章伟

（杭州交通投资建设管理集团有限公司，杭州 310024）

1 引言

城市高架桥梁在建设过程中需要在保持原有通行道路通行的情况下，采用支架现浇工艺进行施工，但施工工艺涉及的安全风险因素众多，施工安全风险高， 施工安全事故会引发严重危害。目前，针对高支模施工安全影响因素和管理对策都开展了研究：从多方面对扣件钢管支架的安全性做了探讨，分析了扣件式钢管支架搭设和材料的不安全因素，并对典型的模板支架倒塌事故进行了分析【1】；分析典型人为过失对结构承载力的影响， 计算了带有多个人为过失的模板支架的可靠度，并分析了人为过失对结构可靠度的影响【2】；分析了脚手架结构应达到的设计安全度和确定扣件压杆计算长度系数取值的依据，提出了加强施工安全管理工作的重点要求【3，4】；建立碗扣式满堂支架系统有限元模型，分析结构在各种不利荷载作用下的应力与位移值，并通过对施工过程中支架应力和位移值的实时监控来验证支架系统的安全稳定性及数值计算的可靠性【5】；提出了一种基于Zigbee 和GPRS 无线通信技术的支架结构安全监测系统【6】。但是，高架桥梁高支模施工安全管理的技术措施在现场实施中受到主观和客观制约，尚未形成简便高效的管理系统，安全事故仍时有发生。本文在调研分析高架桥梁高支模安全事故原因的基础上，提出采用信息化技术加强高架桥高支模施工风险管理，包括建立基于物联网技术的支架施工安全监测技术，基于移动互联技术的高支模现场施工安全巡检系统，形成一套简便高效的高支模安全管理信息化系统，提高安全风险管控水平。

2 高架桥梁高支模施工安全管理工作分析

针对典型高架桥支架倒塌事故进行调研和剖析，找出支架安全管理的重点。

2.1 2000 年11 月盐坝高速公路工程高架桥支架倒塌事故

1）立杆垂直高度误差偏大，部分扣件未拧紧，水平杆连接未采用搭接方式。

2）倒塌的第7 跨支架设计中未设横向剪刀撑，纵向虽然设有剪刀撑，但其数量不够。剪刀撑设置未达到要求，造成了支架主体稳定性不足。

3）支架设计中对不利荷载因素及分布认识不足，未采取相应的对策和措施。

4）施工、监理部门管理不力，安全意识薄弱。

2.2 2002 年2 月，四川省自贡市某跨度80m的现浇箱梁拱桥支架倒塌事故

1）支架承载力不满足要求，局部立杆被压弯失稳导致整体坍塌。

2）不均匀加载。

3）采用了质量不合格的材料、产品和设备。

4）支架搭设不符合规范要求。

2.3 2010 年1 月云南昆明机场配套引桥支架垮塌事故

1）混凝土浇筑过程中出现异常振动，但未引起担事人的重视。

2）个别的施工支架钢管、扣件存在质量问题，导致支架失稳。

3）为节省人力物力，在支架搭设中间部分，竖向钢管安装过于稀疏，从而导致支架密度不够。

从以上3 个典型案例可以看出，设计计算、构配件材质验收、支架施工后验收，施工过程中支架承受荷载的检查，支架安全管理工作是否规范是影响支架安全的主要因素。通过对高架桥梁高支模坍塌事故的原因剖析，高支模安全管理需要从2 个方面着手：（1）抓好高支模结构安全的因素，（2）抓好高支模日常施工的因素，得到了高支模安全管理的关键环节和管控要点。

3 高架桥梁高支模安全风险控制信息化技术应用

3.1 基于物联网技术的支架监测

高架桥梁高支模施工监测是高支模结构性安全管理的重要手段，包括支架杆件承载力和支架整体稳定性。高架桥梁高支模有其自身特点：

1）支架杆件数量多，密度大，若采用有线监测需要解决现场布线困难，若采用无线监测需要提高信号的稳定性；

2）施工周期长，从支架预压到梁体分层浇筑、预应力张拉和压浆，最后才能实施支架拆除，监测系统工作时间长，保证监测数据连续性和完整性。

本文采用6LoWPN 无线嵌入式物联网技术建立了高支模体系的杆件内力及转角位移、模板沉降变形的实时在线监测技术，通过杆件内力反映高支模的承载力，通过杆件转角位移和模板沉降位移反映高支模的稳定性。

3.1.1 物联网监测项目

1）杆件内力监测。高支模体系的杆件内力监测采用钢弦应变传感器，设计独立的激励与测量系统，并将其与基于6LoWPAN 无线通信系统进行整合。

2）杆件转角位移监测。支架杆件转角监测采用三轴加速度传感器，并实现传感器和无线通信单元进行整合封装。

3）模板沉降位移监测。模板沉降位移监测采用超声测距传感器进行位移测量，并实现传感器和无线通信单元进行整合封装。

在传感器节点及6LoWPAN 网关设计中，传感单元、微处理器、无线收发器这3 个部分组成了传感器节点硬件框架。

3.1.2 物联网监测系统

在完成物联网硬件系统的基础上，采用B/S 架构遵循平台化、组件化的设计思想，实现统一的数据交换、接口标准、流程管理，建立了高支模物联网监测系统。

3.2 基于移动互联技术的现场安全风险管控

3.2.1 现场安全检查要求

高支模施工过程中对人的不安全行为检查内容：对施工现场技术交底及安全教育不到位等；现场操作人员的不安全行为主要有违规操作、操作方法错误、安全意识薄弱、个体防护不到位、冒险作业等。对于高支模架体的安全检查，从架体基础、稳定性、架体防护管理、材料验收等方面，形成现场检查清单（见表1）。

表1 高支模体系现场检查清单

3.2.2 基于移动端的现场安全检查系统

为了提高高支模施工安全风险管理的效率及客观性，本课题采用移动互联技术采集各风险影响因素的现场检查数据，同时也实现现场问题整改的及时性和闭环管理（见图1）。

图1 支架安全巡视流程

3.3 典型工程应用情况

某高架桥梁采用组合支架进行桥梁整体现浇施工。组合支架采用φ800mm×10mm 钢管作为立柱，沿桥梁横断面方向共布置5 根，墩顶位置处除中间立柱在承台上设置预埋件外，其余均采用扩大基础，跨中立柱均采用扩大基础，支架外伸净空高度不小于5m。桩顶纵梁采用2HM588 型钢，横梁采用工45a 型钢间距1m，分配纵梁采用工20 工字钢间距50cm，分配横梁采用10cm×10cm 方木间距20cm，顶上铺1.5cm 竹胶板作为底模。

在施工时对支架可能发生较大应变（或位移）的部位安装应变（或位移）传感器，监测混凝土浇筑过程中的应变（或位移），对支架的安全施工进行提前预警。

3.3.1 监测内容

物联网系统从安装到拆除整个过程自2019 年10 月31日～2019 年12 月25 日，监测了支架搭设开始到混凝土浇筑结束，其中监测工况包括：（1）支架预压工况；（2）底板及腹板混凝土浇筑工况；（3）顶板混凝土浇筑工况。

监测内容具体包括：（1）支架跨中立柱的应力变化；（2）支架纵梁跨中变形情况；（3）支架施工现场温度情况。

3.3.2 测点布设

组合支架的监测对象为立柱和钢梁，监测参数为应力和位移。每一联每跨选择L/2（L 为每跨长度）截面处，每个截面选择3 根立柱各布置1 个应力数据采集点，选择3 根纵梁各布置1 个位移数据采集点。数据采集点共计18 个，其中，位移测点9 个，应力测点9 个，由传感器进行数据采集和传输。

3.3.3 监测数据

该工程支架监测信息化管理平台对支架位移和应力进行全过程管理，位移和应力数据经分析后，通过选择时间显示应力时间曲线图和通过选择截面显示以截面为单位的应力图。

通过采用物联网在线监测系统，对第5 联现浇梁模板支架进行了为期45d 的持续监测（2019 年11 月 8 日～12 月21 日）。监测结果如下：

1）立柱最大应力值为-50.4MPa，小于最不利荷载组合理论值-75.1MPa；

2）纵向主要钢梁最大挠度为-20.6mm，扣除温度和非弹性变形值，基本符合最不利荷载组合下的最大挠度值。

施工单位安全管理人员按照规定频率对施工现场进行巡视，发现问题及时整改（见图2）。

图2 基于移动端的现场巡视典型数据

4 结语

1）高架桥梁高支模安全风险管理需要从2 个方面着手：（1）高支模结构安全，重点是高支模结构构件的应力和变形响应；（2）高支模日常施工管理，重点是材料验收、结构搭设规范性、架体维护等具体施工行为。

2）信息化技术可以提高高架桥梁高支模安全风险管控水平。（1）物联网技术可以实时监测高支模结构构件的应力和变形响应，及时提供预警；（2）移动互联技术可以提高施工现场巡视的效率，实现不安全施工行为的整改闭合。