光纤传感智能监测系统在复杂基坑工程中的应用研究

王学敬

(中铁十四局集团第二工程有限公司 山东泰安 271000)

1 前言

近年来，随着现代化进程的推进，出现了大量的地下通道、地铁站等工程，基坑开挖深度不断增加。这些项目在周边环境、地质情况、基坑深度、结构尺寸、荷载条件和使用区域等方面各有特色，基坑监测已成为建筑工程不可或缺的一部分[1-2]。

在以往的研究中，已尝试多种方法进行基坑施工安全的监测管控[3-5]，针对不同的情况可选用不同的监测方式，例如采用自动化监测数据分析与预测[6-7]，基于北斗模块[8]的基坑监测系统，采用三维激光扫描技术监测基坑变形[9]。同时许多学者通过分析总结监测结果对基坑的安全施工进行指导，如通过总结监测的项目和测点的布置原则，指出动态的监测信息可保证基坑开挖期间的安全[10]，或者采用现场监测与数值模拟的组合指导深基坑开挖[11-12]。

由于基坑施工环境越来越复杂，施工空间越来越有限，为改善现有基坑监测技术的不足，利用新型光纤传感智能监测系统对复杂基坑进行在线实时监测，为深基坑施工提供及时、准确、可靠的监测数据，防范安全风险，是很有必要的。

2 工程概况

北京新机场城际铁路联络线项目位于北京新机场一期红线范围内，起讫里程DK42+038～DK46+115，正线长度4.077 km，工程内容包含榆安隧道和地下结构，均采用明挖法施工。基坑宽度为13～29 m，深度为13.7～19.7 m。基坑支撑采用(钻孔桩+钢支撑)类型。钻孔桩直径0.8 m@1.1 m，桩长26 m。在竖直方向上使用三个钢支撑和一个钢倒撑，支撑件的水平间距通常为3～4 m。钢支撑和钢倒撑均由φ609螺旋管组成，基坑断面如图1所示。

图1 深基坑断面示意

2.1 工程地质

该项目位于永定河冲积平原。根据地质调查报告，隧道地层主要是第四纪新冲积层(Q4 al)黏土、粉质黏土、粉质黏土和粉砂夹层、细砂、中砂，下伏(Q3 al)黏土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂。

2.2 水文地质

项目范围内无可见的地表水，地下水深度沿线变化很大，水深15.5～24.4 m，水位季节变化3.0～5.0 m。它主要由大气降水、地表水渗透和地下径流补充，隧道中的砂层富含水分，对隧道施工有一定的影响。

3 深基坑监测方案

选择复杂断面区域进行监测，所用设备主要包括光纤光栅位移计、光纤光栅轴力计和光纤光栅固定测斜仪，以及多源信息采集仪。

根据施工进度及现场情况，在北区DK42+930断面处，基坑宽度由窄变宽，在转角处是应力集中区域；其次在两侧边坡处有一根高压电线杆和排水管道，一侧是硬化路面和员工宿舍，一侧为施工便道，机械通过时该处震动明显，安全隐患高。在DK42+970断面附近原有一条干渠，秋冬时干涸，但地下水丰富，地层为粉质黏土和砂土；在井点降水时，对地下土体原有平衡造成影响，开挖时坑壁流土严重，造成附近土体变形。所以，此次监测位置选择在DK42+930和DK42+970两断面处，DK42+930处断面统称为断面1，DK42+970处断面统称为断面2。

在两断面基坑两侧冠梁处分别安装一个拉线式光纤光栅位移计，用以监测边坡整体稳定性；每侧安装一个测斜管，每个测斜管中安装三个光纤光栅固定测斜仪，用以监测基坑深部水平位移。断面对应的3根钢支撑活络头一侧安装光纤光栅轴力计，用以监测支撑轴力，如图2所示，监测涉及元器件详见表1。

图2 监测布置剖面示意

表1 深基坑监测元器件

4 监测过程

4.1 位移计安装

拉线式光纤光栅位移计用于测量边坡的整体稳定性，关键是在边坡选择一个相对固定点，然后通过钢丝绳连接测量边坡的位移变化。位移计安装在冠梁上，用膨胀螺栓固定，末端安装0.5 mm钢丝绳，与坡顶锚杆连接，并用PVC管对钢丝绳进行隔离保护。

4.2 测斜管安装

安装前，采用工程钻探机在指定位置钻孔，孔径10 cm，孔深18 m。测斜仪通过束节连接在一起，将PVC胶水涂在测斜管的外壁，然后将测斜管插入束节，使用自攻螺钉或铝铆钉在束节的四个方向上拧紧，将防水胶带缠绕在每个束节的两端，防止杂物、浆液从接头渗入测斜仪。将测斜仪放置到位后，测斜管和钻孔间隙充满细砂，确保测斜管稳定。

安装光纤光栅测斜仪时，首先将底部滑轮组连接到连接管上，然后用螺栓固定。用钢丝绳固定连接的滑轮组并拉动组件，然后将其与杆一起放入测斜管中。使用接头将连接杆延长至第一个预定的传感器位置，然后执行下一组安装。安装顶部托架组件并将光缆引出测斜管口，并将顶部托架卡在管口。安装完成后，检查测斜仪是否正常工作。

4.3 轴力计安装

在安装过程中，轴力计安装支架居中并牢固焊接在钢支撑端头，并在拟安装轴力计位置的墙体钢板上焊接一个250 mm×250 mm×25 mm的加强垫板，防止钢支撑受到应力后轴力计被困在钢板中。焊接时，安装支架必须与钢支架的中心轴线和安装中心对齐。焊接部件冷却后，将轴力计推入安装支架并用螺丝固定。在安装过程中，轴力计和钢支撑应在同一轴线上并保证接触面平整，确保钢支撑应力通过轴力计传递到围护结构。安装完成后，将光缆用管道连接并用20 mm PVC管保护，以防止损坏。

4.4 注意事项

在组网安装传感器时，应严格按设计位置安装相应的传感器，根据监测点布设图，将各类传感器正确安装；传感器安装时，先判断安装点是否具备安装条件，传感器切忌高处坠落、重物打击等暴力行为；安装前，需检测各传感器组件是否完整无破损，安装固定后，应对传感器进行波长检测，检查传感器是否正常工作；已安装传感器的光缆用扎带固定，将光缆插入软管并尽可能使用埋入式保护光缆。在光纤熔接之前，需要将光缆的FC/APC接头连接到光纤光栅解调仪，确保整个传感网络的波长和损耗在合理的范围内；如果光功率损耗过大，则需要检查光缆通道；在消除问题后，传感器尾纤才可以连接到通道光缆。连接传感器时，应注意相同偏移波段的传感器连入解调仪时应连接到不同的通道，通过光纤光栅解调器获取光纤光栅传感器的数据，并通过光纤光栅解调器软件扫描传感器读取传感器的当前波长值。

在施工现场监测时，为保证数据采集的稳定，采集仪应防水防暴晒；同时，为防止他人破坏，应设定适当的防护措施来放置采集仪。此次监测中，在DK42+970处建造了一个保护室用以保护采集仪。

5 监测数据分析

5.1 基坑位移监测分析

位移计于2017年11月3日安装，相关调试和配置同步完成，然后开始自动化监测工作，数据传输到阿里云数据库中。在两个断面的开挖施工过程中一直在线监测，直到完成钢支撑架设，监测结果如图3所示，正位移值表示向基坑移动，负位移值表示远离基坑移动。

图3 位移计变化趋势

为了研究施工对边坡稳定性的影响，提取了相对稳定的两天位移数据，如图4所示。在2017年11月10日至12日期间，位移值在晚上时相对稳定，而在上午8点至下午5点期间，位移波动明显，位移值在0～5 mm内波动。结合施工情况分析，波动变化原因主要是旁边大型机械、开挖施工等震动所致。由此得出，在基坑开挖工作期间，施工扰动对基坑变形有一定的影响，有必要加强施工时的监测和管理。

图4 一天中位移计波动情况

5.2 钢支撑轴力监测分析

2017年11月10日，断面1的第一层钢支撑安装完毕，第二层钢支撑于2017年11月19日安装，随即开始在线监测支撑轴力，变化趋势如图5所示。在安装第二层钢支撑之前，第一层钢支撑轴力呈上升趋势(340～600 kN)。主要原因是在安装完成第一层钢支撑后，基坑继续开挖，底部坑壁支撑减弱，从而第一层钢支撑负载加大。在第二层和第三层钢支撑架设完成后，第一层支撑轴力立即停止上升。所以，每道支撑对邻近支撑的支撑轴力影响明显，在安装和拆除钢支撑时，应密切监测相邻支撑轴力的变化，以防发生意外事故。

图5 支撑轴力变化趋势

提取稳定后的两天轴力数据对比，如图6所示，从图中可以发现，钢支撑轴力在早上8点到12点左右轴力变大，然后逐渐变小，支撑轴力在夜间逐渐稳定。具体原因主要和气温、施工影响有关，在白天，气温远远高于夜间，钢支撑及土体的热效应会导致支撑轴力变大。

图6 支撑轴力随气温波动情况

5.3 基坑测斜监测分析

在每个监测断面安装一个测斜管，以监测基坑深部的水平位移，每个测斜管安装3个光纤光栅固定测斜仪，安装在地下2 m、7 m、12 m，监测数据如图7和图8所示。对比监测数据显示，基坑顶部位移比基坑底部大，且开挖过程中位移变化速度大，钢支撑安装完成后，测斜数据变化逐渐减小，基坑趋于稳定。

图7 -2 m土体水平位移

图8 -12 m土体水平位移

5.4 监测小结

从2017年11月3日到2018年1月20日监测数据来看，监测数据可以准确、真实地反映现场情况，监测结果可用来指导现场施工。

6 结论与建议

新机场明挖隧道复杂深基坑开挖过程中，利用新型光纤传感智能监测系统进行监测，达到了对复杂基坑进行在线实时监测的目的，改进了原有监测技术的不足，对深基坑开挖过程的变形进行了及时、准确监测，通过监测数据分析，提出以下建议：

(1)深基坑开挖支护过程中应及时做好施工监测，并确保基坑监测与基坑施工同步进行，及时给现场施工提供基坑变形数据，指导基坑土方分层开挖、钢支撑及时安装、桩间及时喷锚防护，从而确保深基坑施工安全。

(2)基坑顶施工便道尽量远离基坑，减小施工过程中机械动载对基坑稳定的干扰。

(3)在拆除钢支撑时，应随回填、随拆除，并应采取措施确保回填部位密实；拆除钢支撑时应关注监测数据，防范安全风险。