基于BOTDA的樁體水平位移分布式光纖監(jiān)測技術(shù)

趙云鵬， 武 哲， 余 勇， 田 寧， 杜文杰

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.中國建筑國際集團有限公司， 香港 999077；3.中建國際投資(湖北)有限公司， 武漢 430071； 4.武漢地鐵集團有限公司， 武漢 430050；5.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所,巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 武漢 430071； 6.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

近幾十年來，隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，城市交通壓力日益增加，城市軌道交通的出現(xiàn)在有效緩解城市交通壓力的同時，還有效利用了地下空間，緩解了城市用地資源緊缺的局面[1-3]，但是伴隨的一些問題也逐漸出現(xiàn)。由于城市軌道交通工程規(guī)模巨大，施工工藝復(fù)雜，不可預(yù)料因素較多，使得城市軌道交通建設(shè)項目成為一項高風(fēng)險、高危性的工程項目，一旦發(fā)生破壞，人民的生命和財產(chǎn)將遭到巨大損失，因此必須對城市軌道交通建設(shè)項目進行安全監(jiān)測。

在監(jiān)測體系中，高效靈敏的傳感技術(shù)是不可或缺的，是對工程安全施工、及時預(yù)警的前提保障。由于監(jiān)測的不可逆性、不確定性以及制約性等特點，要求地下空間工程的監(jiān)測具有準(zhǔn)確性、實時性和抗干擾性。然而傳統(tǒng)的以人工監(jiān)測為主的監(jiān)測方式存在準(zhǔn)確度低、費時費力、受人為因素影響較大等缺點，無法滿足項目中的監(jiān)測要求。然而近年來發(fā)展的光纖傳感技術(shù)具有較好的傳感性能，穩(wěn)定性高、便攜性好等特點[4-5]可以有效彌補傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足，被廣泛應(yīng)用于地下空間建設(shè)項目監(jiān)測中。將分布式光纖傳感技術(shù)引入地鐵施工安全監(jiān)測，可以為工程動態(tài)風(fēng)險評估提供及時、準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)[6]，通過對數(shù)據(jù)的分析及時反饋指導(dǎo)施工，對保證軌道交通工程順利、高效進行有著重要意義。

本文根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論，推導(dǎo)基于已知應(yīng)變的樁體位移計算公式，并結(jié)合模擬試驗對所提公式進行了驗證；最后結(jié)合廈門軌道交通3號線3標(biāo)段工程，利用布里淵散射光時域分析技術(shù)(BOTDA)監(jiān)測得到的應(yīng)變，給出基坑開挖過程中的樁體位移，為工程施工提供了有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)支撐。本文所提方法也為日后類似工程的監(jiān)測方案設(shè)計提供了一種新的思路。

1 BOTDA傳感技術(shù)原理

BOTDA的光纖傳感技術(shù)工作原理如圖1所示[7]。泵浦脈沖光和連續(xù)探測光分別從光纖兩端的端部射入，當(dāng)泵浦脈沖光與探測光的頻率差值和光纖中某區(qū)域的布里淵頻移量νB相等時，會在光纖中產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)而使兩束光之間的能量轉(zhuǎn)移達到最大[8]。連續(xù)調(diào)諧脈沖光和探測光的頻差，并實時比較和檢測連續(xù)光最大光強所對應(yīng)的頻率差，得到光纖沿線的布里淵頻移量，再應(yīng)用布里淵頻移與應(yīng)變的線性關(guān)系，得到光纖沿線的應(yīng)變分布。

圖1 BOTDA測量原理圖[7]

BOTDA技術(shù)利用了光纖中的布里淵散射光頻率變化量(頻移量)光纖軸向應(yīng)變或環(huán)境溫度之間的線性關(guān)系來實現(xiàn)傳感[9]，該關(guān)系式可以表示為

(1)

頻率變化量Δν可以簡單表達為

Δν=κε(ε-ε0)+κT(T-T0)

(2)

2 基于BOTDA技術(shù)的位移計算方法與試驗驗證

2.1 計算公式推導(dǎo)

由于基坑的開挖卸荷使得原土體的應(yīng)力被釋放，必然會引起圍護結(jié)構(gòu)后側(cè)土體的應(yīng)力重分布，從而使得樁體受到側(cè)向土壓力進而產(chǎn)生向基坑一側(cè)的側(cè)向變形。由于基坑圍護樁作為基坑支護結(jié)構(gòu)的主要支護形式，同時也是監(jiān)測項目中的必測對象，保證圍護樁的側(cè)向變形是保證基坑正常施工的前提保障。

由于圍護樁長度較長，一般在基坑的1.5倍深度左右，因此可以考慮將基坑圍護樁簡化為彈性細長梁，整個圍護樁受力模型可以看作簡支梁，如圖2所示。根據(jù)材料力學(xué)知識[7-9]，梁的曲率及彎矩可以由下式計算，即

(3)

式中：1/ρ和M均為橫截面位置x的函數(shù)；EI為橫截面的彎曲剛度，由于在本文中，將梁的截面看作常量，不隨x發(fā)生變化，因此EI為常數(shù)。

材料力學(xué)中根據(jù)小變形假定[10-11]，量的撓度與轉(zhuǎn)角之間可以由下式計算，即

(4)

在以往工程經(jīng)驗中，圍護樁變形撓度曲線較為平滑，可以認為θ為0，式(4)可以變換為

(5)

圖2 梁的受力及撓度分析

根據(jù)彎矩以及彎曲剛度之間的關(guān)系，結(jié)合曲率公式，撓度曲線的曲率可以表達為

(6)

可以得到

(7)

(8)

利用BOTDA傳感器特點而選取的布設(shè)方案為“U”形回路布設(shè)，取微段作為分析對象，即ab、cd分別為“U”形回路相對稱的兩段光纜，間距為d。在撓曲變形后，其示意圖如圖3所示，通過BOTDA傳感技術(shù)測得光纖沿軸線的頻率變化值、應(yīng)變分布，結(jié)合材料力學(xué)中對應(yīng)慣性矩、彎矩、應(yīng)力應(yīng)變的定義，即可通過分布式光纖傳感技術(shù)獲取樁體對應(yīng)的應(yīng)變、撓度分布以及撓度曲線。

圖3 “U”形回路分析

設(shè)分布式光纜ab到中性軸的距離為y1，則其線應(yīng)變εa為

(9)

由于光纜受到應(yīng)變和溫度的影響，為此，分布式光纖ab對應(yīng)的應(yīng)變可以表示為

εa=εS1+εT1

(10)

式中：εS表示受力而產(chǎn)生的應(yīng)變；εT表示受溫度影響而產(chǎn)生的應(yīng)變。同理，cd段對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?/p>

εb=εS2+εT2

(11)

因為光纜ab和光纜cd位于同一溫度場內(nèi)，因此，受溫度影響而產(chǎn)生的應(yīng)變相同，即εT1=εT2。又因為樁體直徑為固定值，不會發(fā)生改變，即d=y2-y1為固定值,可得到

ρ(εa-εb)=d

(12)

結(jié)合式(5)、(6)、(10)即可得到梁的撓度曲線方程：

(13)

式中，A、B均為積分常數(shù)，由于基坑圍護樁在開挖過程中受力狀態(tài)與簡支梁相當(dāng)，因此可以將兩端端部約束視為固定端，進而根據(jù)邊界條件得到A=B=0，樁體撓曲方程為

(14)

2.2 試驗驗證

為驗證上述公式的準(zhǔn)確性與合理性，設(shè)計了室內(nèi)標(biāo)定試驗，選用質(zhì)地均勻、變形狀態(tài)良好的PVC管，長度為4 000 mm，直徑為60 mm，在PVC表面布設(shè)為“U”形分布式光纜，如圖4所示。將光纜拉緊繃直后用環(huán)氧樹脂將光纜牢固的粘貼于PVC管的上下表面，而后將兩端插入磚塊中，保證其邊界條件。在PVC管中部施加模擬荷載，在距離右側(cè)600、1 200、2 000、2 400、3 000、3 700 mm處放置千分表，對PVC進行變形監(jiān)測。

圖4 分布式光纖布設(shè)示意

圖5顯示了監(jiān)測到的位移分布與計算值的擬合，可以看到根據(jù)式(12)求得的位移與實測位移可以很好地重合，具有較高的準(zhǔn)確度，并且根據(jù)千分表讀數(shù)與計算得到的位移值最大不超過15%，具有良好的實用性。

圖5 PVC管的位移監(jiān)測曲線與計算值擬合

3 現(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)用

3.1 項目背景

廈門軌道交通3號線3標(biāo)段洪坑站位于翔安西路與東界路交界處，與4號線采用通道換乘，其中3號線車站站前設(shè)置雙存車線，沿東界路不跨路口設(shè)置，呈東西走向。車站有效站臺中心線的里程為DK21+868.187，車站右線起點里程為DK21+479.187，車站右線終點里程為DK21+940.487。本站為地下二層島式站臺車站，車站總長462.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度19.7 m，站臺寬度為11 m，有效站臺長度為118 m，共設(shè)3組風(fēng)亭9個出入口和3個安全出入口。分別從車站東南側(cè)小里程逆時針排序，其中1號出入口、1號風(fēng)亭、1號安全出入口合建，2號安全出入口1、2號風(fēng)亭合建，4號出入口與3號風(fēng)亭合建，附屬基坑深度9～12 m不等，出入口高約5 m，風(fēng)亭高6.35～7.55 m。圖6給出了車站平面示意圖。

圖6 車站平面示意圖

3.2 工程地質(zhì)條件

車站原始地貌屬殘積臺地區(qū)(Ⅱ區(qū))，西北角落為沖洪積階地(Ⅰ區(qū))，場區(qū)地形起伏較小。場區(qū)覆蓋層主要為近代人工填筑土層(Q4ml)、第四系全新坡積層(Q4m)、殘積層(Q4mc)及基巖層(Qel)等。厚度及性能變化較大；下伏基巖復(fù)雜，巖性多變，主要為燕山期侵入花崗巖(γ)。

洪坑站局部頂板覆土約3.5 m，底板主要位于強風(fēng)化花崗巖層、全風(fēng)化花崗巖層，部分位于中風(fēng)化花崗巖層。

3.3 測點布設(shè)

分別在基坑左線和右線的大里程部位選取圍護樁作為實驗對象。試驗一共選取了位于43～45軸之間編號為K7、K180、G15的3根圍護樁，同步進行了分布式光纖的布設(shè)和測斜管的埋設(shè)。其中G15為吊腳樁，樁身長度為12 m；K7、K180的樁身長度為15 m。光纜布設(shè)及其保護過程如2.1節(jié)和2.2節(jié)所述，測點平面布設(shè)圖和現(xiàn)場光纖布設(shè)分別如圖7和圖8所示。

圖7 測點布設(shè)圖

圖8 光纜布設(shè)綁扎示意圖

3.4 監(jiān)測結(jié)果

3.4.1 應(yīng)變監(jiān)測

如圖9所示，圖9(a)和圖9(b)分別為編號為G15的樁體在基坑開挖后不同工況下測得的樁體光纜應(yīng)變分布曲線。其中，圖9(a)為8月19日、10月6日、10月16日3次測得的相對于初始狀態(tài)的應(yīng)變曲線。圖9(b)為11月8日、11月21日兩次測得的相對于初始狀態(tài)的應(yīng)變曲線。

從圖9中可以看出，8月19日基坑開挖尚未開挖至編號為G15的樁體的區(qū)域范圍內(nèi)，其應(yīng)變曲線基本分布在 ±50 με的范圍內(nèi)，可以認為是受溫度影響而產(chǎn)生的應(yīng)變。但10月6日和10月16日兩次的應(yīng)變值達到最大值，并且這兩次的應(yīng)變數(shù)據(jù)具有相同的曲線形態(tài)和變化趨勢。同時，11月8日和11月21日的應(yīng)變值也具有相同的曲線形態(tài)和變化趨勢。

3.4.2 位移計算

圖10 樁體水平位移監(jiān)測圖

根據(jù)第2節(jié)所述的方法，結(jié)合上節(jié)監(jiān)測得到的應(yīng)變值，對樁體位移進行計算，圖10為基于BOTDA技術(shù)得到的樁體水平位移圖。圖10(a)為8月19日所測數(shù)據(jù)進行計算的位移值。由于基坑與8月15日開挖，截至8月19號，基坑開挖深度較淺，樁體變形較小，所得位移曲線現(xiàn)實最大位移為3 mm。圖10(b)是在工況開挖至7～8 m時的計算位移曲線圖。從圖中可以很明顯地看到，隨著基坑開挖深度的不斷增加，樁體的水平位移也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢。但樁體頂部未體現(xiàn)出傳統(tǒng)測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的收斂趨勢，即未體現(xiàn)出第一道混凝土支撐對圍護樁的約束作用。原因為：由于在布設(shè)光纜時，樁體頂部需要進行預(yù)留光纜的保護，截取一定長度的測斜管固定于鋼筋籠上，致使光纖實際有效段截取點為鋼筋籠頂部第一根箍筋以下50 cm左右，即冠梁頂部至鋼筋籠頂部第一根箍筋以下50 cm左右處(長度約為1.5 m)的數(shù)據(jù)缺失。從而導(dǎo)致上述情況的出現(xiàn)，即未體現(xiàn)出第一道混凝土支撐對圍護樁的約束作用。

圖10(c)為在工況開挖至10 m時，架設(shè)了第一道鋼支撐的情況下測得的位移曲線。從圖中可以看出，樁體變形由原來的向基坑內(nèi)部變形呈現(xiàn)出向基坑外側(cè)移動的趨勢。原因可能為鋼支撐施加的應(yīng)力較大從而出現(xiàn)樁體向外變形的趨勢。圖10(d)為在工況開挖至基坑底部設(shè)計標(biāo)高、架設(shè)了第二道鋼支撐，并且在基坑對側(cè)同一斷面處堆放了大量盾構(gòu)管片以及其他盾構(gòu)配套組件的情況下測得的位移值。從圖中可以看出架設(shè)了第二道鋼撐后，基坑圍護樁持續(xù)向基坑外側(cè)移動，最大位移值達到10 mm。

4 結(jié)論

根據(jù)目前巖土工程施工監(jiān)測迫切需求實現(xiàn)自動化、實時性、智能化監(jiān)測的背景，針對傳統(tǒng)監(jiān)測手段和技術(shù)存在的不足，以廈門軌道交通工程3號線3標(biāo)段典型工程為依托，以地鐵基坑圍護樁為研究對象，基于布里淵散射光時域分析(BOTDA)技術(shù)，通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗研究，提出了合理有效的光纖布設(shè)方案、保護措施以及測試分析方法，在保證布設(shè)光纜存活的前提下，獲取了有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在地鐵基坑圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測中應(yīng)用的合理性及有效性。主要取得了以下成果：

1)基于材料力學(xué)理論，結(jié)合基坑圍護樁變形特征，推導(dǎo)了圍護樁的深層水平位移的計算公式和方法，并基于分布式光纖的BOTDA傳感技術(shù)，通過室內(nèi)試驗驗證了位移計算公式和方法的有效性。

2)在地鐵基坑工程中成功開展了基于分布式光纖的圍護樁深層水平位移監(jiān)測應(yīng)用研究。結(jié)合圍護結(jié)構(gòu)的施工過程以及變形特征，形成了分布式光纖的布設(shè)方案以及行之有效的保護措施，提高了分布式光纖的現(xiàn)場存活率。

3)取得了寶貴的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過對獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得出分布式光纜位移數(shù)據(jù)和測斜管位移數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)形態(tài)和數(shù)值上比較相似或接近，驗證了基于BOTDA傳感技術(shù)的基坑圍護樁變形監(jiān)測的可行性與有效性。