鄧 正 楷， 鄧 樹(shù) 密， 鄧 歡

(中國(guó)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(xiǎn)征兆到事故發(fā)生通常只有數(shù)分鐘時(shí)間，加之其本身具有的高空間、大跨度等特點(diǎn)，導(dǎo)致高支模安全事故一旦發(fā)生往往會(huì)造成重大人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在高排架監(jiān)測(cè)研究方面，朵潤(rùn)民等[1]對(duì)高速公路匝道高支模體系進(jìn)行了預(yù)壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)χ误w系進(jìn)行全過(guò)程、全方位的監(jiān)測(cè)；樊冬冬[2]針對(duì)傳統(tǒng)高支模架體變形的監(jiān)測(cè)，探索了變形監(jiān)測(cè)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(wú)線監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)高排架的在線監(jiān)測(cè)。筆者以古瓦水電站為例，對(duì)該系統(tǒng)的研究與應(yīng)用過(guò)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(kù)六級(jí)”梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的“龍頭水庫(kù)”電站。2017年10月15日，該電站首部樞紐進(jìn)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(zhǎng)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(jiàn)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(hù)的方式予以防護(hù)，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(jī)及鉆具、作業(yè)人員、材料等，在腳手架上進(jìn)行編錨作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)的高排架照片見(jiàn)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(xiàng)目部技術(shù)人員經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，成功研制出了高排架智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 古瓦水電站崩塌滑坡體

圖2 現(xiàn)場(chǎng)腳手架

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該高排架無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要利用LoRa技術(shù)和4G技術(shù)，通過(guò)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(duì)高排架進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。高排架無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括無(wú)線傳感器、路由器、協(xié)調(diào)器、設(shè)備、短信報(bào)警設(shè)備和監(jiān)測(cè)軟件。無(wú)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(wú)線傳感器設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)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(guò)RS232 串口傳輸至GRPS設(shè)備，GRPS設(shè)備通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送至監(jiān)測(cè)軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警。

FMC610高排架應(yīng)變和水平變形在線檢測(cè)系統(tǒng)由應(yīng)變測(cè)量?jī)x、位移測(cè)量?jī)x、現(xiàn)場(chǎng)通信總線、數(shù)據(jù)通信基站、監(jiān)測(cè)電腦和現(xiàn)場(chǎng)供電總線等構(gòu)成。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)高排架支撐系統(tǒng)的支架變形和立桿軸力實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)“超限預(yù)警”危險(xiǎn)報(bào)警的監(jiān)測(cè)目標(biāo)；同時(shí)，該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)安裝快捷便利。該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線接收數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)能夠做到歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可查、操作簡(jiǎn)便、功能直觀，進(jìn)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(cè)量范圍為：±2 500 με，分辨力可達(dá)±1 με；全自動(dòng)拉線位移變形測(cè)量范圍為0～80 cm；分辨力可達(dá)0.1 mm，精度為1 mm；溫度測(cè)量?jī)x采用工業(yè)級(jí)的溫度測(cè)量設(shè)備，測(cè)量范圍為-70 ℃～500 ℃，測(cè)量精度可達(dá)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(kù)軟件和監(jiān)測(cè)軟件。主機(jī)和無(wú)線通信基站設(shè)備安裝照片見(jiàn)圖3、4。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)安裝

圖4 無(wú)線通信基站設(shè)備

3 監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器安裝

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選取遵循傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的原則，監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)能覆蓋結(jié)構(gòu)評(píng)估的要求。根據(jù)以上原則，考慮到支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合支架實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1，測(cè)點(diǎn)布置情況見(jiàn)圖5。

表1 支架監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表

圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 監(jiān)測(cè)頻率

高支模的監(jiān)測(cè)時(shí)間為錨桿支護(hù)施工開(kāi)始至錨桿支護(hù)完畢。監(jiān)測(cè)頻率為每1～5 min/次 。

3.3 監(jiān)測(cè)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 MPa 的 Q235 鋼材。選用梁?jiǎn)卧獙?duì)鋼管腳手架進(jìn)行建模。在考慮邊界條件時(shí)，由于應(yīng)用支架節(jié)點(diǎn)剛接理論及鉸接理論所得到的計(jì)算結(jié)果可能差異較大，故同時(shí)建立了鋼管腳手架節(jié)點(diǎn)剛接模型和節(jié)點(diǎn)鉸接模型。由于節(jié)點(diǎn)鉸接模型計(jì)算結(jié)果較為保守，故本監(jiān)測(cè)方案的制定以鉸接模型計(jì)算結(jié)果作為主要參考依據(jù)，節(jié)點(diǎn)剛接模型則用于參照對(duì)比。節(jié)點(diǎn)鉸接模型假設(shè)支架豎桿間采用剛接點(diǎn)連接，橫桿、剪刀撐與支架豎桿間采用鉸接點(diǎn)連接。Midas整體計(jì)算模型見(jiàn)圖6，在恒載和活載組合作用下的桿件軸力情況見(jiàn)圖7。

圖6 Midas Civil 整體計(jì)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(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了位移分級(jí)、分目標(biāo)預(yù)警，對(duì)每一監(jiān)測(cè)方向采用分級(jí)預(yù)警方式。一級(jí)預(yù)警值的設(shè)立原則為鋼管腳手架所承受的荷載超過(guò)設(shè)計(jì)荷載的100%，二級(jí)預(yù)警值的設(shè)立原則為鋼管腳手架所承受的荷載達(dá)到支架極限荷載的80%。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，以上臨界荷載值所對(duì)應(yīng)的鋼管腳手架的應(yīng)變和橫向位移 在設(shè)計(jì)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(dāng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超過(guò)其警戒值時(shí)，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(cè)結(jié)果及分析

4.1 水平位移監(jiān)測(cè)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(gè)拉線位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)1 d(24 h)不間斷地連續(xù)監(jiān)測(cè)支架頂部的水平位移，取得的成果見(jiàn)圖8；圖9為支架頂部1個(gè)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(shí)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(shí)，結(jié)合圖9可知，在一個(gè)月時(shí)間的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，支架水平變化峰值均未超過(guò)安全預(yù)警值，且其變化雖有一定幅度的波動(dòng)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(cè)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(gè)鋼弦傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)1 d(24 h)不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)支架頂部的水平位移，選取應(yīng)變點(diǎn)(337777)取得的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10；圖11為支架頂部1個(gè)月時(shí)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(shí)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(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)? 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(shí)，結(jié)合圖11可知，在一個(gè)月時(shí)間的監(jiān)測(cè)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(guò)安全預(yù)警值，且其變化雖有一定幅度的波動(dòng)，但變化幅度不大，表明支架處于安全狀態(tài)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)高支模的安全風(fēng)險(xiǎn)控制過(guò)程中，基于LoRa技術(shù)和4G技術(shù)研發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)能有效監(jiān)測(cè)支架的受力和位移狀態(tài)，將該系統(tǒng)成功運(yùn)用于實(shí)際項(xiàng)目中，具有高精度、高效率且操作簡(jiǎn)單，成本可控等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣運(yùn)用。