振搗混凝土過(guò)程中產(chǎn)生的影響,呈現(xiàn)出震蕩情況,但震蕩幅度相對(duì)較小;立桿軸力在混凝土澆筑位置移至附近時(shí),該點(diǎn)受力情況有所下降,可說(shuō)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(xiàn)3次跳躍性變化,且基本處于同一時(shí)間,因此,在混凝土澆筑過(guò)程,支架體系承載力達(dá)到一定程度時(shí),模板沉降及水平位移均會(huì)發(fā)生一定的變化。模板沉降在荷載最大的時(shí)候,累計(jì)變化量為-8.81 mm,超出了報(bào)警值8 mm。各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目所發(fā)生變形時(shí)間段(9 ：20—15 ：00)基本是一致的,且該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置從混凝土澆筑到結(jié)束正好是這時(shí)間段。驗(yàn)證了智能無(wú)線采集技術(shù)可反映出混凝土澆筑時(shí)支撐體系的真實(shí)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(guò)智能無(wú)線采集與基于Leica TS60全站儀人工采集數(shù)據(jù)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(jié)果基本一致。

表3 智能無(wú)線采集與人工采集成果比較 單位:mm

2.6 預(yù)警情況處置及結(jié)果

當(dāng)S2-02模板沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到預(yù)警情況時(shí),監(jiān)測(cè)單位立即通知現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師及施工負(fù)責(zé)人。按通過(guò)專(zhuān)家論證方案,啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案,立即停止混凝土澆筑,同時(shí)疏散施工作業(yè)人員。觀察一定時(shí)間,待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)有繼續(xù)沉降趨勢(shì),由施工單位組織,各參建方一起排查隱患,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在該測(cè)點(diǎn)位置處有頂托未上緊。針對(duì)該問(wèn)題采取上緊頂托,同時(shí)增加了橫向剪刀撐等加固措施。在后續(xù)的澆筑過(guò)程中該位置不再出現(xiàn)繼續(xù)沉降情況。

3 案例應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):(1)一般高支模施工安全事故的發(fā)生具有突發(fā)性,傳統(tǒng)的人工采集監(jiān)測(cè)則需要進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,一個(gè)監(jiān)測(cè)周期下來(lái)耗費(fèi)了大量時(shí)間,預(yù)警效果有限。智能無(wú)線采集技術(shù)監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)元件裝拆簡(jiǎn)便,采集頻率可高達(dá)1 Hz,且監(jiān)測(cè)成果直接在采集軟件呈現(xiàn),大大提高監(jiān)測(cè)工作效率。

(2)為誤差、儀器設(shè)備誤差及氣象環(huán)境誤差是常規(guī)測(cè)量過(guò)程中的主要誤差影響;智能無(wú)線采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均配備高精度傳感器,具有靈敏性高及防水效果,不會(huì)因漏漿或雨水淋濕,造成設(shè)備損壞而影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。全過(guò)程自動(dòng)采集數(shù)據(jù),可免除人工觀測(cè)。因此,這些誤差影響對(duì)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未產(chǎn)生影響,大大提高監(jiān)測(cè)精度。

(3)支撐體系搭設(shè)縱橫交叉錯(cuò)亂,觀測(cè)視線受到嚴(yán)重的影響。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全覆蓋無(wú)死角,不受天氣復(fù)雜及夜間照明的影響,人員可離施工現(xiàn)場(chǎng)100 m范圍外進(jìn)行24 h進(jìn)行采集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),降低作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

缺點(diǎn):無(wú)線信號(hào)易受干擾,部分傳感器元件與采集主機(jī)出現(xiàn)間接性短暫無(wú)法連接情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)智能無(wú)線采集技術(shù)在高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,分析支撐體系監(jiān)測(cè)參數(shù)的數(shù)據(jù)變化情況及應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),并與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)比較,得出幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)應(yīng)用智能無(wú)線采集技術(shù)監(jiān)測(cè),與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)比較,監(jiān)測(cè)成果基本一致,成果可真實(shí)反映支撐體系的變化情況。

(2)混凝土澆筑前,應(yīng)對(duì)整體支撐體系進(jìn)行全面檢查,排除支撐體系不穩(wěn)定性因素,預(yù)防和杜絕事故發(fā)生,保證施工安全。

(3)傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)需要人員在整過(guò)施工過(guò)程定期到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)采集數(shù)據(jù),應(yīng)用智能無(wú)線采集技術(shù)監(jiān)測(cè)只需要在監(jiān)測(cè)前去到現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試傳感器以及監(jiān)測(cè)后拆除即可,監(jiān)測(cè)過(guò)程中設(shè)備可通過(guò)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)超限由設(shè)備自動(dòng)響應(yīng)報(bào)警,符合去人力化的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。

(4)不受復(fù)雜氣象環(huán)境影響可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)范圍全覆蓋無(wú)死角,24 h全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè),科學(xué)預(yù)警,智能預(yù)警;采用自動(dòng)采集主機(jī)及配套的高精度傳感器,可高頻(1 Hz)采集最新數(shù)據(jù)并直接呈現(xiàn),提高監(jiān)控水平,為安全施工提供高效信息化指導(dǎo)。