分布式光纖在棧橋監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析*

詹浩東 任高峰 胡仲春 張聰瑞 葛永翔 李桃源

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 武漢 430070； 2.中國(guó)鐵建中鐵十四局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南 250014)

0 引言

基坑的施工安全日益受到工程界的高度重視，其中基坑支撐體系的穩(wěn)定對(duì)深基坑的安全發(fā)揮著關(guān)鍵作用。大型基坑支撐體系一般選用混凝土桁架支撐體系，因此進(jìn)行支撐體系應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)，控制支撐體系的變形成為基坑安全研究的重點(diǎn)?；炷林谓Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)，通常采用埋入監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般有振弦式和差阻式兩種類型監(jiān)測(cè)儀器。振弦式儀器常用于工程結(jié)構(gòu)物表面監(jiān)測(cè)，難以適應(yīng)混凝土埋入式環(huán)境[1]。差阻式監(jiān)測(cè)儀器能夠很好地適應(yīng)混凝土內(nèi)部監(jiān)測(cè)環(huán)境，但儀器電纜和電纜接頭是差阻式儀器的薄弱環(huán)節(jié)，工程應(yīng)用中極易破壞，難以長(zhǎng)期穩(wěn)定地進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。傳統(tǒng)應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器在工程中應(yīng)用，通常存在抗干擾性、耐久性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差的問題，難以滿足現(xiàn)代土木工程智能自動(dòng)化監(jiān)測(cè)要求[3-4]。

近年來興起的光纖傳感器具有抗電磁、抗腐蝕、防水、耐久性長(zhǎng)、響應(yīng)快、靈敏度高等優(yōu)良特性，在智能監(jiān)測(cè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[5-6]。尤其是分布式光纖傳感器，重量輕、尺寸小，便于鋪設(shè)安裝，易于植入監(jiān)測(cè)對(duì)象中[7]。光纖集感測(cè)與傳輸于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分布式監(jiān)測(cè)[8]。利用分布式傳感技術(shù)能較好地解決混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)，已成為國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前，在國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用中，利用此項(xiàng)技術(shù)在土木、水利工程的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)取得了一系列成果[9-11]。

2001年，OHNO H等[12]開發(fā)出布里淵光時(shí)域反射儀,該設(shè)備可以測(cè)量沿光纖延伸10 km的連續(xù)應(yīng)變，預(yù)計(jì)BOTDR技術(shù)將應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與診斷。2003年，張丹等[13]基于分布式測(cè)量原理的鋼筋三點(diǎn)彎試驗(yàn)，通過有限元對(duì)比證明BOTDR可以真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。2015年，許崇甲等[14]利用光纖傳感技術(shù)對(duì)深基坑支護(hù)軸力監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開挖順序引起的支撐拉應(yīng)力變化，保障施工安全并且能夠及時(shí)預(yù)警，改進(jìn)了現(xiàn)有支護(hù)監(jiān)測(cè)體系。以上研究工作將分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步應(yīng)用到樁基監(jiān)測(cè)、支護(hù)監(jiān)測(cè)等工程實(shí)際，改進(jìn)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)大型基坑結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，起到了一定的啟發(fā)指引作用。

本文利用分布式光纖監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合太原火車站調(diào)蓄池基坑施工的復(fù)雜情況，基于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境設(shè)計(jì)了基坑支撐棧橋變形監(jiān)測(cè)的分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太原火車站調(diào)蓄池支撐體系棧橋的變形監(jiān)測(cè)。通過系列措施保證監(jiān)測(cè)的有效性和可靠性，測(cè)試研究棧橋結(jié)構(gòu)施工期受力變形情況，為后續(xù)的土木工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 分布式光纖的測(cè)試應(yīng)用

太原火車站調(diào)蓄池施工條件復(fù)雜，蓄水池整體長(zhǎng)150.7 m、寬70.5 m、深16 m，最大池容量14.6×104m3?；优R近火車軌道，采用明挖法，支撐為邊桁架結(jié)合對(duì)撐的支撐體系，基坑沿高度方向設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐。為了監(jiān)測(cè)基坑支撐體系在整個(gè)施工期間的安全穩(wěn)定，將分布式應(yīng)變光纖布置基坑中央棧橋位置，對(duì)棧橋進(jìn)行長(zhǎng)期的受力測(cè)試研究。

1.1 監(jiān)測(cè)原理

分布式光纖本身既是感測(cè)原件又是傳輸載體[14-15]，當(dāng)一束具有一定頻率的脈沖光進(jìn)入傳感光纖中，光纖中的脈沖光與聲學(xué)聲子相互作用，發(fā)生布里淵散射光頻率漂移[16]。光頻率的漂移可以同時(shí)受溫度和應(yīng)變影響，但溫度引起的漂移量和溫度的變化具有很好的線性關(guān)系，所以測(cè)量光纖中布里淵散射光的頻率漂移量，即可得到光纖沿線的信息分布，再剔除溫度引起的布里淵背向散射光漂移量，就可得到光纖中散射光的頻率漂移量和應(yīng)變的關(guān)系，從而測(cè)出光纖沿線的應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)光纖沿線受力分布式測(cè)量。

當(dāng)分布式光纖受到力作用時(shí)，布里淵散射光的頻率會(huì)發(fā)生平移，該點(diǎn)的光功率也會(huì)發(fā)生變化，傳感原理如圖1～圖4所示，通過光功率與頻率以及頻率之間的相互關(guān)系可得出光纖沿線的各個(gè)位置受力情況。據(jù)此分布式光纖可知沿光纖傳輸應(yīng)變、溫度以及結(jié)構(gòu)損傷信息，也可知沿光纖傳輸時(shí)空連續(xù)分布信息，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的全方位連續(xù)監(jiān)測(cè)，做到及時(shí)預(yù)警和科學(xué)處置。

1.2 布設(shè)方法

分布式監(jiān)測(cè)最大的優(yōu)勢(shì)是可以突破傳統(tǒng)儀器點(diǎn)式測(cè)量實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)，工程實(shí)際應(yīng)用中將其布設(shè)安裝到監(jiān)測(cè)對(duì)象的表面和內(nèi)部，兩端與BOTDR解調(diào)儀相連構(gòu)成回路，就能捕捉到被測(cè)對(duì)象整體受力變形情況，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。但分布式光纖在基坑布設(shè)過程中仍需注意幾個(gè)問題：(1) 基坑開挖范圍較大，測(cè)點(diǎn)較多，要將分布式光纖布置在最合理的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)；(2)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中線路傳輸光纖為通用普通光纖，極易遭受破壞，要采取相應(yīng)的加強(qiáng)保護(hù)措施；(3)分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)含有溫度和應(yīng)變的影響成分，要采取相應(yīng)的措施消除環(huán)境溫度的影響。

圖1 BOTDR傳感系統(tǒng)

圖2 BOTDR傳感原理

圖3 BOTDR局部受力傳感原理

圖4 BOTDR空間定位原理

基坑棧橋的變形破壞形式主要有沉降和開裂，通常會(huì)根據(jù)實(shí)際的施工環(huán)境、施工順序和施工方式選擇合理的監(jiān)測(cè)方式，外部結(jié)構(gòu)變形采用全站儀人工觀察法，內(nèi)部變形則采用鋼筋計(jì)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。太原火車站調(diào)蓄池開挖土石方近2×105m3，調(diào)蓄池內(nèi)部所用鋼材等施工材料，全部在棧橋上由工程機(jī)械運(yùn)輸進(jìn)出，大型工程機(jī)械反復(fù)動(dòng)載影響較大，在整個(gè)基坑支撐體系中支撐棧橋是受力主體部分，支撐棧橋也是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)部分。為了能夠掌握基坑棧橋的受力狀態(tài)，將分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)如圖5所示，溫度補(bǔ)償方式是在溫度補(bǔ)償光纜外部套一根直徑略大的套管，讓溫度光纜后期不受棧橋變形的影響，套管、應(yīng)變光纜與鋼筋捆扎在一起澆筑成型。

圖5 棧橋分布式光纖布設(shè)示意

1.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

棧橋分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)設(shè)備采用fTB 2505雙端高精度分布式光纖應(yīng)變解調(diào)儀，其監(jiān)測(cè)應(yīng)變范圍為-30 000～+30 000 με，在50 km范圍內(nèi)光纖沿線的應(yīng)變空間分辨率可達(dá)0.05 m，應(yīng)變的測(cè)量精度為2 με，完全能夠滿足大型基坑復(fù)雜結(jié)構(gòu)變形全方位監(jiān)測(cè)的精度以及量程要求。

溫度傳感光纖和應(yīng)變感測(cè)光纖在棧橋內(nèi)部布設(shè)方法如圖6所示，布置于支撐棧橋中間位置與鋼筋混凝土澆筑成型，外部牽引至地表一端熔接串在一起，另外一端與兩根跳線相連，跳線連接雙端高精度分布式光纖應(yīng)變解調(diào)儀，再與電腦相連形成一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，內(nèi)部光纜尺寸小與棧橋受力的變形協(xié)調(diào)一致，即可反映棧橋的受力情況以及異常點(diǎn)。分布式光纖的溫補(bǔ)光纖置于套管內(nèi)，在應(yīng)變監(jiān)測(cè)過程中自由不受力，達(dá)到環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)哪康?，?shí)現(xiàn)棧橋應(yīng)變的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

圖6 棧橋分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意

2 分布式光纖的應(yīng)用分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用fTB 2505雙端高精度分布式光纖應(yīng)變解調(diào)儀，利用光纖監(jiān)測(cè)的BOTDR技術(shù)，構(gòu)成雙端高精度閉合監(jiān)測(cè)回路，適用于棧橋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)距離長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，其分布式測(cè)量數(shù)據(jù)量大，有效避免了傳統(tǒng)點(diǎn)式間斷測(cè)量的弊端。當(dāng)棧橋結(jié)構(gòu)混凝土凝固，基坑開挖后實(shí)施數(shù)據(jù)采集，此時(shí)棧橋基本處于穩(wěn)定狀態(tài)光纖監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，支撐結(jié)構(gòu)未受到擾動(dòng)影響。據(jù)此采集分布式光纖監(jiān)測(cè)的初始數(shù)據(jù)，為后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比提供依據(jù)。為確保采集基坑開挖周期全程變化數(shù)據(jù)，當(dāng)基坑開挖時(shí)每天早晚各采集一組數(shù)據(jù)作為一天內(nèi)受力變化依據(jù)，直至基坑開挖完成、數(shù)據(jù)變化很微小時(shí)數(shù)據(jù)采集結(jié)束，共獲得六個(gè)月的有效測(cè)試數(shù)據(jù)?；訔蜃冃嗡a(chǎn)生的應(yīng)變量變化明顯，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，為后續(xù)分析對(duì)比提供基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

為了測(cè)試BOTDR技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于棧橋監(jiān)測(cè)的可靠性，本文從長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化的方向和有動(dòng)載作用下應(yīng)力變化兩個(gè)方向進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)溫度補(bǔ)償，剔除溫度效應(yīng)引起的改變，得到開挖幾個(gè)月內(nèi)棧橋各個(gè)位置的應(yīng)變值，距離為除去冗余段和無(wú)效段后大約140 m的有效監(jiān)測(cè)距離。

為了更加真實(shí)地反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，取12日夜間數(shù)據(jù)與13日動(dòng)載作用下數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，圖7為有大型機(jī)械在棧橋上施工作業(yè)情形下位置和應(yīng)變的關(guān)系，圖中各位置應(yīng)變曲線不是恒定直線，說明在棧橋內(nèi)部所受應(yīng)力應(yīng)變不是定值；圖中有兩處異常點(diǎn)應(yīng)變值增大凸起，說明這兩處局部受力較大。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可知棧橋內(nèi)部受力確實(shí)不是均勻的，應(yīng)變曲線中兩個(gè)異常點(diǎn)與棧橋上30 m和100 m左右當(dāng)天吊車挖機(jī)作業(yè)位置一致，由此得出分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在有機(jī)械作業(yè)情況下可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出機(jī)械作業(yè)位置和給棧橋帶來的應(yīng)變，滿足棧橋結(jié)構(gòu)在有機(jī)械擾動(dòng)下監(jiān)測(cè)的要求，并能監(jiān)測(cè)異常點(diǎn)的位置和受力大小。

圖7 動(dòng)載作用下棧橋應(yīng)變變化

通過幾個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)值減去溫度引起的應(yīng)變數(shù)值得到圖8所示基坑開挖前后應(yīng)變數(shù)值，應(yīng)變數(shù)值再與C35鋼筋混凝土彈性模量相乘，得到基坑開挖過程棧橋內(nèi)部所受應(yīng)力狀況，最大為11.6 MPa,最小為7.18 MPa，從開挖到基坑成型呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。而在調(diào)蓄池施工現(xiàn)場(chǎng)前期土石方開挖，工程車輛都是由棧橋出入，后期主要是調(diào)蓄池底部鋪設(shè)鋼筋混凝土，無(wú)工程機(jī)械擾動(dòng)，受力基本穩(wěn)定。分布式光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，各個(gè)施工階段采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)存在一定差異，但是數(shù)據(jù)應(yīng)變分布以及形態(tài)較為相似，因此可以真實(shí)地反映整個(gè)基坑開挖時(shí)期棧橋內(nèi)部應(yīng)力的改變值。

圖8 基坑開挖前后棧橋應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比

從整個(gè)監(jiān)測(cè)過程來看，分布式傳感光纖相比其他傳感元件線性特強(qiáng)、尺寸小，可以相對(duì)更完美地與鋼筋混凝土支撐體系中棧橋耦合，尺寸效應(yīng)很小，可以消除預(yù)埋管變形對(duì)測(cè)量精度的影響，直接反映支撐棧橋的應(yīng)力、應(yīng)變情況。在動(dòng)載作用下能夠靈敏地感知，動(dòng)載結(jié)束能夠恢復(fù)平穩(wěn)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)穩(wěn)定，能夠精確反映異常位置和受力情況。太原火車站調(diào)蓄池棧橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說明基坑支撐體系起到了很好的效果，棧橋應(yīng)力變化在正常范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

(1)利用分布式光纖測(cè)試技術(shù)對(duì)支撐棧橋的變形與破壞特征長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，根據(jù)開挖情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)有利于分析基坑開挖過程中棧橋結(jié)構(gòu)的受力特征，在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中棧橋受力最大為11.6 MPa,最小為7.18 MPa，并且呈現(xiàn)基坑開挖前期大、后期減小的變化規(guī)律，與現(xiàn)場(chǎng)施工工序有良好的一致性，可靠程度高。

(2)利用分布式光纖測(cè)試技術(shù)在機(jī)械動(dòng)載作用下測(cè)試，有利于分析擾動(dòng)對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)的受力影響，經(jīng)過測(cè)試得到了動(dòng)載作用下棧橋應(yīng)力傳遞及影響特征，在測(cè)試中受機(jī)械擾動(dòng)范圍30 m左右，應(yīng)力變化大小為4.5 MPa左右，應(yīng)力在基坑出入口位置局部偏大，與機(jī)械依次排隊(duì)進(jìn)出相關(guān)。

(3)BOTDR 的分布式光纖在棧橋中能夠分布式監(jiān)測(cè)，提取數(shù)據(jù)量大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定連續(xù)準(zhǔn)確，可靠程度和分辨能力高，可在基坑開挖結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮良好的作用。分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比，省時(shí)、省力且誤差小、效率高，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中是一個(gè)極具潛力的發(fā)展方向。