光纖傳感智能監測系統在復雜基坑工程中的應用研究

王學敬

(中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 前言

近年來，隨著現代化進程的推進，出現了大量的地下通道、地鐵站等工程，基坑開挖深度不斷增加。這些項目在周邊環境、地質情況、基坑深度、結構尺寸、荷載條件和使用區域等方面各有特色，基坑監測已成為建筑工程不可或缺的一部分[1-2]。

在以往的研究中，已嘗試多種方法進行基坑施工安全的監測管控[3-5]，針對不同的情況可選用不同的監測方式，例如采用自動化監測數據分析與預測[6-7]，基于北斗模塊[8]的基坑監測系統，采用三維激光掃描技術監測基坑變形[9]。同時許多學者通過分析總結監測結果對基坑的安全施工進行指導，如通過總結監測的項目和測點的布置原則，指出動態的監測信息可保證基坑開挖期間的安全[10]，或者采用現場監測與數值模擬的組合指導深基坑開挖[11-12]。

由于基坑施工環境越來越復雜，施工空間越來越有限，為改善現有基坑監測技術的不足，利用新型光纖傳感智能監測系統對復雜基坑進行在線實時監測，為深基坑施工提供及時、準確、可靠的監測數據，防范安全風險，是很有必要的。

2 工程概況

北京新機場城際鐵路聯絡線項目位于北京新機場一期紅線范圍內，起訖里程DK42+038～DK46+115，正線長度4.077 km，工程內容包含榆安隧道和地下結構，均采用明挖法施工。基坑寬度為13～29 m，深度為13.7～19.7 m。基坑支撐采用(鉆孔樁+鋼支撐)類型。鉆孔樁直徑0.8 m@1.1 m，樁長26 m。在豎直方向上使用三個鋼支撐和一個鋼倒撐，支撐件的水平間距通常為3～4 m。鋼支撐和鋼倒撐均由φ609螺旋管組成，基坑斷面如圖1所示。

圖1 深基坑斷面示意

2.1 工程地質

該項目位于永定河沖積平原。根據地質調查報告，隧道地層主要是第四紀新沖積層(Q4 al)黏土、粉質黏土、粉質黏土和粉砂夾層、細砂、中砂，下伏(Q3 al)黏土、粉質黏土、粉土、細砂、中砂。

2.2 水文地質

項目范圍內無可見的地表水，地下水深度沿線變化很大，水深15.5～24.4 m，水位季節變化3.0～5.0 m。它主要由大氣降水、地表水滲透和地下徑流補充，隧道中的砂層富含水分，對隧道施工有一定的影響。

3 深基坑監測方案

選擇復雜斷面區域進行監測，所用設備主要包括光纖光柵位移計、光纖光柵軸力計和光纖光柵固定測斜儀，以及多源信息采集儀。

根據施工進度及現場情況，在北區DK42+930斷面處，基坑寬度由窄變寬，在轉角處是應力集中區域；其次在兩側邊坡處有一根高壓電線桿和排水管道，一側是硬化路面和員工宿舍，一側為施工便道，機械通過時該處震動明顯，安全隱患高。在DK42+970斷面附近原有一條干渠，秋冬時干涸，但地下水豐富，地層為粉質黏土和砂土；在井點降水時，對地下土體原有平衡造成影響，開挖時坑壁流土嚴重，造成附近土體變形。所以，此次監測位置選擇在DK42+930和DK42+970兩斷面處，DK42+930處斷面統稱為斷面1，DK42+970處斷面統稱為斷面2。

在兩斷面基坑兩側冠梁處分別安裝一個拉線式光纖光柵位移計，用以監測邊坡整體穩定性；每側安裝一個測斜管，每個測斜管中安裝三個光纖光柵固定測斜儀，用以監測基坑深部水平位移。斷面對應的3根鋼支撐活絡頭一側安裝光纖光柵軸力計，用以監測支撐軸力，如圖2所示，監測涉及元器件詳見表1。

圖2 監測布置剖面示意

表1 深基坑監測元器件

4 監測過程

4.1 位移計安裝

拉線式光纖光柵位移計用于測量邊坡的整體穩定性，關鍵是在邊坡選擇一個相對固定點，然后通過鋼絲繩連接測量邊坡的位移變化。位移計安裝在冠梁上，用膨脹螺栓固定，末端安裝0.5 mm鋼絲繩，與坡頂錨桿連接，并用PVC管對鋼絲繩進行隔離保護。

4.2 測斜管安裝

安裝前，采用工程鉆探機在指定位置鉆孔，孔徑10 cm，孔深18 m。測斜儀通過束節連接在一起，將PVC膠水涂在測斜管的外壁，然后將測斜管插入束節，使用自攻螺釘或鋁鉚釘在束節的四個方向上擰緊，將防水膠帶纏繞在每個束節的兩端，防止雜物、漿液從接頭滲入測斜儀。將測斜儀放置到位后，測斜管和鉆孔間隙充滿細砂，確保測斜管穩定。

安裝光纖光柵測斜儀時，首先將底部滑輪組連接到連接管上，然后用螺栓固定。用鋼絲繩固定連接的滑輪組并拉動組件，然后將其與桿一起放入測斜管中。使用接頭將連接桿延長至第一個預定的傳感器位置，然后執行下一組安裝。安裝頂部托架組件并將光纜引出測斜管口，并將頂部托架卡在管口。安裝完成后，檢查測斜儀是否正常工作。

4.3 軸力計安裝

在安裝過程中，軸力計安裝支架居中并牢固焊接在鋼支撐端頭，并在擬安裝軸力計位置的墻體鋼板上焊接一個250 mm×250 mm×25 mm的加強墊板，防止鋼支撐受到應力后軸力計被困在鋼板中。焊接時，安裝支架必須與鋼支架的中心軸線和安裝中心對齊。焊接部件冷卻后，將軸力計推入安裝支架并用螺絲固定。在安裝過程中，軸力計和鋼支撐應在同一軸線上并保證接觸面平整，確保鋼支撐應力通過軸力計傳遞到圍護結構。安裝完成后，將光纜用管道連接并用20 mm PVC管保護，以防止損壞。

4.4 注意事項

在組網安裝傳感器時，應嚴格按設計位置安裝相應的傳感器，根據監測點布設圖，將各類傳感器正確安裝；傳感器安裝時，先判斷安裝點是否具備安裝條件，傳感器切忌高處墜落、重物打擊等暴力行為；安裝前，需檢測各傳感器組件是否完整無破損，安裝固定后，應對傳感器進行波長檢測，檢查傳感器是否正常工作；已安裝傳感器的光纜用扎帶固定，將光纜插入軟管并盡可能使用埋入式保護光纜。在光纖熔接之前，需要將光纜的FC/APC接頭連接到光纖光柵解調儀，確保整個傳感網絡的波長和損耗在合理的范圍內；如果光功率損耗過大，則需要檢查光纜通道；在消除問題后，傳感器尾纖才可以連接到通道光纜。連接傳感器時，應注意相同偏移波段的傳感器連入解調儀時應連接到不同的通道，通過光纖光柵解調器獲取光纖光柵傳感器的數據，并通過光纖光柵解調器軟件掃描傳感器讀取傳感器的當前波長值。

在施工現場監測時，為保證數據采集的穩定，采集儀應防水防暴曬；同時，為防止他人破壞，應設定適當的防護措施來放置采集儀。此次監測中，在DK42+970處建造了一個保護室用以保護采集儀。

5 監測數據分析

5.1 基坑位移監測分析

位移計于2017年11月3日安裝，相關調試和配置同步完成，然后開始自動化監測工作，數據傳輸到阿里云數據庫中。在兩個斷面的開挖施工過程中一直在線監測，直到完成鋼支撐架設，監測結果如圖3所示，正位移值表示向基坑移動，負位移值表示遠離基坑移動。

圖3 位移計變化趨勢

為了研究施工對邊坡穩定性的影響，提取了相對穩定的兩天位移數據，如圖4所示。在2017年11月10日至12日期間，位移值在晚上時相對穩定，而在上午8點至下午5點期間，位移波動明顯，位移值在0～5 mm內波動。結合施工情況分析，波動變化原因主要是旁邊大型機械、開挖施工等震動所致。由此得出，在基坑開挖工作期間，施工擾動對基坑變形有一定的影響，有必要加強施工時的監測和管理。

圖4 一天中位移計波動情況

5.2 鋼支撐軸力監測分析

2017年11月10日，斷面1的第一層鋼支撐安裝完畢，第二層鋼支撐于2017年11月19日安裝，隨即開始在線監測支撐軸力，變化趨勢如圖5所示。在安裝第二層鋼支撐之前，第一層鋼支撐軸力呈上升趨勢(340～600 kN)。主要原因是在安裝完成第一層鋼支撐后，基坑繼續開挖，底部坑壁支撐減弱，從而第一層鋼支撐負載加大。在第二層和第三層鋼支撐架設完成后，第一層支撐軸力立即停止上升。所以，每道支撐對鄰近支撐的支撐軸力影響明顯，在安裝和拆除鋼支撐時，應密切監測相鄰支撐軸力的變化，以防發生意外事故。

圖5 支撐軸力變化趨勢

提取穩定后的兩天軸力數據對比，如圖6所示，從圖中可以發現，鋼支撐軸力在早上8點到12點左右軸力變大，然后逐漸變小，支撐軸力在夜間逐漸穩定。具體原因主要和氣溫、施工影響有關，在白天，氣溫遠遠高于夜間，鋼支撐及土體的熱效應會導致支撐軸力變大。

圖6 支撐軸力隨氣溫波動情況

5.3 基坑測斜監測分析

在每個監測斷面安裝一個測斜管，以監測基坑深部的水平位移，每個測斜管安裝3個光纖光柵固定測斜儀，安裝在地下2 m、7 m、12 m，監測數據如圖7和圖8所示。對比監測數據顯示，基坑頂部位移比基坑底部大，且開挖過程中位移變化速度大，鋼支撐安裝完成后，測斜數據變化逐漸減小，基坑趨于穩定。

圖7 -2 m土體水平位移

圖8 -12 m土體水平位移

5.4 監測小結

從2017年11月3日到2018年1月20日監測數據來看，監測數據可以準確、真實地反映現場情況，監測結果可用來指導現場施工。

6 結論與建議

新機場明挖隧道復雜深基坑開挖過程中，利用新型光纖傳感智能監測系統進行監測，達到了對復雜基坑進行在線實時監測的目的，改進了原有監測技術的不足，對深基坑開挖過程的變形進行了及時、準確監測，通過監測數據分析，提出以下建議：

(1)深基坑開挖支護過程中應及時做好施工監測，并確保基坑監測與基坑施工同步進行，及時給現場施工提供基坑變形數據，指導基坑土方分層開挖、鋼支撐及時安裝、樁間及時噴錨防護，從而確保深基坑施工安全。

(2)基坑頂施工便道盡量遠離基坑，減小施工過程中機械動載對基坑穩定的干擾。

(3)在拆除鋼支撐時，應隨回填、隨拆除，并應采取措施確保回填部位密實；拆除鋼支撐時應關注監測數據，防范安全風險。