高排架智能监测系统的研制与应用

邓 正 楷， 邓 树 密， 邓 欢

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

高排架在边坡施工中被广泛使用。常用的满堂支架主要有门式支架和碗扣式支架。高排架坍塌事故的发生具有突然性，从出现危险征兆到事故发生通常只有数分钟时间，加之其本身具有的高空间、大跨度等特点，导致高支模安全事故一旦发生往往会造成重大人员伤亡和巨大的经济损失。在高排架监测研究方面，朵润民等[1]对高速公路匝道高支模体系进行了预压实时监测，能够对支撑体系进行全过程、全方位的监测；樊冬冬[2]针对传统高支模架体变形的监测，探索了变形监测技术在高支模施工中的应用。笔者基于LoRa技术和4G技术，构建了适用于高排架的无线监测系统。该系统采用钢弦应变传感器和拉线位移传感器，能够有效地获取高排架施工期间的排架立杆压力和水平位移的动态变化数据，进而实现了对高排架的在线监测。笔者以古瓦水电站为例，对该系统的研究与应用过程介绍于后。

古瓦水电站位于四川省甘孜藏族自治州乡城县境内，是硕曲河干流乡城、得荣段“一库六级”梯级开发方案中的“龙头水库”电站。2017年10月15日，该电站首部枢纽进水口边坡因自然灾害发生了大规模的崩塌滑坡破坏，滑坡范围为底部顺河流长度方向底宽约 115 m，顶宽约 96 m，高度约100 m，古瓦水电站崩塌滑坡体照片见图1。

为保证边坡稳定与施工人员的安全，工程采用预应力锚索支护的方式予以防护，脚手架搭设的整体高度约为95 m，垂直最高立杆高约52 m，搭设宽度约为106 m，搭设面积约为10 070 m2。该区域内的施工荷载主要为钻机及钻具、作业人员、材料等，在脚手架上进行编锚作业。现场搭设的高排架照片见图2。鉴于该高排架搭设于倒悬体高边坡上，为确保高排架的整体稳定性，项目部技术人员经过反复思考，成功研制出了高排架智能化监测系统。

图1 古瓦水电站崩塌滑坡体

图2 现场脚手架

2 监测系统的结构

该高排架无线监测系统主要利用LoRa技术和4G技术，通过使用钢弦应变传感器和拉线式传感器采集高排架立杆的压力和水平位移数据对高排架进行实时在线监测。高排架无线监测系统主要包括无线传感器、路由器、协调器、设备、短信报警设备和监测软件。无线传感器主要包括钢弦应变传感器，用于采集支架结构立杆的压力数据；拉线式传感器用于采集立杆的水平位移；无线传感器设备将采集到的数据通过无线射频模块发送至路由器，路由器将接收数据转发至协调器，协调器将接收到的数据通过RS232 串口传输至GRPS设备，GRPS设备通过ZigBee网络将数据送至监测软件中进行数据显示、存储和报警。

FMC610高排架应变和水平变形在线检测系统由应变测量仪、位移测量仪、现场通信总线、数据通信基站、监测电脑和现场供电总线等构成。该监测系统通过对高排架支撑系统的支架变形和立杆轴力实施实时监测，可以实现实时监测“超限预警”危险报警的监测目标；同时，该智能监测系统测点安装快捷便利。该系统通过无线接收数据，实时监测警报系统能够做到历史监测数据可查、操作简便、功能直观，进而提高了工作效率。

传感器系统包括：钢弦应变传感器、拉线位移传感器和温度传感器。其中，应变传感器的测量范围为：±2 500 με，分辨力可达±1 με；全自动拉线位移变形测量范围为0～80 cm；分辨力可达0.1 mm，精度为1 mm；温度测量仪采用工业级的温度测量设备，测量范围为-70 ℃～500 ℃，测量精度可达0.1 ℃。通信设备包括：通信基站和通信中继站；软件系统包括：数据库软件和监测软件。主机和无线通信基站设备安装照片见图3、4。

图3 现场主机安装

图4 无线通信基站设备

3 监测方案的设计与实施

3.1 监测项目及仪器安装

监测项目的选取遵循传感器实时监测的原则，监测内容应能覆盖结构评估的要求。根据以上原则，考虑到支架结构特点并结合支架实际运营状况，长期监测系统的监测项目见表1，测点布置情况见图5。

表1 支架监测项目表

图5 测点布置图

3.2 监测频率

高支模的监测时间为锚杆支护施工开始至锚杆支护完毕。监测频率为每1～5 min/次 。

3.3 监测阀值的确定

脚手架的每根竖杆、横杆及剪刀撑均采用外径为48 mm，壁厚3 mm的圆环截面。材料选取弹性模量为206×103MPa、泊松比为0.3、密度为7 850 kg / m3、抗拉强度设计值为205 MPa 的 Q235 钢材。选用梁单元对钢管脚手架进行建模。在考虑边界条件时，由于应用支架节点刚接理论及铰接理论所得到的计算结果可能差异较大，故同时建立了钢管脚手架节点刚接模型和节点铰接模型。由于节点铰接模型计算结果较为保守，故本监测方案的制定以铰接模型计算结果作为主要参考依据，节点刚接模型则用于参照对比。节点铰接模型假设支架竖杆间采用刚接点连接，横杆、剪刀撑与支架竖杆间采用铰接点连接。Midas整体计算模型见图6，在恒载和活载组合作用下的杆件轴力情况见图7。

图6 Midas Civil 整体计算模型图

图7 恒载+活载基本组合作用下的杆件轴力图

笔者将钢管脚手架监测系统进行了位移分级、分目标预警，对每一监测方向采用分级预警方式。一级预警值的设立原则为钢管脚手架所承受的荷载超过设计荷载的100%，二级预警值的设立原则为钢管脚手架所承受的荷载达到支架极限荷载的80%。根据有限元计算结果可知，以上临界荷载值所对应的钢管脚手架的应变和横向位移 在设计的预警值范围内。应变阀值的确定：按照构件在恒载+活载最不利荷载组合下，应变阀值为72 με。水平位移阀值的确定：按照构件恒载+活载最不利荷载组合下，水平位移阀值取为60 mm。当监测项目超过其警戒值时，必须迅速停止施工，待查明原因后方可继续施工。

4 监测结果及分析

4.1 水平位移监测结果及分析

为了分析支架顶部的水平位移，在支架顶部安装了2个拉线位移传感器进行监测。通过1 d(24 h)不间断地连续监测支架顶部的水平位移，取得的成果见图8；图9为支架顶部1个月间水平位移峰值随日变化曲线。

图8 支架顶水平位移随时间变化曲线图

图9 支架顶水平位移每日峰值随日变化曲线图

由图8可知：支架顶部的水平位移在1 d(24 h)内、在日常施工条件下的最大水平位移为41.2 mm，小于安全预警值，表明支架结构在施工荷载作用下其结构处于正常工作状态。同时，结合图9可知，在一个月时间的监测周期内，支架水平变化峰值均未超过安全预警值，且其变化虽有一定幅度的波动但变化幅度不大，表明支架处于安全状态。

4.2 应变监测结果及分析

为了分析支架轴向受力状态，在支架顶部安装了6个钢弦传感器进行监测。通过1 d(24 h)不间断连续监测支架顶部的水平位移，选取应变点(337777)取得的测试结果见图10；图11为支架顶部1个月时内内水平位移峰值随日变化曲线。

图10 支架应变随时间变化曲线图

图11 支架应变每日峰值随日变化曲线图

由图11可知：支架测点应变在1 d(24 h)内、在日常施工条件下的最大水平位移为34 με，小于安全预警值，表明支架结构在施工荷载作用下其结构处于正常工作状态。同时，结合图11可知，在一个月时间的监测周期内，支架应变变化峰值(最大应变峰值为61 με)均未超过安全预警值，且其变化虽有一定幅度的波动，但变化幅度不大，表明支架处于安全状态。

5 结 语

综上所述，在对高支模的安全风险控制过程中，基于LoRa技术和4G技术研发的实时监测警报系统能有效监测支架的受力和位移状态，将该系统成功运用于实际项目中，具有高精度、高效率且操作简单，成本可控等优点，值得推广运用。