軟土-基巖條件下地鐵車站施工間歇期的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與分析

柯 磊 李 紅 劉 坤 陳明銀

（1.中鐵五局集團(tuán)第五工程有限責(zé)任公司，湖南郴州 423000；2.蘇州南智傳感科技有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

隨著我國城市化的不斷發(fā)展，多數(shù)城市開始對地下空間進(jìn)行開發(fā)和利用[1-3]。保障城市軌道交通、深基坑以及地下綜合管廊等地下工程的安全施工成為新的挑戰(zhàn)。地鐵作為城市地下工程的核心基礎(chǔ)設(shè)施，其穩(wěn)定性評價尤為重要。由于城市地鐵工程建設(shè)一般緊鄰既有道路、隧道、管線等，施工工況較為復(fù)雜。地鐵車站基坑的開挖將不可避免地影響周圍結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。此外，地鐵的建設(shè)也常常面臨著復(fù)雜的不良地質(zhì)條件，例如軟土、濕陷性黃土、巖溶、軟硬巖共存等[5-6]。這對車站與隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵的主體結(jié)構(gòu)變形量控制與評價提出了嚴(yán)格的要求。

結(jié)構(gòu)變形的評價方法可以分為數(shù)值模擬[7-8]和現(xiàn)場監(jiān)測[9]。數(shù)值模擬方法可較為直觀、全面地了解結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的變形。例如，白曉宇等[10]基于有限元模擬研究了土-巖組合地層深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。朱彥鵬等[11]通過數(shù)值模擬方法建立深基坑結(jié)構(gòu)的變形和滲流三維模型，對開挖過程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了評價。江中華[12]針對地下車站主體結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期不同荷載條件下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行三維全尺寸的精細(xì)化數(shù)值分析。數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度取決于模型預(yù)設(shè)的參數(shù)與土體和結(jié)構(gòu)的實際參數(shù)差異大小。然而在復(fù)雜的地質(zhì)條件和工況下通常難以準(zhǔn)確獲得土體的真實物理力學(xué)參數(shù)，因此，模擬結(jié)果與實際結(jié)果存在差異。通過對車站施工過程中的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測可以準(zhǔn)確地獲取其變形信息，進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鮑樹峰等[13]提出根據(jù)圍護(hù)墻水平位移最大值、水平位移最大值的變化率等組合基坑安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)特征參數(shù)，并根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑的安全狀態(tài)進(jìn)行評價和預(yù)警。商大勇[14]對地鐵車站的基坑支護(hù)體系下陽角部位的結(jié)構(gòu)變形和土體沉降進(jìn)行監(jiān)測，并分析了變形規(guī)律。張 楠[15]基于兩個典型巖-土地基深基坑工程案例的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了巖-土地基基坑的變形特點。在復(fù)雜地質(zhì)條件下通過對結(jié)構(gòu)或周圍土體的監(jiān)測是一種高效可行的方法。然而，目前的研究多針對地鐵施工過程中或地鐵運(yùn)營期的監(jiān)測與評價，車站施工間歇期的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的研究較為匱乏。特別處于軟土-巖石地基的條件下，由于軟土的承載力較低，車站的主體結(jié)構(gòu)完工后，地基仍有可能產(chǎn)生較大的壓縮變形。車站的主體結(jié)構(gòu)發(fā)生的差異性沉降將影響地鐵的安全運(yùn)營，甚至誘發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部的裂隙。因此，軟土-基巖條件下地鐵車站施工間歇期的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測研究對于地鐵的安全運(yùn)營以及類似工程的設(shè)計具有重要的意義。

本文將布拉格光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)應(yīng)用于軟土-基巖條件下地鐵施工間歇期的車站主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測。多個FBG 傳感器被布設(shè)于車站的頂板、底板以及墻柱結(jié)構(gòu)中。為了對比不同地基條件下結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，本文選擇位于軟土-巖石地基和巖石地基兩個典型的監(jiān)測剖面進(jìn)行研究，并針對結(jié)構(gòu)變形的差異性進(jìn)行了分析。

1 監(jiān)測原理

1.1 光纖布拉格光柵（FBG）感測技術(shù)

布拉格光纖光柵（FBG）是纖芯折射率沿軸向呈周期性變化的光柵。當(dāng)入射激光波長與FBG 的周期滿足布拉格條件時，光柵處的溫度或應(yīng)變的改變將引起光柵周期的變化[16]。光纖芯層和包層半徑同時變小，通過光彈性效應(yīng)改變了光纖的折射率，從而引起光柵波長偏移[17-18]。基于應(yīng)變與光柵波長偏移量的線性關(guān)系，被測結(jié)構(gòu)應(yīng)變或者溫度可通過計算得出[19]。布拉格光纖光柵具體傳感原理見圖1，相關(guān)計算公式見式（1）。

圖1 FBG 傳感原理

式中：λB為 光纖光柵的中心波長；neff為光柵折射率；Λ為光柵周期。

由式（1）可知，F(xiàn)BG 反射的波長 λB與柵格間距及光纖折射率相關(guān)，當(dāng)光纖發(fā)生軸向變形及溫度變化時即可引起柵格間距及折射率的漂移，從而反射波長也發(fā)生相應(yīng)漂移，即通過測量 λB漂移量，即可得光纖的變形量或溫度變化量。

應(yīng)變和溫度與中心波長λB的 均為線性關(guān)系，其關(guān)聯(lián)公式如式（2）所示：

式中：α?為光纖光柵應(yīng)變靈敏系數(shù)；αT光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)；ΔT為溫度變化值；?為應(yīng)變。

1.2 FBG 應(yīng)變計

FBG 埋入式應(yīng)變計如圖2 所示，F(xiàn)BG 埋入式應(yīng)變計利用光纖光柵作為微測力元件。當(dāng)傳感器受到軸向拉伸或壓縮時，傳感器的彈性敏感元件所受的作用力發(fā)生改變。同時光纖光柵波長發(fā)生相應(yīng)的變化。在室內(nèi)標(biāo)定試驗確定傳感器的應(yīng)變與光柵波長的線性系數(shù)后，F(xiàn)BG 傳感器可以對結(jié)構(gòu)的變形量進(jìn)行監(jiān)測。此外，F(xiàn)BG 埋入式應(yīng)變計通過增加溫度參考光柵實現(xiàn)溫度的自補(bǔ)償功能，可以有效剔除溫度變化對應(yīng)變測量引起的誤差。光纖光柵埋入式應(yīng)變計常被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測，其靈敏度高，穩(wěn)定性好。傳感器參數(shù)見表1。

表1 FBG 埋入式應(yīng)變計參數(shù)

圖2 FBG 埋入式應(yīng)變計

2 案例分析

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域概況和地鐵車站傳感器布設(shè)如圖3 所示，研究區(qū)域位于廣東省深圳市軌道交通14 號線的坳背站，建筑總面積約為40928 m2。區(qū)域周圍存在較多的既有建筑，基坑開挖深度約為19 m，因此，車站的監(jiān)測工作尤為重要?；娱_挖范圍內(nèi)的土層淺部主要為素填土和粉質(zhì)黏土，在8.8 m 深度以下存在微風(fēng)化碎屑灰?guī)r，其中不均勻分布溶洞。軟土地基區(qū)域主要由黏土、粉質(zhì)黏土、粉土組成。表2 為軟土地基土層的基本物理力學(xué)指標(biāo)。本文的研究內(nèi)容是在車站主體結(jié)構(gòu)完工以及上覆回填土覆蓋完成后的主體結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。因此，相比于不同深度的地層差異性，橫縱向的軟硬土的分布差異性對本文的研究更為重要。如圖3（a）所示，根據(jù)前期勘測結(jié)果，確定了軟土-巖石的潛在分界面。以基坑的兩個典型剖面A0-A1、B0-B1為例，本文將分析軟硬分布不均條件下的車站主體結(jié)構(gòu)變形特點。

表2 軟土地基地層基本物理力學(xué)參數(shù)

圖3 研究區(qū)域概況與地鐵車站傳感器布設(shè)圖

坳背站為地下二層雙島式站臺車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。車站頂板埋深為5.4 m，中板埋深為11.45 m，底板埋深為19.65 m。為確?；邮┕ぐ踩偷叵陆Y(jié)構(gòu)運(yùn)營安全，結(jié)合本地下站的工程特點及技術(shù)條件，項目重點監(jiān)測了巖溶發(fā)育區(qū)的軟土-巖石界面車站底板、頂板、柱體等結(jié)構(gòu)。采用FBG 傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形，F(xiàn)BG 傳感器的布設(shè)示意圖如圖3（b）所示。同時為了對比軟土-巖石地基與巖石地基車站結(jié)構(gòu)變形差異性，B0-B1剖面的主體結(jié)構(gòu)上被布設(shè)與A0-A1相同的傳感器。

2.2 傳感器布設(shè)

FBG 埋入式應(yīng)變計在混凝土澆筑前綁扎于鋼筋骨架上（見圖4（a）、圖4（b））。傳感器兩端的引線根部采用扎絲或扎帶將其固定至鋼筋上，隨混凝土澆筑即可實現(xiàn)埋入式應(yīng)變計的植入。傳感器安裝完成后采用便攜式FBG 解調(diào)儀檢測傳感器的存活率并記錄傳感器的初始波長（見圖4（c））。FBG 埋入式應(yīng)變計采用專用光纜引線接續(xù)，并固定至鋼筋上沿鋼筋引出（見圖4（d））。其中，引線的過彎處需要以大于5 cm 的彎曲半徑引出。引線在穿過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時須穿套保護(hù)管過渡保護(hù)。最后，線路被集成至FBG 無線解調(diào)儀上，解調(diào)儀參數(shù)見表3。

表3 光纖光柵解調(diào)儀性能參數(shù)

圖4 光纖光柵傳感器埋設(shè)保護(hù)現(xiàn)場照片

2.3 監(jiān)測結(jié)果

（1）A0-A1剖面結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果

A0-A1車站板結(jié)構(gòu)FBG 監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。如圖5（a）所示，針對車站頂板和底板布設(shè)的傳感器進(jìn)行編號，從A0至A1，傳感器編號分別為Li-j（i=1,2,3;j=1,2,…,6,i表示樓層，j表示每層傳感器編號）。軟土-巖石的潛在分界面約位于車站剖面的中間。如圖5（b）所示,車站頂板的中部應(yīng)變具有不斷增大的趨勢，最大值為25.3 μ?。而車站兩側(cè)應(yīng)變則不斷地減少，最小值為-28.6 μ?。頂板的應(yīng)變變化范圍較小，且車站兩側(cè)變形較為對稱。如圖5（c）所示,車站底板整體變形不斷增大，并呈現(xiàn)不均一性。L3-2 和L3-4 處的應(yīng)變在11 月6 日之后快速增大，最大值分別為61.6 μ?和47.9 μ?。位于巖石地基范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)變形較大，而位于軟土范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)變形較小。

A0-A1車站墻柱結(jié)構(gòu)FBG 監(jiān)測結(jié)果如圖6 所示。車站地下二層的墻柱結(jié)構(gòu)具有明顯的壓應(yīng)變，且不斷增大，最大壓應(yīng)變約為249 μ?。不同位置處的墻柱應(yīng)變呈現(xiàn)中心大兩側(cè)小的趨勢，整體曲線為倒U 型。車站中部整體應(yīng)變分布在150～250 μ?范圍內(nèi)。同一根墻柱的上下兩個位置的FBG 應(yīng)變傳感器呈現(xiàn)了不同的應(yīng)變值。其中，L2-4 與L1-4 處傳感器數(shù)值相差較大，應(yīng)變差值為114 μ?，并且該位置位于軟土-巖石交界面附近。

圖6 A0-A1 車站墻柱結(jié)構(gòu)FBG 監(jiān)測結(jié)果

（2）B0-B1剖面結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果

B0-B1車站板結(jié)構(gòu)FBG 監(jiān)測結(jié)果如圖7 所示，軟土-巖石潛在分界面位于B1側(cè)的車站邊界附近。該剖面布設(shè)了三層板結(jié)構(gòu)的監(jiān)測點位，其編號規(guī)律與A0-A1類似。如圖7（b）所示，頂板整體應(yīng)變變化較小，應(yīng)變范圍在-20～+15 μ?之內(nèi)。而車站中板的應(yīng)變則較為復(fù)雜，從B0側(cè)開始，應(yīng)變的增大和減小趨勢交替出現(xiàn)，即L2-1 與L2-4 應(yīng)變明顯增大，L2-3 與L2-5 應(yīng)變明顯減小。并且在12 月28 日時，L2-1 的應(yīng)變比L2-4 處大22 μ?，L2-3 處的應(yīng)變比L2-5 處大13 μ?。這表明車站中板整體呈現(xiàn)B0側(cè)變形值大于B1側(cè)（見圖7（c））。如圖7（d）所示，車站的底板變形規(guī)律較為明顯，除位于軟土附近的板結(jié)構(gòu)具有明顯的變形，其余均表現(xiàn)較為一致的微弱變形。

圖7 B0-B1 車站板結(jié)構(gòu)FBG 監(jiān)測結(jié)果

B0-B1車站墻柱結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果如圖8 所示，L1-3和L2-3 處的應(yīng)變最大值分別為35.6 μ?和34.2 μ?，L1-3 和L2-3 處的壓應(yīng)變最大值分別為-52 μ?和-64 μ?。同一根墻柱的不同位置的應(yīng)變近似相等。且變化規(guī)律較為一致，在靠近軟土地基處的墻柱出現(xiàn)應(yīng)變增大，其余墻柱均表現(xiàn)為不同程度的應(yīng)變減小的趨勢。且與圖6 中的監(jiān)測結(jié)果相比，B0-B1剖面處墻柱變形較小，壓應(yīng)變最大值約為A0-A1剖面處墻柱壓應(yīng)變最大值的1/4。

圖8 B0-B1 車站墻柱結(jié)構(gòu)FBG 監(jiān)測結(jié)果

3 討論

對比不同地基條件下的車站主體結(jié)構(gòu)的變形可以發(fā)現(xiàn)，巖石地基條件下的車站主體結(jié)構(gòu)整體變形明顯小于軟土-巖石地基條件下，且變形較為均一，僅在靠近軟土的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的變形。墻柱的不同位置的變形規(guī)律和變形量較為一致。而軟土-巖石地基條件下，底板位于巖石部分出現(xiàn)了較為明顯的變形，位于軟土部分的結(jié)構(gòu)變形量相對較小。

不同地基條件下車站底板變形差異示意圖如圖9（a）所示。軟土-巖石交界面可以被視為一個等效支點，位于軟土部分的板結(jié)構(gòu)由于底部承載力不足隨著軟土的壓縮整體向下移動。這將導(dǎo)致位于軟土部分的結(jié)構(gòu)的彎曲變形較小，而由于等效支點的支撐作用，位于巖石部分的板結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)中部隆起的變形特點，即具有明顯的彎曲變形。因此，底板在等效支點附近和巖石地基范圍內(nèi)具有較為明顯的彎曲變形。如圖9（b）所示，由于B0-B1處的土-巖分界面位于結(jié)構(gòu)邊緣處，因此只有靠近軟土地基的結(jié)構(gòu)存在較小的彎曲變形。

此外，圖6 中同一墻柱的不同位置存在變形差異較大的現(xiàn)象。不同地基條件下車站墻柱變形差異如圖10（a）所示。車站地下二層的板與墻柱結(jié)構(gòu)可以視為矩形結(jié)構(gòu)，當(dāng)該結(jié)構(gòu)全部位于軟土或全部位于巖石地基時，相鄰的墻柱的變形量相差較小。因此，矩形結(jié)構(gòu)表現(xiàn)整體的壓縮變形，同一墻柱結(jié)構(gòu)的不同位置的應(yīng)變相差較小。而位于軟土-巖石交界面附近的矩形結(jié)構(gòu)，底板的變形差異性導(dǎo)致相鄰的墻柱結(jié)構(gòu)變形明顯不同。在底板和中板的作用下，墻柱不但受到壓縮變形還承受一定的剪切變形，因此表現(xiàn)為同一墻柱的不同位移的變形相差較大。而對于結(jié)構(gòu)全處于巖石地基條件下，其墻柱的整體變形也相應(yīng)的較為均一（見圖10（b））。

圖10 不同地基條件下車站墻柱變形差異示意圖

4 結(jié)論

本文以深圳地鐵坳背站為研究案例，采用FBG應(yīng)變計對不同地基條件下的車站主體結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行自動化監(jiān)測。基于監(jiān)測結(jié)果對軟土-基巖條件下的車站施工間歇期的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）軟土-基巖地基的車站結(jié)構(gòu)變形明顯大于位于巖石地基處結(jié)構(gòu)的變形。車站底板的最大應(yīng)變值為62 μ?，車站地下二層的墻柱結(jié)構(gòu)最大變形為249 μ?。

（2）軟土-基巖條件下的車站結(jié)構(gòu)變形顯示明顯的差異性。車站的底板位于軟土部分的彎曲變形小，而位于巖土交界面和基巖部分出現(xiàn)明顯的彎曲變形。這是由于巖土分界面起到了等效支點的作用，隨著軟土的壓縮變形，位于軟土部分的結(jié)構(gòu)整體下移，而位于巖石部分的結(jié)構(gòu)在等效支點的作用下出現(xiàn)了彎曲變形。

（3）位于巖土分界面附近的車站墻柱結(jié)構(gòu)的變形具有明顯的差異性。這是由于巖土分界面附近的相鄰墻柱的差異性沉降導(dǎo)致車站的板結(jié)構(gòu)將剪切力作用傳至墻柱上。因此位于巖土分界面附近的墻柱結(jié)構(gòu)同時承受著壓縮和剪切變形。