詹浩東 任高峰 胡仲春 張聰瑞 葛永翔 李桃源

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院 武漢 430070； 2.中國鐵建中鐵十四局集團有限公司 濟南 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，因此進行支撐體系應力、應變監(jiān)測，控制支撐體系的變形成為基坑安全研究的重點?；炷林谓Y(jié)構(gòu)的應力、應變監(jiān)測，通常采用埋入監(jiān)測儀器進行監(jiān)測，一般有振弦式和差阻式兩種類型監(jiān)測儀器。振弦式儀器常用于工程結(jié)構(gòu)物表面監(jiān)測，難以適應混凝土埋入式環(huán)境[1]。差阻式監(jiān)測儀器能夠很好地適應混凝土內(nèi)部監(jiān)測環(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)，工程應用中極易破壞，難以長期穩(wěn)定地進行監(jiān)測[2]。傳統(tǒng)應力、應變監(jiān)測儀器在工程中應用，通常存在抗干擾性、耐久性和長期穩(wěn)定性較差的問題，難以滿足現(xiàn)代土木工程智能自動化監(jiān)測要求[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、響應快、靈敏度高等優(yōu)良特性，在智能監(jiān)測方面具有明顯的優(yōu)勢[5-6]。尤其是分布式光纖傳感器，重量輕、尺寸小，便于鋪設安裝，易于植入監(jiān)測對象中[7]。光纖集感測與傳輸于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時分布式監(jiān)測[8]。利用分布式傳感技術(shù)能較好地解決混凝土結(jié)構(gòu)的應力、應變監(jiān)測，已成為國內(nèi)外結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測研究領域的熱點。目前，在國內(nèi)外工程應用中，利用此項技術(shù)在土木、水利工程的檢測和監(jiān)測方面已經(jīng)取得了一系列成果[9-11]。

2001年，OHNO H等[12]開發(fā)出布里淵光時域反射儀,該設備可以測量沿光纖延伸10 km的連續(xù)應變，預計BOTDR技術(shù)將應用于工程結(jié)構(gòu)的檢測與診斷。2003年，張丹等[13]基于分布式測量原理的鋼筋三點彎試驗，通過有限元對比證明BOTDR可以真實地反映結(jié)構(gòu)應力分布。2015年，許崇甲等[14]利用光纖傳感技術(shù)對深基坑支護軸力監(jiān)測，實現(xiàn)實時監(jiān)測開挖順序引起的支撐拉應力變化，保障施工安全并且能夠及時預警，改進了現(xiàn)有支護監(jiān)測體系。以上研究工作將分布式監(jiān)測技術(shù)逐步應用到樁基監(jiān)測、支護監(jiān)測等工程實際，改進了傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，對大型基坑結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測和長期穩(wěn)定監(jiān)測，起到了一定的啟發(fā)指引作用。

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

1 分布式光纖的測試應用

太原火車站調(diào)蓄池施工條件復雜，蓄水池整體長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)合對撐的支撐體系，基坑沿高度方向設置兩道鋼筋混凝土支撐。為了監(jiān)測基坑支撐體系在整個施工期間的安全穩(wěn)定，將分布式應變光纖布置基坑中央棧橋位置，對棧橋進行長期的受力測試研究。

1.1 監(jiān)測原理

分布式光纖本身既是感測原件又是傳輸載體[14-15]，當一束具有一定頻率的脈沖光進入傳感光纖中，光纖中的脈沖光與聲學聲子相互作用，發(fā)生布里淵散射光頻率漂移[16]。光頻率的漂移可以同時受溫度和應變影響，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變的關(guān)系，從而測出光纖沿線的應力分布，實現(xiàn)光纖沿線受力分布式測量。

當分布式光纖受到力作用時，布里淵散射光的頻率會發(fā)生平移，該點的光功率也會發(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位置受力情況。據(jù)此分布式光纖可知沿光纖傳輸應變、溫度以及結(jié)構(gòu)損傷信息，也可知沿光纖傳輸時空連續(xù)分布信息，從而實現(xiàn)復雜工程結(jié)構(gòu)的全方位連續(xù)監(jiān)測，做到及時預警和科學處置。

1.2 布設方法

分布式監(jiān)測最大的優(yōu)勢是可以突破傳統(tǒng)儀器點式測量實現(xiàn)分布式監(jiān)測，工程實際應用中將其布設安裝到監(jiān)測對象的表面和內(nèi)部，兩端與BOTDR解調(diào)儀相連構(gòu)成回路，就能捕捉到被測對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過程中仍需注意幾個問題：(1) 基坑開挖范圍較大，測點較多，要將分布式光纖布置在最合理的位置進行監(jiān)測；(2)監(jiān)測系統(tǒng)中線路傳輸光纖為通用普通光纖，極易遭受破壞，要采取相應的加強保護措施；(3)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)含有溫度和應變的影響成分，要采取相應的措施消除環(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，通常會根據(jù)實際的施工環(huán)境、施工順序和施工方式選擇合理的監(jiān)測方式，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進行應力監(jiān)測。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械運輸進出，大型工程機械反復動載影響較大，在整個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)測的重點部分。為了能夠掌握基坑棧橋的受力狀態(tài)，將分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)布設如圖5所示，溫度補償方式是在溫度補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示意

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)

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

溫度傳感光纖和應變感測光纖在棧橋內(nèi)部布設方法如圖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變解調(diào)儀，再與電腦相連形成一個完整的監(jiān)測系統(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。分布式光纖的溫補光纖置于套管內(nèi)，在應變監(jiān)測過程中自由不受力，達到環(huán)境溫度補償?shù)哪康?，實現(xiàn)棧橋應變的長期監(jiān)測。

圖6 棧橋分布式監(jiān)測系統(tǒng)示意

2 分布式光纖的應用分析

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變解調(diào)儀，利用光纖監(jiān)測的BOTDR技術(shù)，構(gòu)成雙端高精度閉合監(jiān)測回路，適用于棧橋結(jié)構(gòu)長距離長期監(jiān)測，其分布式測量數(shù)據(jù)量大，有效避免了傳統(tǒng)點式間斷測量的弊端。當棧橋結(jié)構(gòu)混凝土凝固，基坑開挖后實施數(shù)據(jù)采集，此時棧橋基本處于穩(wěn)定狀態(tài)光纖監(jiān)測范圍內(nèi)，支撐結(jié)構(gòu)未受到擾動影響。據(jù)此采集分布式光纖監(jiān)測的初始數(shù)據(jù)，為后期監(jiān)測數(shù)據(jù)對比提供依據(jù)。為確保采集基坑開挖周期全程變化數(shù)據(jù)，當基坑開挖時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)變化很微小時數(shù)據(jù)采集結(jié)束，共獲得六個月的有效測試數(shù)據(jù)?；訔蜃冃嗡a(chǎn)生的應變量變化明顯，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，為后續(xù)分析對比提供基礎。

2.2 數(shù)據(jù)分析

為了測試BOTDR技術(shù)實際應用于棧橋監(jiān)測的可靠性，本文從長期監(jiān)測應力變化的方向和有動載作用下應力變化兩個方向進行試驗驗證。經(jīng)溫度補償，剔除溫度效應引起的改變，得到開挖幾個月內(nèi)棧橋各個位置的應變值，距離為除去冗余段和無效段后大約140 m的有效監(jiān)測距離。

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

圖7 動載作用下棧橋應變變化

通過幾個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，用監(jiān)測系統(tǒng)測得的應變數(shù)值減去溫度引起的應變數(shù)值得到圖8所示基坑開挖前后應變數(shù)值，應變數(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。而在調(diào)蓄池施工現(xiàn)場前期土石方開挖，工程車輛都是由棧橋出入，后期主要是調(diào)蓄池底部鋪設鋼筋混凝土，無工程機械擾動，受力基本穩(wěn)定。分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，各個施工階段采集的應變數(shù)據(jù)存在一定差異，但是數(shù)據(jù)應變分布以及形態(tài)較為相似，因此可以真實地反映整個基坑開挖時期棧橋內(nèi)部應力的改變值。

圖8 基坑開挖前后棧橋應變數(shù)據(jù)對比

從整個監(jiān)測過程來看，分布式傳感光纖相比其他傳感元件線性特強、尺寸小，可以相對更完美地與鋼筋混凝土支撐體系中棧橋耦合，尺寸效應很小，可以消除預埋管變形對測量精度的影響，直接反映支撐棧橋的應力、應變情況。在動載作用下能夠靈敏地感知，動載結(jié)束能夠恢復平穩(wěn)，長期監(jiān)測中數(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)測數(shù)據(jù)說明基坑支撐體系起到了很好的效果，棧橋應力變化在正常范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

(1)利用分布式光纖測試技術(shù)對支撐棧橋的變形與破壞特征長期監(jiān)測，根據(jù)開挖情況進行連續(xù)監(jiān)測有利于分析基坑開挖過程中棧橋結(jié)構(gòu)的受力特征，在整個監(jiān)測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)利用分布式光纖測試技術(shù)在機械動載作用下測試，有利于分析擾動對棧橋結(jié)構(gòu)的受力影響，經(jīng)過測試得到了動載作用下棧橋應力傳遞及影響特征，在測試中受機械擾動范圍30 m左右，應力變化大小為4.5 MPa左右，應力在基坑出入口位置局部偏大，與機械依次排隊進出相關(guān)。

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