基于光纖傳感技術的超深基坑支護監測技術研究

曾森華，吳晨龍，王飛祥

(核工業金華勘測設計院有限公司,浙江 金華 321000)

隨著城市地下空間的開發和利用的快速發展,需要開挖大量的深基坑。由于巖土力學的復雜性和許多其他相關因素,特別是在大型基坑的開挖和維護過程中,深層土壤的位移監測是一項尤為重要的任務,特別是側向位移。傳統測量方法通常使用水準儀和傾斜儀來測量側向位移[1-2],但由于人為因素的影響,這一過程耗時長,實效性差。此外,傳統測量方法獲取的結果是離散數據點,無法實現分布式監測。相比之下,分布式光纖技術是一種光電傳感器監測技術,在過去十年中迅速發展并成功應用于巖土工程結構的健康監測。與傳統測量方法相比,這種監測技術可以實時監測深層土壤的側向位移,并可以測量光纖長度方向上的任意點的應變和應變分布[3]。

在地下工程健康監測領域,分布式光纖傳感技術是目前最先進的技術之一,它主要基于布里淵散射效應。這種技術一般包括三種主要類型:布里淵光時域反射光譜儀(BOTDR)、布里淵光時域分析(BOTDA)和布里淵光頻域分析(BOFDA)[4]。這些技術都是利用了光纖中布里淵散射光的頻移與溫度和應變變化之間的線性關系來實現傳感[5]。

1 超深基坑監測原理

1.1 BOFDA主要介紹

BOFDA技術是一種通過測量光纖中布里淵散射光的頻移來實現應變和應力測量的技術。它通過光纖解調器來解調布里淵散射光譜,從而獲取布里淵散射光的頻移信息。

1.2 偏轉計算原理

結構的彎曲變形撓度可以從結構內部的光纖傳感器的應變值計算出來。受側向荷載作用的樁體一側受拉,另一側受壓,支護樁的軸向壓應變εa(z)和彎曲應變εm(z)可以表示為:

其中,ε1,ε2均為試驗獲得的支護樁在深度z處沿側向荷載方向的對稱部分的應變值。中性層上的線段O1O2的曲率半徑為ρ(z)。根據彎曲應變和樁徑向位移之間的關系,可以得出如下公式:

在小變形情況下,支護樁的撓曲線是一個漸變的曲線。下式表示了應變與撓曲之間的關系:

其中,M(z)為深度z處的彎矩;EI為彎曲剛度的值。通過對方程(6)中的微分方程進行積分,可以使用如下方程來計算撓度:

其中,ω(z)為深度z處的支護樁的撓度;C和D均為未確定的系數;H為樁的深度,它可以根據樁體的邊界條件來確定。

1.3 遠程監控的實現

遠程監測的實現需要在現有監測技術的基礎上升級監測的所有技術方面。包括原始數據收集、數據傳輸、數據分析和數據可視化。然后構建一個集成的遠程監測系統。智能基礎設施服務系統是一個全生命周期數據采集、處理、展示、分析和決策服務系統。支持多維可視化和二次開發,并內置相關的分析功能。

2 案例研究

2.1 項目概況

該監測項目是基于某超深基坑工程進行的[6-7]。基坑坑深為38 m,本工程西側空間較小,為確保引水管的安全,采用排樁加預應力錨桿支護,下部中等風化巖采用1∶0.25的坡度系統防護錨桿加固;東、南、北側場地空間稍大,采用土釘墻支護,巖石部分采用1∶0.25的坡度系統防護錨桿加固[8]。北東側設寬4 m出土坡道,坡度為1∶7,土層部分采用土釘墻支護,坡度為1∶0.66,巖石部分采用1∶0.3的坡度系統防護錨桿加固。

為了驗證基于BOFDA的光纖遠程監測在井筒地壁的橫向位移測量中的可行性,對圍護結構地下連續墻橫向位移進行了監測。如圖1所示,該圖展示了圍護結構地下連續墻的分部平面圖,并標繪測點的分布情況。

2.2 光纖的現場安裝

在制作地下連續墻的加固籠時,首先要在加固籠上鋪設金屬應變感應電纜。然后將加固籠放入已挖掘的地下連續墻溝槽中,最后將其澆筑成型。在地下連續墻的監測部分,光纖傳感器會被布置在前后的加固籠上,并采用U形應變感應光纜來進行布置。總共需要220 m的分布式應變感應電纜。同時,還會鋪設一根用于溫度補償的感應電纜,其長度也是220 m。每個測量線都會預留足夠長的光纜以與地面的光纜進行串聯連接。

3 監測數據分析

3.1 數據收集與處理

在數據采集過程中,每次讀取的數值是整個U形光纜長度內的應變數據和溫度數據。初始數據的預處理主要在南茲感應技術公司開發的分布式光纖傳感數據處理系統上完成,主要操作包括數據格式轉換、有效數據區域截取、數據平滑和降噪,以及與初始數據的差異準確提取相同深度的應變和溫度數據,并進行溫度補償等。完成這些操作后,可以得到光纖的真實應變[9]。

3.2 結果分析

圖2展示了在19次光纖監測過程中基坑的橫向位移曲線。可以看出,光纖監測的整體結果與預期一致,呈現出明顯的“鼓脹變形模式”,位移最大的區域主要集中在12 m～18 m之間。在基坑初期開挖階段,隨著開挖深度的增加,最大位移逐漸增大。在基坑中期開挖階段,隨著開挖深度的增加,最大位移表現出波動性,先減小后趨于穩定。這時,基坑的變形主要受到降雨對坑內外的影響。在基坑后期開挖階段,隨著開挖的繼續進行,位移逐漸增加,并在基坑挖掘結束時達到最大值[10-12]。

為了更好地分析降水與基坑變形之間的關系,圖2描述了不同開挖深度的開挖位移變化曲線和封閉水體的累積水位線。很明顯,隨著YG7-2降雨,橫向位移顯著減小,影響持續到10月。可以推測,基坑的橫向位移主要受到開挖和降水的組合影響。在開挖的早期階段,開挖效應引發的位移逐漸增加,而在早期降水階段,降水效應起主導作用,位移略微減小。之后,隨著開挖的繼續,這兩種效應互相抵消,位移保持穩定。在開挖的后期,開挖效應強于降水效應,基坑的位移再次增加[13-16]。

4 結論

在兩種監測方法——光纖監測和手動監測的支持下,通過對某基坑工程進行調查,我們可以得出以下結論:

1)與傳統監測方法相比,光纖監測過程是實時和高效的,在深基坑領域的變形監測中具有一定優勢。然而,由于現有的技術條件,光纖監測不能完全獨立,它需要通過手動監測結果進行校正。

2)手動監測獲得的數據是不連續的,特別是對于超深的基坑,由于客觀條件的限制,難以保證準確性。在本項目中,光纖監測獲得的監測數據更符合圓形基坑的實際變形模式。特別是在大深度開挖中,光纖監測數據更直觀地顯示了開挖深度及降水對基坑變形的影響,但是數據處理方法需要優化[17-20]。

3)光纖監測具有高度的自動化,更適合遠程監測。在智能基礎設施服務系統的支持下,將光纖監測與信息平臺相結合,開發了一個用于光纖監測的綜合數據處理和分析模塊,并討論了監測數據的遠程實時收集和分析的可行性。