智能无线监测技术在广州某地下工程高支模中的应用

罗雪洪

（中交城市投资控股有限公司 广州510290）

0 引言

施工过程中的重大安全事故时有发生，其中支撑高度超过8 m，或搭设跨度超过18 m，或施工总荷载大于15 kN/m2，或集中线荷载大于20 kN/m 的模板支撑系统（高大模板支架，简称“高支模”）垮塌事故所占比例极高［1，2］。张永春等人［3］认为进行高支模全过程监控具有重要的现实意义，然而现有高支模施工的监控方法主要是采用光学仪器，具有无法覆盖关键杆件、重点部位、只能了解高支模外围情况而无法感知高支模安全情况等缺点，应采用高支模服役全过程远程监控系统进行监控量测。邱凌云等人［4］建立了以多传感器协同监测、远程监控系统和智能全站仪监测等现代技术为依托的大型高支模智能监测预警系统，并进行了工程应用。姜珂等人［5］利用智能无线监测预警系统对高支模架体受荷坍塌过程进行了实时监测，分析架体的变形和预警情况。

本文以广州市南沙区某地下空间工程为依托，介绍智能无线传感技术在高支模监测工程中的实施及应用情况，以期为后续类似工程提供参考。

1 工程概况

在粤港澳大湾区国家战略背景下，广州提出了将南沙区作为唯一副中心，打造成湾区交通中心的发展目标［6］，其中地下空间的开发是交通建设中的一个重要环节。南沙区某地下空间工程位于南沙区横沥镇灵山岛，建设内容主要包括沿线地下商业街、垂直交通空间、地下公共通道的建筑、结构、基坑围护、空调通风、电气、建筑给排水等。本工程建筑面积约3.98 万m2，总长度约837 m，分为东、西和中3 个区进行基坑和结构施工，其结构标准宽度为40 m。其中西区的地下空间的平面布置、典型断面如图1、图2 所示。由图1、图2 可知，西区地下空间长度约310 m，标准段层高7.70 m，管廊部位降板层高5.86 m，其中板厚600 mm，梁 有700 mm×2 500 mm、700 mm×2 300 mm、700 mm×1 100 mm、700 mm×1 000 mm 等尺寸。在进行结构施工时，西区地下空间沿着纵向共分成10 个施工区域，分别命名为W1～W10区。

图1 西区地下空间平面布置Fig.1 Plan View of West Undeground Space

图2 西区地下空间典型断面Fig.2 Typcial Cross-section of West Undeground Space

根据安全、经济、施工方便等要求，本工程采用碗扣式钢管脚手架的模板支撑体系。碗扣钢管规格为φ 48×3.5（计算时按φ 48×3.0），无缝钢管规格为φ 48×3.5，模板面板采用18 mm厚胶合板，方木采用100 mm×100 mm 松木，对拉螺栓采用φ 14 圆钢，高大模板支架的典型断面如图3所示。

图3 西区高大模板支架体系断面Fig.3 Cross-section of High-formwork Support System for West Undeground Space

由于受碗扣架搭设材料定型模数限制，局部梁两侧板下悬空部位或局部非超重梁需采用钢管加顶托方式加固。采用品茗施工安全设施计算软件对模架设计进行验算，考虑的荷载标准值为：①模板0.30 kN/m2；②新浇混凝土自重24 kN/m3；③钢筋自重，板中取1.1 kN/m3，梁中取1.5 kN/m3；④施工荷载标准值为2.5 kN/m3。

2 智能无线监测技术应用

为掌握混凝土浇捣过程中高支模支撑体系的工作状态，保障高支模支架现浇混凝土工程施工安全，及时发现混凝土浇捣过程中高支模系统监测参数的异常变化，防止高支模垮塌等安全事故的发生，针对危险性较大的高支模工程引进实施智能无线监测系统，以确保施工安全。

智能无线监测系统包括现场传感器、全站仪和摄像头安装部分、无线数据传输网络、数据控制中心、预警模块四部分，如图4 所示。采用现场传感器进行监测的项目包括：模板水平位移和沉降、支撑轴力及立杆倾角。传感器的具体参数如表1所示。

图4 智能无线监测系统示意图Fig.4 Schematic Map of Intelligent Wireless Monitoring System

表1 现场传感器参数Tab.1 Cross-section of High-formwork Support System for West Undeground Space

传感器的布设位置为：①位移观测点设置于关键部位或薄弱部位，设置于模板单元框架顶部的四角、四边中部以及中部受力较大的部位；②轴压传感器安装在顶托与模板底梁之间；③倾斜观测点位于支撑体系的特征点处，如支撑体系四角、长边中点以及其他根据施工现场特点需要重点关注的部位。此外，传感器与通讯设施模块分离，通过软线连接，避免通讯设备在更换电池、设置参数过程中对监测结果的干扰。

3 监测方案

以W5 和W10 区为例，沿着纵向均设置了8 个监测点，如图5所示。

图5 监测点布置Fig.5 Monitoring Point Layout

根据广州市建设主管部门颁布的规范、文件，确定各监测指标的限值和预警值如表2 所示，其中支撑轴力预警值以略高于理论计算值为依据设置。

表2 监测项目及限值Tab.2 Monitoring Items and Limit Value

W5 区的监测于2017 年12 月21 日10∶00 开始，至次日9∶00 结束，共历时23 h；W10 区的监测于2017 年12 月28 日9∶00 开始，至次日4∶00 结束，共历时19 h，均为每0.5 h采集1次数据。

4 监测结果分析

由于篇幅限制，仅绘制监测点W10-8模板水平和沉降随时间变化曲线、倾角与支撑轴力变化曲线，如图6、图7所示。

由图6、图7 可知，在混凝土浇筑过程中，模板沉降和支撑轴力都呈现出明显的阶段性和跳跃特征，主要表现为：①W10-8 的模板沉降出现三阶段跳跃，在浇筑当天的13∶30到14∶30出现从0到7.5 mm的跳跃，16∶30 到17∶30 出现从7.5 mm 到11.5 mm 的跳跃，然后在23∶00 到23∶30 出现了从11.5 mm 到14 mm 左右的最后一次跳跃；②W10-8的支撑轴力出现两阶段跳跃，分别在22∶00 到22∶30 以及23∶30到00∶00这2个时段，轴力值分别从0 kN增长到9 kN，再到15 kN左右。模板的最终沉降接近预警值15 mm，但支撑轴力低于预警值23 kN。

图6 模板水平位移和沉降变化曲线Fig.6 Horizontal Displacement and Settlement Curve of the Template

图7 支撑轴力和立杆倾斜率变化曲线Fig.7 Change Curve of Support Axis Force and Pole Inclination Rate

模板的水位平移和立杆倾斜率都呈现出振荡上行趋势，但总体量值较小，水平位移最大约达2.5 mm，立杆倾斜率最大约为0.35%，都明显低于限值要求。

表3 汇总了W5 和W10 区共计16 个监测点位的模板沉降、水平位移、立杆倾角和支撑轴力最大值。

表3 监测最大值汇总Tab.3 Maximum Value of Monitoring Items

结合监测点位布置图（见图5），可知W5 区监测较大值主要出现在W5-6 和W5-7，即西侧南、北2 个监测点；W10 区监测较大值主要出现在W10-7 和W10-8，即南侧的2个监测点。此外，从总体上看，W5区的监测值小于W10 区，安全系数更大。因此，虽然所有监测项目都未超过预警值，但需关注模板南侧的安全问题。这可能是由于混凝土浇筑过程中，局部布料不均匀，从而造成局部数据偏高。

表4 对W10 区支撑轴力的理论计算值和实测值进行了汇总和对比。由表4 可知，W10 区每个支撑轴力的计算值均比理论值大，安全系数在1.5～2.2 之间，这表明模板系统的设计比较安全、可靠。

表4 支撑轴力计算值与监测值、预警值Tab.4 Computed，Monitoring and Early-warning Value of Trut Anxial Force

在实际应用中，由于安装质量和传输精度的影响，智能无线监测系统出现过几次误判和无效数据。分析原因主要包括以下几个方面：①传感器的传输路径和接收方式主要依靠无线接收，现场的干扰源（如电焊机、发动机等）存在或多或少的影响；②传感器安装时，作业人员安装质量不到位或安装位置不当；③支架内模板巡查工人在安全巡查过程中，无意间可能碰触到传感器或数据线。

因此，加强对传感器安装质量、安装位置的合理性、干扰源的避让，是有效控制监测数据精度和准确性的一种有效途径。

5 结语

本文介绍了广州市南沙区某地下空间工程西区的高支模方案设计，及智能无线监测技术在该工程中的应用，分析了模板水平位移、沉降、立杆倾斜率和支撑轴力的变化情况，分析了系统数据误判和无效数据的原因。主要得出如下结论：

⑴在混凝土浇筑过程中，智能无线监测系统实现了对模板、立杆变形和支撑轴力等的全过程实时感知。

⑵模板的沉降和支撑轴力呈现出明显的阶段性和跳跃特征，具有明显的警示作用，需重点关注；模板水平位移和立杆倾斜率呈现出振荡上行趋势，整体变化量较小。

⑶支撑轴力实测值与理论值的对比表明模板系统的安全系数在1.5～2.1 之间，验证了设计方案的安全可靠性。

⑷采用智能无线监测系统进行高支模监测时，需注意消除无线信号干扰、施工可靠性和设备保护问题，从而避免出现误判和无效数据。