智能傳感光纖技術(shù)在地下支護(hù)工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用＊

許 程，羅立娜

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510430）

1 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，城市現(xiàn)代化水平逐步提高，地下工程建設(shè)方興未艾。伴隨而來(lái)的是地下基坑工程越挖越大、越挖越難，為確保基坑施工安全以及上層建筑的交付使用安全，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。在深基坑建設(shè)中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性決定了基坑施工的成功與失敗。

近年來(lái)，在城市基坑事業(yè)的興起熱潮中，城市基坑建設(shè)卻因支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)的落后而受到制約。為此，提高監(jiān)測(cè)技術(shù)水平、及時(shí)準(zhǔn)確地提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)基坑建設(shè)的安全性和有效性有著重要的意義。光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)迅猛發(fā)展，由于分布式光纖傳感器具有抗外界干擾強(qiáng)、測(cè)量靈敏度高、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)已廣泛運(yùn)用于深基坑監(jiān)測(cè)、邊坡、管線等需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的工程項(xiàng)目中[1]，如寧波軌道交通翠柏車(chē)站及其附屬工程采用了光纖自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，為工程的安全建成提供了保障。

本文結(jié)合中國(guó)建筑第三工程局珠海市十字門(mén)隧道工程項(xiàng)目中南岸工作井、北岸工作井地下連續(xù)墻的監(jiān)測(cè)，分析現(xiàn)有地下支護(hù)工程監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題，提出了根據(jù)力學(xué)模型進(jìn)行智能傳感光纖監(jiān)測(cè)的方案，為智能傳感光纖技術(shù)在地下支護(hù)工程監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用提供參考。在運(yùn)用智能光纖監(jiān)測(cè)過(guò)程中所存在的問(wèn)題及所遇問(wèn)題的解決優(yōu)化方案進(jìn)行了闡述，希望能為相關(guān)行業(yè)提供一定參考。

2 深基坑支護(hù)工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)WSR 分析

2.1 WSR 基本原理

WSR 方法論是基于物理（W）、事理（S）、人理（R）三個(gè)維度的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。在監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)WSR 方法論適用于對(duì)基坑監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)劣評(píng)價(jià)。該方法從物理（W）、事理（S）、人理（R）三個(gè)維度之間的聯(lián)系與差異間全面分析了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)所存在的問(wèn)題，并將影響監(jiān)測(cè)質(zhì)量核心問(wèn)題展現(xiàn)出來(lái)[2]。

物理（W）是生活中普遍存在的客觀事實(shí)在，還有構(gòu)成系統(tǒng)的客觀存在，如監(jiān)測(cè)環(huán)境、監(jiān)測(cè)對(duì)象、監(jiān)測(cè)方法。事理（S）是指人對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理方式，即人在已有的監(jiān)測(cè)知識(shí)上所指定的各項(xiàng)規(guī)章制度。人理（R）是個(gè)體對(duì)監(jiān)測(cè)活動(dòng)的影響，與個(gè)體行為、目的、所接受的相關(guān)知識(shí)有較大的關(guān)聯(lián)。

2.2 建立WSR 分析指標(biāo)體系

2.2.1 物理維度

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中“物理”指的是現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)環(huán)境以及所使用的監(jiān)測(cè)設(shè)備。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境、監(jiān)測(cè)設(shè)備的分析，可以有效降低監(jiān)測(cè)誤差，分析出產(chǎn)生監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真的原因。從而增加監(jiān)測(cè)工作的有效性，并提出合理的改正措施。

2.2.2 事理維度

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中“事理”是由監(jiān)測(cè)方式、數(shù)據(jù)處理方式、監(jiān)測(cè)工作組織方案所組成的，是使監(jiān)測(cè)工作有計(jì)劃展開(kāi)的主要約束，確保順利地完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。監(jiān)測(cè)方式的選擇是展開(kāi)監(jiān)測(cè)工作的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)處理方式是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要過(guò)程，組織方案是規(guī)范監(jiān)測(cè)工作進(jìn)度的重要手段。

2.2.3 人理維度

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中“人理”是由監(jiān)測(cè)人員自身的特性、技能，人員之間的配合所組成的。監(jiān)測(cè)人員的自身的特性和職業(yè)技能直接影響到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，人員之間的配合則會(huì)影響整個(gè)監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)的應(yīng)對(duì)復(fù)雜監(jiān)測(cè)問(wèn)題的應(yīng)急處理能力。

在以上基礎(chǔ)上構(gòu)建深基坑支護(hù)工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系[4]，如圖1 所示。

圖1 深基坑支護(hù)工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

3 智能傳感光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)

在工程建設(shè)中，基坑工程是工程建設(shè)的基礎(chǔ)步驟，基坑工程的建設(shè)和發(fā)展對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。因此在對(duì)基坑工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先使用智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理念，在被監(jiān)測(cè)構(gòu)筑物中埋設(shè)光纖，以光纖作為傳感元件，對(duì)基坑結(jié)構(gòu)的受力情況、變形情況以及工程質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，進(jìn)而形成智能化的監(jiān)測(cè)管理。

3.1 根據(jù)力學(xué)模型進(jìn)行光纖布置

依據(jù)鋼筋籠的設(shè)計(jì)方案，找出受力筋的分布位置。利用聲測(cè)管實(shí)現(xiàn)光纖分布的預(yù)埋作業(yè)，將聲波探測(cè)與光纖監(jiān)測(cè)的操作空間放置在同一處聲測(cè)管，這就要求該管的預(yù)埋方位必須進(jìn)行全面的力學(xué)分析，使之既能檢測(cè)混凝土的澆筑質(zhì)量，又能滿(mǎn)足傳感光纖對(duì)墻體進(jìn)行力學(xué)監(jiān)測(cè)的需要。

3.2 地表防擾動(dòng)處理

為減輕地表震動(dòng)對(duì)成槽作業(yè)的影響，在成槽作業(yè)之前，對(duì)原有地表進(jìn)行了加固處理，在土體加固的基礎(chǔ)上，用高強(qiáng)度混凝土對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行了全面覆蓋，減輕了大型機(jī)械對(duì)地下空間的擾動(dòng)。利用三軸攪拌樁進(jìn)行預(yù)成槽。

3.3 采用智能監(jiān)測(cè)管理

光纖具備寬帶、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，通過(guò)對(duì)超深地下連續(xù)墻的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判別，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警，從而大大減少現(xiàn)場(chǎng)的工作人員，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目智能監(jiān)控。

3.4 埋設(shè)光纖傳感器

光纖傳感器可以隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)埋設(shè)至土壤中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。預(yù)埋鋼管制作如圖2 所示，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，光纖傳感器不應(yīng)隨意擺放，當(dāng)埋入光纖時(shí)，如果對(duì)混凝土進(jìn)行搗固和壓實(shí)處理，都可能會(huì)對(duì)光纖傳感器造成損壞，影響傳感器的使用性能。對(duì)此，在光纖傳感器表面可配套使用金屬導(dǎo)管，外包一條與混凝土膨脹系數(shù)較一致的金屬導(dǎo)管，然后再將光纖傳感器埋入至小型預(yù)制構(gòu)件中。另外，在基體材料與光纖之間，還應(yīng)該使用具有良好性能的膠結(jié)劑。

預(yù)埋管內(nèi)部放置設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖2 預(yù)埋鋼管制作示意圖

圖3 預(yù)埋管內(nèi)部放置設(shè)計(jì)

3.5 埋設(shè)傳感光纖

避免光纜受力，采用主動(dòng)放線，避免被動(dòng)放線。放線過(guò)程中不可對(duì)應(yīng)變光纜施加較大張力，以避免對(duì)光纜造成不可逆的損傷。推薦使用盤(pán)線架，如無(wú)盤(pán)線架，可在光纜盤(pán)孔內(nèi)穿入管棒，兩人手持管，轉(zhuǎn)動(dòng)光纜盤(pán)放線。避免光纜受到較大側(cè)壓，如人為踩踏、被重物所壓或受到撞擊。

應(yīng)變光纜在成纜過(guò)程中已施加一定的預(yù)應(yīng)力，可以測(cè)量較小的壓應(yīng)變（收縮），如需測(cè)量較大壓應(yīng)變，需在鋪設(shè)時(shí)施加一定的張力。測(cè)量拉應(yīng)變時(shí)，在鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)在光纜松弛的基礎(chǔ)上施加較小張力，以確保在應(yīng)變發(fā)生初期，也能得到理想的應(yīng)變數(shù)據(jù)[4]。

光纜鋪設(shè)完成后，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，檢查儀器設(shè)備完好情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。

3.6 光纖傳感器保護(hù)材料的選取

在選擇光纖傳感器的保護(hù)材料時(shí)，需要綜合考慮以下幾點(diǎn)事項(xiàng)：①要求光纖保護(hù)材料應(yīng)該具備一定的強(qiáng)度，避免在光纖接口位置發(fā)生磨損；②選擇具有適宜厚度的保護(hù)層材料，確保其在埋入后，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)造成不良影響；③對(duì)于保護(hù)材料，應(yīng)該能夠與土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效結(jié)合；④保護(hù)材料應(yīng)具備良好的防腐蝕能力，盡量避免受到外界復(fù)雜環(huán)境因素的影響。

3.7 光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的評(píng)價(jià)

傳感光纖技術(shù)在事理與人理維度可以有效地減少人為誤差所帶來(lái)的影響，極大地提高了監(jiān)測(cè)工作的現(xiàn)實(shí)意義，有利于被監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的建設(shè)，可以及時(shí)為服務(wù)對(duì)象提供科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。使對(duì)方及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工隱患，采取有效的應(yīng)對(duì)措施。在物理維度上，監(jiān)測(cè)設(shè)備屬于前沿科技，將造成監(jiān)測(cè)設(shè)備成本上浮，同時(shí)光纖設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)固然真實(shí)可靠，但監(jiān)測(cè)管理者的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)決定了監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)的限值，無(wú)法做到真正的全過(guò)程“無(wú)人”監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

地下工程監(jiān)測(cè)是地下工程建設(shè)活動(dòng)參與者的眼睛，隨著時(shí)代的發(fā)展，地下工程的工程體量不斷增大，工程建設(shè)難度也是成倍增長(zhǎng)。隨著工程難度的增加，傳統(tǒng)的人工目測(cè)、機(jī)電類(lèi)傳感器監(jiān)測(cè)方式已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前監(jiān)測(cè)工作實(shí)際需要。建設(shè)活動(dòng)的參與者們只能依靠現(xiàn)有資料獨(dú)有的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了威脅。傳感光纖技術(shù)具有及時(shí)性、精確性高等優(yōu)勢(shì)，將傳感光纖技術(shù)應(yīng)用于地下連續(xù)墻監(jiān)測(cè)中，能夠更加詳細(xì)了解地下支護(hù)工程的實(shí)際情況，為地下工程建設(shè)提供可靠依據(jù)。