山区高速公路现浇箱梁支架监测预警系统的研发应用

寇光明

（四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610041）

近年来随着我国交通运输事业的蓬勃发展，高速公路建设快速推进，公路等级大幅提高，向山区大幅深入推进，各条高速纵横交错，落地互通、枢杻互通立交也越来越多，桥梁比重越来越大。现浇连续箱梁由于变形小、结构刚度好、行车平顺、伸缩缝少、抗震能力强、跨径设置灵活等优点，被广泛应用于互通立交的匝道、主线交叉口段、上跨段等。施工方法目前有支架法、移动模架法等，其中支架法（碗扣、盘扣、组合）被广泛运用，支架稳定性受山区地形、地质、气象、工人操作工艺、预压效果、施工荷载等影响，安全风险较大，属于超出一定规模的危险性较大的分部分项工程，应当进行重点监控。在砼浇筑逐渐施加荷载的过程中，如何利用信息化手段自动监测支架的变形，并对超出变形容许值进行预警，从而达到降低安全风险的目的，是值得研究的课题。

1 工程概况

四川省仁寿至屏山新市公路位于四川南部，由北向南途经眉山、乐山及宜宾三市，是国家高速公路网规划的上海至成都高速公路（G42线）成都至丽江联络线（G4216线）的组成部分。LJ11标段位于乐山市沐川县辖内，主线仁沐高速呈东北-西南方向分布，起于K115+300，止于K119+012，主线全长3.712km。沐川连接线及马边支线起点NK0+000与在建五沐快速通道相接，止于NK3+033.15，全长3.033km，主线与连接线“十”字交叉成沐川枢杻互通并落地。采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度80km/h，路基宽度25.5m。主要工作内容为桥梁工程23座、隧道工程2座、路基土石方170万m3。桥隧造价占项目投标总价的81.4%。沐川枢纽式互通立交为单环半苜蓿叶半定向立交方案。立交分2层布设，沐川连接线及马边支线、G、H匝道为第一层，仁寿经沐川至屏山新市镇高速为第二层。

本区域为山岭重丘区，地形、地质条件复杂，线路及匝道基本沿3条冲沟布设展线，山高坡陡，植被茂盛，地质以黏土、砂岩、页岩为主，沟底覆盖层较厚。本项目共计16座桥涉及连续箱梁，设计连续箱梁218跨，C50混凝土7万m3，梁高分为1.4m、1.6m、1.8m、3.0m，支架普遍高度为25～30m，高度最达50m。由于本项目的特殊性，现浇箱梁体量大，安全风险高，施工难度大，在施工过程中，笔者积极总结，不断探索，总结研发了一套支架监测预警系统，为项目的安全生产保驾护航。

2 常规支架监测方式

2.1 仪器监测

混凝土浇筑过程中，按每断面10～12m布置观测点，每断面不少于3点，使用水准仪和全站仪每30min进行监测一次，位移量达到预警值需立即停止作业，疏散作业人员，并查找原因，重新加固处理。此方法需要测量人员在浇筑全过程进行监测，尤其是在夜间施工，劳动强度大，受光线影响，人为误差大，失误概率高。

2.2 人工监测

（1）在混凝土浇筑施工前，安排熟练的支架工对支架杆件、连接、剪刀撑、顶底托进行全面检查；（2）检查支架的搭设方式及间距是否满足设计及规范要求；（3）在浇筑过程中，安排专人在地下实时观测支架的稳定性及基础情况，利用吊垂线监测支架的变形。如支架变形过大、支架倾斜或基础开裂，就应立即停止施工，并疏散作业人员。由于山区地形陡、风大，此方法对支架的变形监测不精准，测量数据偏差较大，不能有效地指导施工，存在较大的风险。

3 新型支架监测系统

本项目由于连续箱梁跨数多，工程量大，同时开工的点多，若采用人工及测量仪器监测，需要的人员较多，其劳动强度大，且不能有效地实现监测变形并降低安全风险的目的。结合项目的实际情况，与软件公司开发了一套监测预警系统（见图1）进行全过程监测，一方面降低安全风险，另一方面提高项目信息化管理水平。系统由主机、水平传感器、激光传感器及反射片、报警装置、采集器等组成，其中水平传感器主要测定支架水平位移，激光传感器及反射片主要测定支架沉降。

4 监测预警系统原理

（1）本系统利用水平传感器测定现浇支架位移值，激光传感器测定下沉值。水平传感器与激光传感器通过有线方式接入到采集盒中。

（2）在现浇支架出现下沉情况时，支架整体与地面的相对距离减小，激光传感器测定的实际距离也随之变小，采集盒将收集的激光传感器的数据通过ZigBee模块无线传输至主机中，主机通过对数据的处理后显示在界面上，并判断是否在限值内。若超出限值，主机输出报警信号给报警灯发出声光警报。

图1 支架监测预警系统

（3）若现浇支架出现位移情况，支架整体产生相对角度，水平传感器将测定的相对角度数据传给采集盒，采集盒将收集的水平传感器的数据通过ZigBee模块无线传输至主机中，主机通过多数据的处理换算成距离值显示在界面上，并判断是否在限值内。若超出限值，主机输出报警信号给报警灯发出声光警报。

（4）激光传感器以及水平传感器通过走线方式接入数据采集器中，充电电池给采集器持续供电。采集器将收集的数据通过ZigBee模块与主机ZigBee模块无线通信传输到主机中，主机将分析数据显示在主机屏幕上。当出现超出设定数值的情况发生后，主机发出信号给报警灯，报警灯发出声光警报提醒工作人员。

（5）计算原理：以两桥墩为例，两桥墩之间安装激光传感器及水平传感器（见图2～图5）。支架中部安装激光传感器用于测量现浇支架下沉，支架两侧安装水平传感器用于测量现浇支架整体偏移以及局部偏移。当支架下沉时，激光传感器射出到反射板上的光线长度变小，通过主机计算，计算出实际下沉的高度（见图6）。

激光传感器通过角度倾斜安装于现浇梁支架顶部向斜下方照射，通过反光板反射光源得到初始距离。当现浇支架下沉时，反射板与激光传感器之间的实际距离减小，通过采集盒将数据上传到主机，主机通过运算得到下沉的实际位移数值显示在主机屏幕上。

图2 支架监测预警系统安装立面图

图3 支架监测预警系统安装平面图

图4 传感器现场安装示意图

图5 传感器现场安装图

图6 支架变化计算示意图

水平传感器通过安装支架安装于现浇梁支架顶部中轴线位置水平安装，通过测定现浇梁支架偏移角度计算出偏移量，通过采集盒将数据上传到主机，主机通过运算得到下沉的实际位移数值显示在主机屏幕上。

安全管理系统监测现浇支架整体下沉、偏移，部分下沉、部分偏移，通过主机设置的下沉及偏移报警值，达到临界点时通过声光报警提示支架上的工作人员及时撤离。

5 本监测预警系统的应用

截至目前，本项目已完成现浇箱梁150跨，工程量完成70%。在已完成的现浇箱梁施工中，均采用本监测预警系统，且过程安全顺利。采用本监测预警系统存在以下优点：

（1）安装简单快捷，无技术难度，降低了对作业工人的操作水平要求。

（2）减少了作业人员投入。以往的检测方法需要派专人观测，本系统安装好后不再需要人员检测，若超出预警值，会立即启动声光报警装置。

（3）支架的情况会以数据的形式实时展现在系统界面上，超出预警值会立即显示，并声光报警，提醒作业人员。

（4）且本系统具备存储功能，能将实时数据记录保存。当支架发生事故后，能做到有据可查，且具追溯性，5月30日监测数据如表1所示。

（5）可对全过程的数据进行分析研究，总结出各个工况状态下支架的受力变形情况，为支架方案的修正和完善提供参与依据。

（6）现场可安装无线发射装置，监测数通过DTU将数据打包传给远程后台，然后通过手机App端向服务器请求数据并解析，显示在手机端，实现远程测控，提升项目化管理水平。

表1 5月30日监测数据

6 结束语

“以人为本”是我国安全生产的宗旨，“高质量发展”是我国新时代的目标，“科技创新”是我国繁荣发展的方向。本系统以科技产品替代了传统的人工操作，减少了作业人员的投入，在经济效益上起到了节能增效的作用，且在应用中得到了有效证实，能为同类型工程施工提供参考，具有较强的推广价值。