基于光纖光柵傳感器的地鐵車站支撐內(nèi)力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

段景川，石昆鵬，李 圍

(1.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)南方建設(shè)投資有限公司,廣東 深圳 518000;2.浙江華東測(cè)繪地理信息有限公司,杭州 311122；3.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院,上海 201418)

由于城市地鐵工程所處的地上[1]和地下[2]環(huán)境條件十分復(fù)雜，除了進(jìn)行室內(nèi)相似模型試驗(yàn)[3]和數(shù)值模擬研究[4]得出相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)外，必須進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素的識(shí)別與評(píng)估[5]以及施工全過(guò)程監(jiān)控量測(cè)[6]。切實(shí)掌握地鐵工程結(jié)構(gòu)與周圍巖體的力學(xué)狀態(tài)，并將監(jiān)測(cè)值與規(guī)范要求的控制值進(jìn)行比較，給出安全、預(yù)警或者報(bào)警指令，并采取相應(yīng)的工程安全措施，確保現(xiàn)場(chǎng)施工安全，把工程事故的發(fā)生率降到最低。

對(duì)于地鐵深基坑工程，其支撐(鋼支撐、混凝土支撐)內(nèi)力(彎矩和軸力)是表征施工安全的重要指標(biāo)，目前常采用鋼筋軸力計(jì)進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)。隨著近幾年分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了地鐵深基坑工程支撐內(nèi)力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[7]。光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，如王震等[8]利用光纖位移計(jì)對(duì)基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，高磊等[9]研發(fā)了一種分布式光纖測(cè)斜管，并詳細(xì)介紹了制作工藝，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)基坑測(cè)試，通過(guò)分布式光纖測(cè)斜管的應(yīng)變信息獲得了深基坑深層水平位移變化規(guī)律。

黃廣龍等[10]采用光纖布拉格光柵(fiber bragg grating,FBG)傳感器對(duì)深基坑鋼筋混凝土支撐應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)，得出了基坑施工中混凝土支撐應(yīng)變曲線，其測(cè)試結(jié)果與振弦式鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果具有很好的一致性，驗(yàn)證了FBG傳感器用于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)的可行性。

觀瀾站為香港地鐵投資建設(shè)的深圳地鐵4號(hào)線3期工程的第5個(gè)車站，位于觀瀾大道與橫坑路交叉路口處，沿觀瀾大道呈南北向敷設(shè)。站點(diǎn)位置觀瀾大道地勢(shì)平緩，四周建構(gòu)筑物密集。車站有效站臺(tái)中心里程：DK26+981.000，車站右線起點(diǎn)DK26+890.585，終點(diǎn)DK27+226.530，車站右線主體長(zhǎng)度335.94 m。車站為地下二層島式站臺(tái)帶單渡線站，基坑寬21.3～23.2 m，基坑深18.5～20.6 m，車站南北端均接盾構(gòu)區(qū)間，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

本文依托觀瀾站工程，研究光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)在基坑支撐內(nèi)力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用技術(shù)，為今后類似工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 傳感器及監(jiān)測(cè)儀器選擇

使用杭州玨光物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司生產(chǎn)的光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行地鐵基坑支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)，應(yīng)變計(jì)精度為±5 με，量程 ±1 500 με，分辨率≤0.1%(F·S)。采用全波長(zhǎng)便攜式光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及采集，光纖光柵解調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集及傳輸，綜合測(cè)試精度≤1/100(F·S)。光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)及解調(diào)設(shè)備，如圖1所示。

圖1 光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)及解調(diào)設(shè)備Fig.1 Demodulation equipment and surface strain gauge of FBG

2 光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)的安裝

安裝用于長(zhǎng)期觀測(cè)的表面應(yīng)變計(jì)，應(yīng)借助于一個(gè)?16的安裝試棒進(jìn)行安裝，先保證被安裝的表面是一個(gè)平面，將2個(gè)兩夾具安裝在中心為100 mm的2個(gè)點(diǎn)。光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝的詳細(xì)過(guò)程如下：

(1)混凝土支撐上安裝夾具及應(yīng)變計(jì)。

①先在安裝的地方，畫(huà)好要安裝的位置，使2個(gè)夾具的安裝位置在需要測(cè)量應(yīng)變的方向，并使2個(gè)夾具的位置相差100 mm，做好需要固定水泥膨脹螺栓位置的標(biāo)記。②砼支撐：在標(biāo)記水泥膨脹螺栓位置的地方，用10 mm直徑的錐頭打孔60 mm深、清理安裝表面。③在清理后安裝表面后者在安裝夾具的位置和孔位上涂上適量的混合好的AB膠(環(huán)氧樹(shù)脂膠水)。④將配套的M8×60的水泥螺栓和40 mm長(zhǎng)的水泥膨脹螺栓配套套管安裝到打好的孔中。⑤水泥膨脹螺栓的螺帽和墊片拿出，安裝夾具到膨脹螺栓上，將水泥膨脹螺栓的墊片和螺帽依次鎖回到水泥膨脹螺栓上，鎖緊螺帽。并采用相同的方法固定另外一個(gè)夾具，在固定緊夾具前，應(yīng)該先將安裝試棒安裝到夾具上，然后固定膨脹螺栓。要保證涂覆的膠水也能起到固定作用。⑥取出安裝試棒，將表面應(yīng)變計(jì)從夾具的一端放入，直到表面應(yīng)變計(jì)各端面與夾具外邊沿平齊為止。⑦固定緊固應(yīng)變計(jì)兩端的螺絲，完成表面應(yīng)變計(jì)的安裝。

(2)鋼支撐上安裝夾具及應(yīng)變計(jì)。

①先在安裝的地方，畫(huà)好要安裝的位置，使2個(gè)夾具的安裝位置在需要測(cè)量應(yīng)變的方向，并使2個(gè)夾具的位置相差100 mm，做好需要固定膨脹螺栓位置的標(biāo)記。②在標(biāo)記膨脹螺栓位置的地方，清理安裝表面，并用電焊將配套的M8×60的水泥螺栓和40 mm長(zhǎng)的水泥膨脹螺栓配套套管焊接在鋼支撐表面。③膨脹螺栓的螺帽和墊片拿出，安裝夾具到膨脹螺栓上，將膨脹螺栓的墊片和螺帽依次鎖回到膨脹螺栓上，鎖緊螺帽。并采用相同的方法固定另外一個(gè)夾具，在固定緊夾具前，應(yīng)該先將安裝試棒安裝到夾具上，然后固定膨脹螺栓。要保證焊接牢固。④取出安裝試棒，將表面應(yīng)變計(jì)從夾具的一端放入，直到表面應(yīng)變計(jì)各斷面與夾具外邊沿平齊為止。⑤固定緊固應(yīng)變計(jì)兩端的螺5，完成表面應(yīng)變計(jì)的安裝。

(3)光纜保護(hù)和終端連接。從應(yīng)變計(jì)引出來(lái)的光纜必須緩慢彎曲，不能急彎，更不能折疊，光纜可拼接加長(zhǎng)而不影響傳感器讀數(shù)。要保持接頭完全清潔。光纜終端的FC/APC光學(xué)接頭可通過(guò)0.5 m的跳線與光纖光柵解調(diào)儀相連，多芯光纜可通過(guò)一終端盒與光纖光柵解調(diào)儀相連，在此過(guò)程中，需要熔接光纜，保證光纜安裝沒(méi)有很多損耗，并可以將應(yīng)變計(jì)的波長(zhǎng)讀出。

(4)調(diào)整初始值和適當(dāng)?shù)念A(yù)張拉。比對(duì)讀出的應(yīng)變計(jì)波長(zhǎng)與出廠的初始值，如果發(fā)現(xiàn)初始值和安裝后的波長(zhǎng)有比較大的出入(大于或小于100 pm)，應(yīng)該調(diào)整應(yīng)變計(jì)的初始值。方法如下：①松開(kāi)應(yīng)變計(jì)一端的緊固螺絲;②擰緊或松開(kāi)圖預(yù)張拉螺絲;③觀察光纖光柵解調(diào)儀的讀數(shù)變化，直到該讀數(shù)的變化和出廠初始值相符，該初始值應(yīng)該不大于光柵的原始波長(zhǎng)1.5 nm。

3 支撐軸力計(jì)算方法

因荷載變化引起的支撐單個(gè)表面應(yīng)變計(jì)測(cè)試的應(yīng)變計(jì)算公式如下；

ε=K(λ1-λ0)-B(λt1-λt0)

(1)

式中：K為應(yīng)變計(jì)應(yīng)變系數(shù)(με/nm)(取正值)；B為溫度修正系數(shù)，B=K+35.1(αA-αB)×106,單位取με/nm；λ1為應(yīng)變柵當(dāng)前的波長(zhǎng)值(nm)；λ0為應(yīng)變柵初始的波長(zhǎng)值(nm)；αA為被測(cè)物熱膨脹系數(shù)；αB為傳感器結(jié)構(gòu)件本身的熱膨脹系數(shù)，αB=10×10-6/℃；ε為單個(gè)表面應(yīng)變計(jì)測(cè)試的應(yīng)變量；λt1為溫補(bǔ)光柵當(dāng)前波長(zhǎng)值(nm)；λt0為溫補(bǔ)光柵初始波長(zhǎng)值(nm)。

鋼支撐軸力可以表示為：

(2)

對(duì)鋼筋混凝土桿件，在鋼筋與混凝土共同工作、變形協(xié)調(diào)條件下，軸向受力可表述為：

(3)

鋼支撐彎矩可以表示為：

(4)

(5)

式中：Mx為支撐水平向彎矩(kN·m)；Mx為支撐豎直向彎矩(kN·m)；D為鋼支撐外徑(mm)；d為鋼支撐內(nèi)徑(mm)；ε2，ε4為鋼支撐水平向應(yīng)變；ε1，ε3為鋼支撐豎直向應(yīng)變；E為鋼支撐的彈性模量。

混凝土支撐的彎矩可以表示為：

(6)

式中：Ec為混凝土彈性模量(GPa)；Es為鋼筋彈性模量(GPa)；Ac為混凝土截面積(mm2)；As為鋼筋總截面積(mm2)；h為混凝土支撐高度(m)；b為混凝土支撐寬度(m)。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

針對(duì)混凝土支撐采用光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行了軸力監(jiān)測(cè)，從2018年7月27日～11月13日測(cè)點(diǎn)計(jì)算所得的混凝土支撐軸力列于表1中。由表1可見(jiàn)：因基坑土方開(kāi)挖導(dǎo)致基坑外側(cè)水土壓力作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)變形，導(dǎo)致混凝土支撐的軸力均為壓力；隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，混凝土支撐的軸力的量值增加，且增加的量值比較大，最大達(dá)到了3.32倍，最小僅為0.7%，甚至有減小的為31.6%；最大軸力達(dá)到了 1 718.1 kN，主要原因是隨著基坑開(kāi)挖深度的增加作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力也增加，但量值小于軸力設(shè)計(jì)值的80%，滿足安全監(jiān)測(cè)要求；基坑開(kāi)挖穩(wěn)定后支撐軸力有所減少，相當(dāng)于最大值減少了約5%。采用軸力計(jì)對(duì)混凝土支撐進(jìn)行了軸力監(jiān)測(cè)，如表1所示。采用軸力計(jì)監(jiān)測(cè)的混凝土支撐軸力與光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)所測(cè)得的軸力變化規(guī)律相同，且軸力的量值也差不多，表明采用光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行了軸力監(jiān)測(cè)是可行的。

表1 混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.1 Monitoring result of axial force of concrete support kN

5 結(jié) 語(yǔ)

依托深圳地鐵4號(hào)線3期工程觀瀾站，利用光纖光柵傳感器技術(shù)，詳細(xì)介紹了光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)在鋼支撐和混凝土支撐上的安裝過(guò)程及鋼支撐和混凝土支撐內(nèi)力各自的計(jì)算方法，建立了地鐵車站支撐內(nèi)力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行了觀瀾站混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)，經(jīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)地鐵基坑支撐內(nèi)力的實(shí)用性。該技術(shù)具有減少監(jiān)測(cè)人員和降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，具有推廣應(yīng)用前景。