自動化實時監測技術在水中現澆橋梁模板支撐工程中的應用與研究

葉建新 鐘學森 劉權 羅業超 曾綺琪

（1 廣州廣檢建設工程檢測中心有限公司)

(2 廣東省建筑物健康監測與安全預警工程技術研究中心)

(3 廣州市增城區公共建設項目管理服務中心）

廣東省內河道豐富，水中施工平臺與滿堂支架組合的支撐模板體系是現澆橋梁常用的施工方法，水中施工與模板支撐工程均屬于危險性較大的分部分項工程。根據2020 年房屋市政工程生產安全事故情況的通報，模板支撐體系（腳手架）坍塌類事故占總數的17.39%，是風險防控的重點和難點，而在混凝土澆筑期間實時監測的重要性不言而喻[1]。在廣東地區，模板支撐工程的安全監測技術發展的較早，在2020 年已發布了高支模實時監測廣東省地方標準《高大模板支撐系統實時安全監測技術規范》（DBJ/T15-197-2020）[2]，有一套成熟的普通高支模自動化監測方案[3-9]。而水中現澆橋梁支撐模板體系復雜，受環境影響因素較多，無穩定變形基準點，目前尚沒有針對水中現澆橋梁模板支撐工程的統一自動化監測方案。因此，本文以廣州某跨河現澆施工橋梁工程[10]為依托，在本次工程中在傳感器為主的高支模實時監測系統中加入測量機器人作為變形監測的補充措施，對混凝土澆筑過程的實時監測過程進行分析與研究，實現對監測結果實時反饋，數據變化超過預警值時自動預警，為水中現澆橋梁支撐模板工程施工的提供安全保障措施，并為同類工程提供相關參考。

1 工程概況

該項目橋梁全長170 米，跨徑組成分別為28 米、30米、55 米、30 米、27 米，分車行橋、人行橋雙幅橋布置。其中，車行橋橋面寬度為14.5 米，人行橋橋面寬度為6米。如圖1、圖2所示，在人行橋上，設置了鋼結構連廊；在3、4 號軸車行橋一側，設置了觀光亭。車行橋與人行橋的上部結構均為預應力混凝土連續剛構。主梁為單箱雙室截面，跨中梁高1.4 米，在橋墩兩側12 米范圍內的梁高按圓弧線變化，主墩處梁高由4.5 米變化至1.4米，邊墩處梁高由4.0 米變化至1.4 米。箱梁兩側翼緣寬2.5 米，腹板厚40 至60 厘米，底板厚24 至100 厘米，頂板厚26 至46 厘米。而人行橋的主梁為單箱單室截面，主墩處梁高10.39米，邊墩處梁高為4.19米，中跨跨中梁高1.8 米，梁高按圓弧線變化，邊跨及次邊跨跨中梁高為1.6米，梁底曲線與車行橋保持一致。腹板厚40至60厘米，底板厚24至120厘米，頂板厚28至48厘米。

圖1 3#-4#主跨墩頂支撐系統截面圖

圖2 3#-4#主跨1/2支撐系統截面圖

1.1模板支撐體系

模板支撐體系由水中施工平臺與扣件式鋼管支架組成，見表1。水中施工平臺如下：鋼管樁：采用D630×8 鋼管樁作為支承立柱。人行橋樁間距一般段為8m（橫橋方向）×（2.3～3.6)m（順橋方向），車行橋樁間距一般段為14m（橫橋方向）×(2.3～3.6)m（順橋方向）。貝雷梁：在垂直樁頂主梁方向設置貝雷梁，貝雷梁采用槽鋼卡箍與樁頂主梁連接，人行橋墩柱6 米范圍內，貝雷架橫向設置間距平均0.6 米，跨徑8 米；人行橋其余范圍內，貝雷架橫向設置間距平均1 米，跨徑8 米；車行橋墩柱6 米范圍內，貝雷架橫向設置間距平均0.6 米，跨徑14 米；車行橋其余范圍內，貝雷架橫向設置間距平均1米，跨徑14米。

表1 扣件式鋼管支架參數

1.2橋梁澆筑順序

在橋梁中跨混凝土施工時，位于3#、4#軸線上于兩臺天泵，由柱頭往中間同時開始作業，天泵位置及攪拌車行使線路。車行橋中跨梁高約為4.0 米，在澆筑車行橋中跨的時候可分為兩大階段進行澆筑作業：在第一階段，需要先澆筑完該范圍內的整個底板后，再緊接著澆筑腹板以及橫梁；待第一階段澆筑的混凝土達到一定的強度后開始綁扎頂板的鋼筋以及安裝模板，開始第二階段頂板的澆筑。

人行橋梁高約為10.4 米，且梁底是一個半徑約為42 米的圓弧線。在澆筑人行橋中跨的時候將分為四大階段進行澆筑：第一階段需要先澆筑該范圍內的整個底板，再緊接著再澆筑3.5 米高的橫隔梁以及該階段范圍內的腹板；第二階段澆筑橫隔梁3.5至7米，以及該階段范圍內的腹板；第三階段澆筑橫隔梁由7 米至上面的倒角位置以及該階段范圍內的腹板；第四階段澆筑剩余的腹板、橫隔梁以及底板。在澆筑人行橋底板的時候為了不使拱盔變形，擬將采用“跳躍式”方法進行澆筑，即兩臺混凝土輸送泵同時由3#、4#柱頭開始往中間方向澆筑約6 米長度。隨后轉移到中跨的對稱中心線開始往兩邊澆筑，中心線兩邊分別澆筑約6 米長度。其余橋體邊跨先澆筑底板、腹板，后澆筑頂板的順序澆筑，全橋共計分14次澆筑施工。

2 監測方法

2.1監測方法

監測站設在120 米外，遠離施工影響區，不受水中施工平臺有限空間的影響，在確保監測人員、設備的安全的條件下，不影響監測工作。工程監測的重難點分析如下所示：

⑴高支模實時監測系統傳感器1 秒/次與測量機器人30秒/測點監測頻率不同步下的監測數據互聯分析。

⑵橋腹板首次澆筑高度約3.5 米，如澆筑過程中出現加載不平衡，容易引起整體傾斜。

⑶水中平臺空間受限，監測站設置需遠離施工影響區。

⑷預警值設置。

⑸長時間監測，周邊環境變化與施工機械對監測數據的影響。

綜合上述監測重難點分析，制定了以下的監測方案：

主要監測設備及參數：扣件式鋼管支架采用“高支模實時監測系統”，監測參數：“立桿軸力、沉降、傾斜”?！八惺┕て脚_”采用徠卡TM30 測量機器人（含后處理控件），監測參數“位移（沉降、水平位移）”，最遠測距小于150 米。通過監測頻率的互補，加強監測數據的實時性。各監測參數精度如表2：

表2 監測參數精度

2.2測點布設

測點布設按監測截面布置，支架安裝豎向位移傳感器、傾角傳感器、立桿軸力傳感器，每個監測截面車行橋按腹板、中隔板左中右設置3 組測點，人行橋每個截面左右對稱布設2 組測點；水中施工平臺在對應監測截面的單跨跨中選擇通視較好處安裝固定棱鏡作為測點。車行橋、人行橋中跨監測截面布設如圖3。

圖3 車行橋中跨截面監測布設示意圖

2.3巡視檢查

除儀器量測外，澆筑期間定期巡查是必要的補充措施。除常規巡查外，針對監測的重難點增加了以下內容：

⑴環境巡查，記錄風力、潮汐等信息；

⑵混凝土車在施工平臺上的行駛速度；

⑶應急通道及安全區域的狀態，是否暢通、安全。

2.4預警值設置

沉降預警值參考國家標準《鋼結構設計標準》GB50017-2017 中撓度允許變化值的80%[11]，預警參數如表3所示：

表3 預警參數

3 監測結果分析

該工程共14 次混凝土澆筑施工，本次監測結果分析以最具代表性的人行橋、車行橋中跨第一階段底板、腹板澆筑施工為例。取監測過程中的三個工況的沉降變化進行分析，詳見圖4、圖5。三個工況分別為：工況一，混凝土澆筑施工初始階段，該工況以澆筑墩頂混凝土為主；工況二，已基本完成底板的“跳躍式”澆筑；工況三，已完成底板、腹板澆筑人員、機械基本撤離，監測數據趨于穩定。

圖4 車行橋各工況截面沉降變化圖

圖5 車行橋支架、平臺沉降變化

監測結果分析如下：

⑴車行橋底板、腹板混凝土澆筑時長24 小時，變形最大在跨中，累計最大沉降16.2 毫米（截面3），達到預警值的57%；

⑵人行橋底板、腹板澆筑時長18 小時，變形最大在拱腳，累計最大沉降5.7 毫米（截面5），達到預警值的35%。

⑶車行橋、人行橋各監測截面左右兩側變化較均勻，表明澆筑過程無明顯偏載。

⑷車行橋、人行橋水中施工平臺變形均大于支架變形。

在監測過程中發現水中施工平臺產生水平位移變化，分析原因有以下兩點：

⑴因澆筑時間為18～24小時，至少經過1次潮汐漲落，水中施工平臺可能受水流方向、流速、水位變化的影響。

⑵泵車位置與攪拌車行使便道位于同一側，產生的施工振動與施工荷載，隨著澆筑進度的推進，平臺兩側荷載發生變化。

4 結論

⑴基于廣州某跨河現澆橋梁工程，應用多種傳感器與測量機器人（含后處理控件）組成的高支模實時自動化監測方案可以實時反映混凝土澆筑加載所引起的變形，起到了指導混凝土澆筑施工及信息化安全監測的作用。通過實時監測，沉降變形均在預警值范圍內，在整個混凝土澆筑過程中，支撐處于安全穩定狀態。

⑵在自動化監測方案中，測點布設根據水中施工平臺的結構特點、荷載分布設置；監測截面設置在水中施工平臺單跨跨中處，現澆橋梁選擇在腹板、中隔板底部，荷載較大處，左右對稱布設，滿足監測需求，可以有效監測混凝土澆筑時沉降變形情況。

⑶在自動化監測方案澆筑過程中的巡視檢查中，加入了環境變化與施工機械的內容，結合實時監測數據的變化，通過綜合分析，可以提高預警準確率。