基于光纖光柵傳感器的地鐵車站支撐內力自動化監測技術

段景川，石昆鵬，李 圍

(1.中國電力建設集團南方建設投資有限公司,廣東 深圳 518000;2.浙江華東測繪地理信息有限公司,杭州 311122；3.上海應用技術大學 軌道交通學院,上海 201418)

由于城市地鐵工程所處的地上[1]和地下[2]環境條件十分復雜，除了進行室內相似模型試驗[3]和數值模擬研究[4]得出相應設計參數外，必須進行施工安全風險因素的識別與評估[5]以及施工全過程監控量測[6]。切實掌握地鐵工程結構與周圍巖體的力學狀態，并將監測值與規范要求的控制值進行比較，給出安全、預警或者報警指令，并采取相應的工程安全措施，確保現場施工安全，把工程事故的發生率降到最低。

對于地鐵深基坑工程，其支撐(鋼支撐、混凝土支撐)內力(彎矩和軸力)是表征施工安全的重要指標，目前常采用鋼筋軸力計進行人工監測。隨著近幾年分布式光纖傳感技術的發展，實現了地鐵深基坑工程支撐內力自動化監測[7]。光纖傳感技術的應用非常廣泛，如王震等[8]利用光纖位移計對基坑開挖施工過程中邊坡穩定性進行了實時監測，高磊等[9]研發了一種分布式光纖測斜管，并詳細介紹了制作工藝，進行了現場基坑測試，通過分布式光纖測斜管的應變信息獲得了深基坑深層水平位移變化規律。

黃廣龍等[10]采用光纖布拉格光柵(fiber bragg grating,FBG)傳感器對深基坑鋼筋混凝土支撐應變進行了監控量測，得出了基坑施工中混凝土支撐應變曲線，其測試結果與振弦式鋼筋計監測結果具有很好的一致性，驗證了FBG傳感器用于基坑支護結構內力監測的可行性。

觀瀾站為香港地鐵投資建設的深圳地鐵4號線3期工程的第5個車站，位于觀瀾大道與橫坑路交叉路口處，沿觀瀾大道呈南北向敷設。站點位置觀瀾大道地勢平緩，四周建構筑物密集。車站有效站臺中心里程：DK26+981.000，車站右線起點DK26+890.585，終點DK27+226.530，車站右線主體長度335.94 m。車站為地下二層島式站臺帶單渡線站，基坑寬21.3～23.2 m，基坑深18.5～20.6 m，車站南北端均接盾構區間，基坑安全等級為一級。

本文依托觀瀾站工程，研究光纖光柵表面應變計在基坑支撐內力自動化監測中的應用技術，為今后類似工程提供技術指導。

1 傳感器及監測儀器選擇

使用杭州玨光物聯網科技有限公司生產的光纖光柵表面應變計進行地鐵基坑支撐內力監測，應變計精度為±5 με，量程 ±1 500 με，分辨率≤0.1%(F·S)。采用全波長便攜式光纖光柵解調儀進行數據處理及采集，光纖光柵解調網絡一體機進行數據處理、采集及傳輸，綜合測試精度≤1/100(F·S)。光纖光柵表面應變計及解調設備，如圖1所示。

圖1 光纖光柵表面應變計及解調設備Fig.1 Demodulation equipment and surface strain gauge of FBG

2 光纖光柵表面應變計的安裝

安裝用于長期觀測的表面應變計，應借助于一個?16的安裝試棒進行安裝，先保證被安裝的表面是一個平面，將2個兩夾具安裝在中心為100 mm的2個點。光纖光柵表面應變計的現場安裝的詳細過程如下：

(1)混凝土支撐上安裝夾具及應變計。

①先在安裝的地方，畫好要安裝的位置，使2個夾具的安裝位置在需要測量應變的方向，并使2個夾具的位置相差100 mm，做好需要固定水泥膨脹螺栓位置的標記。②砼支撐：在標記水泥膨脹螺栓位置的地方，用10 mm直徑的錐頭打孔60 mm深、清理安裝表面。③在清理后安裝表面后者在安裝夾具的位置和孔位上涂上適量的混合好的AB膠(環氧樹脂膠水)。④將配套的M8×60的水泥螺栓和40 mm長的水泥膨脹螺栓配套套管安裝到打好的孔中。⑤水泥膨脹螺栓的螺帽和墊片拿出，安裝夾具到膨脹螺栓上，將水泥膨脹螺栓的墊片和螺帽依次鎖回到水泥膨脹螺栓上，鎖緊螺帽。并采用相同的方法固定另外一個夾具，在固定緊夾具前，應該先將安裝試棒安裝到夾具上，然后固定膨脹螺栓。要保證涂覆的膠水也能起到固定作用。⑥取出安裝試棒，將表面應變計從夾具的一端放入，直到表面應變計各端面與夾具外邊沿平齊為止。⑦固定緊固應變計兩端的螺絲，完成表面應變計的安裝。

(2)鋼支撐上安裝夾具及應變計。

①先在安裝的地方，畫好要安裝的位置，使2個夾具的安裝位置在需要測量應變的方向，并使2個夾具的位置相差100 mm，做好需要固定膨脹螺栓位置的標記。②在標記膨脹螺栓位置的地方，清理安裝表面，并用電焊將配套的M8×60的水泥螺栓和40 mm長的水泥膨脹螺栓配套套管焊接在鋼支撐表面。③膨脹螺栓的螺帽和墊片拿出，安裝夾具到膨脹螺栓上，將膨脹螺栓的墊片和螺帽依次鎖回到膨脹螺栓上，鎖緊螺帽。并采用相同的方法固定另外一個夾具，在固定緊夾具前，應該先將安裝試棒安裝到夾具上，然后固定膨脹螺栓。要保證焊接牢固。④取出安裝試棒，將表面應變計從夾具的一端放入，直到表面應變計各斷面與夾具外邊沿平齊為止。⑤固定緊固應變計兩端的螺5，完成表面應變計的安裝。

(3)光纜保護和終端連接。從應變計引出來的光纜必須緩慢彎曲，不能急彎，更不能折疊，光纜可拼接加長而不影響傳感器讀數。要保持接頭完全清潔。光纜終端的FC/APC光學接頭可通過0.5 m的跳線與光纖光柵解調儀相連，多芯光纜可通過一終端盒與光纖光柵解調儀相連，在此過程中，需要熔接光纜，保證光纜安裝沒有很多損耗，并可以將應變計的波長讀出。

(4)調整初始值和適當的預張拉。比對讀出的應變計波長與出廠的初始值，如果發現初始值和安裝后的波長有比較大的出入(大于或小于100 pm)，應該調整應變計的初始值。方法如下：①松開應變計一端的緊固螺絲;②擰緊或松開圖預張拉螺絲;③觀察光纖光柵解調儀的讀數變化，直到該讀數的變化和出廠初始值相符，該初始值應該不大于光柵的原始波長1.5 nm。

3 支撐軸力計算方法

因荷載變化引起的支撐單個表面應變計測試的應變計算公式如下；

ε=K(λ1-λ0)-B(λt1-λt0)

(1)

式中：K為應變計應變系數(με/nm)(取正值)；B為溫度修正系數，B=K+35.1(αA-αB)×106,單位取με/nm；λ1為應變柵當前的波長值(nm)；λ0為應變柵初始的波長值(nm)；αA為被測物熱膨脹系數；αB為傳感器結構件本身的熱膨脹系數，αB=10×10-6/℃；ε為單個表面應變計測試的應變量；λt1為溫補光柵當前波長值(nm)；λt0為溫補光柵初始波長值(nm)。

鋼支撐軸力可以表示為：

(2)

對鋼筋混凝土桿件，在鋼筋與混凝土共同工作、變形協調條件下，軸向受力可表述為：

(3)

鋼支撐彎矩可以表示為：

(4)

(5)

式中：Mx為支撐水平向彎矩(kN·m)；Mx為支撐豎直向彎矩(kN·m)；D為鋼支撐外徑(mm)；d為鋼支撐內徑(mm)；ε2，ε4為鋼支撐水平向應變；ε1，ε3為鋼支撐豎直向應變；E為鋼支撐的彈性模量。

混凝土支撐的彎矩可以表示為：

(6)

式中：Ec為混凝土彈性模量(GPa)；Es為鋼筋彈性模量(GPa)；Ac為混凝土截面積(mm2)；As為鋼筋總截面積(mm2)；h為混凝土支撐高度(m)；b為混凝土支撐寬度(m)。

4 監測結果

針對混凝土支撐采用光纖光柵表面應變計進行了軸力監測，從2018年7月27日～11月13日測點計算所得的混凝土支撐軸力列于表1中。由表1可見：因基坑土方開挖導致基坑外側水土壓力作用在圍護結構上，使得圍護結構向基坑內變形，導致混凝土支撐的軸力均為壓力；隨著基坑開挖的進行，混凝土支撐的軸力的量值增加，且增加的量值比較大，最大達到了3.32倍，最小僅為0.7%，甚至有減小的為31.6%；最大軸力達到了 1 718.1 kN，主要原因是隨著基坑開挖深度的增加作用于圍護結構上的水土壓力也增加，但量值小于軸力設計值的80%，滿足安全監測要求；基坑開挖穩定后支撐軸力有所減少，相當于最大值減少了約5%。采用軸力計對混凝土支撐進行了軸力監測，如表1所示。采用軸力計監測的混凝土支撐軸力與光纖光柵表面應變計所測得的軸力變化規律相同，且軸力的量值也差不多，表明采用光纖光柵表面應變計進行了軸力監測是可行的。

表1 混凝土支撐軸力監測結果Tab.1 Monitoring result of axial force of concrete support kN

5 結 語

依托深圳地鐵4號線3期工程觀瀾站，利用光纖光柵傳感器技術，詳細介紹了光纖光柵表面應變計在鋼支撐和混凝土支撐上的安裝過程及鋼支撐和混凝土支撐內力各自的計算方法，建立了地鐵車站支撐內力自動化監測技術。應用該技術進行了觀瀾站混凝土支撐軸力監測，經監測數據分析，驗證了光纖光柵表面應變計自動化監測地鐵基坑支撐內力的實用性。該技術具有減少監測人員和降低勞動強度、節約成本等優點，具有推廣應用前景。