北京通州某地浅部松散层压缩变形BOTDR监测分析

李 超 肖景泽 何 静 蔡向民 刘 予

(北京市地质调查研究院，北京 100195)

0 引言

地面沉降作为一种制约城市发展、危害人民生命财产安全的地质灾害，其本质是各松散未固结地层发生压缩变形在地表的体现[1]。北京市地面沉降的主控因素为新构造运动形成的基底格架、冲洪积环境下可压缩地层的分布、地下水开采造成的漏斗区等[2]。

通州区位于北京市东南部。区内发育多条活动断裂，可压缩层厚度较大，地下水多年过度开采，多种因素导致地面沉降现象较为严重，西北部的台湖及其周边地区为北京市的地面沉降中心，2013年其沉降速率大于100 mm/a[3]。要实现对土体地面沉降问题的防治，就要准确地掌握其本质，即松散层的压缩变形情况。

目前常用于监测松散层压缩变形的手段为分层标，该方法虽然可以较为精确地测量出目标层位的变形量，但精细化程度有限，无法实现分布式测量。近年来，光纤传感技术快速发展，尤其是布里渊光时域反射技术(BOTDR：Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)因具有精度高、分布式测量、测距长、稳定性强等特点而受到越来越多学者的关注。前人基于BOTDR技术进行松散层压缩变形的测量工作，在基础理论的研究应用、光缆埋设工艺、测量数据的计算等方面取得了诸多成果[4-7]。

在前人工作成果基础上，结合实际工作中取得的经验，以北京五环地下空间资源安全监测(一期)工程为背景，介绍BOTDR在松散层压缩变形监测中的应用。

1 BOTDR测量松散层压缩变形原理及关键问题分析

1.1 监测方法介绍

运用BOTDR对松散层压缩变形展开监测时要先将光缆拉紧后垂直埋入目标层位，由于光缆表面的特殊结构以及土体对光缆的围压，光缆与土体间具有很高的耦合性。当土体发生压缩变形时，光缆也会随之发生变形，且两者的变形量相当。此时光缆内发生轴向微应变，使背向散射光的频率发生变化，这种变化与光纤应变存在良好的线性关系[8-10]。通过解调仪得到背向散射光的频率变化就可以反推光纤的应变量，从而达到监测土体纵向变形的目的。

1.2 BOTDR原理介绍

布里渊光时域反射技术(BOTDR)利用分析光纤中后向散射光的方法测量光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗(散射)与长度的关系来测量外界信号场分布于光纤上的扰动信息，其原理如图1所示。

图1 BOTDR的应变测量原理图[5]

进行测量时把脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入测量仪的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的频率分布，如图1所示。

发生散射的位置至入射端的距离Z可以通过式(1)计算得到。

(1)

式中：c为真空中的光速；n为光纤的折射率；T为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。

之后按照上述方法以一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图。

光纤的应变量与布里渊频移可用式(2)表示。

(2)

式中：νB(ε)为当应变为ε时的布里渊频率的漂移量，MHz；νB(0)为当应变为0时的布里渊频率的漂移量，MHz；(dνB(ε)/dε)ε为比例系数；ε为光纤的应变量[11]。

1.3 光缆与土体耦合性相关研究

应变感测光缆的长度变化量等于土体垂向变形量的前提是被测土体不会和应变感测光缆发生相对位移，即感测光缆和其周围的土体要有很高的耦合性。

针对这一问题，前人做了相关研究。一些学者运用摄影测量技术对小规模的砂基地基模型中光缆与土体的耦合性进行了试验[12]。在平面应力的条件下利用土体包埋的光缆以及摄影测量和粒子图像测速仪(PIV)技术，获得了土体垂向的应变量。试验结果证明两种方法测得的土体应变分布结果是相似的。

Iten等人提出拉拔试验是一种研究光缆和土体之间耦合性的有效方法[13]。一些学者也进行了相应的试验[14]，他们通过加压仓、光缆拉拔装置、光缆测试感测装置等设备模拟了不同围压环境下光缆与土体的耦合性。试验前将光缆埋入加压舱中，并且将光缆的一端露出加压舱外，作为自由拉伸端，加压舱与光缆间的空隙由砂-黏土填充。试验时，拉伸光缆自由拉伸端，观察不同的围压下加压舱内光缆长度的变化量与拉伸端光缆长度变化量的关系。从试验结果可知，无论围压多大，埋入段中光缆的应变随拉拔位移的增大而增大，但轴向应变传递到一定深度后不再进一步传递，这个深度为λmax。围压越大λmax越小，光缆-土的耦合性也越好。当回填料为砂-黏混合土时，在0.2 MPa下λmax即减少为接近零。

2 施工工艺

2.1 光缆的选用

北京市通州区某地松散层压缩变形监测采用的光缆为金属基索状光缆，其内部结构如图2所示，采用全程紧套封装，该光纤为单模光纤，光纤外缠绕金属加强件，外包层的材料是聚氨酯。光缆直径5 mm，每1 km光缆质量为38 kg，拉断力为930 N，埋设深度为112 m。

2.2 施工过程

(1)光缆熔接和导头处理

金属基索状应变感测光缆需要穿过配重导头，并熔接形成回路，使用扎带、扎丝和布基胶带将光缆和引线与导头线缆固定主体绑扎固定。最后，套入导头套筒，接上导头尾部导管，完成导头组装。

图2 金属基索状光缆

(2)钻探施工及钻孔清洗

在设计位置进行钻探施工工作，钻孔直径为150 mm，孔深120 m。成孔后需要对钻孔进行一次清孔洗孔处理，避免孔壁泥皮过厚，使回填材料和原地层之间产生润滑作用，影响光缆-土的耦合性。

(3)光缆的埋设下放

将金属基索状应变感测光缆绑扎在受力钢缆上穿过配重导头，通过重力进行下放，下放时注意避免让光缆直接受力，在下放过程中每间隔1～2 m，采用小扎带将光缆和受力钢缆绑扎成一股，以确保光缆的垂直埋放。

(4)光缆临时固定

当配重导头下放到底部时，预留足够长度的光纤引线，剪掉部分长度的光纤。将钻孔外光纤引线临时固定在孔口，保持光缆的紧绷状态，避免光缆发生滑移。

(5)光缆现场测试

下放结束后，采用测试仪器，对光缆进行测试，以确保光缆的完整性。

(6)钻孔封孔

在光缆再次固定完成后，采用封孔材料进行回填封孔。封孔材料以黏土球为主，配合使用少量细砂。采用少量多次的方法回填封孔，避免孔口堵死，尽量保证钻孔回填密实。

(7)光缆再次固定

在钻孔回填完毕后，在孔口位置打入固定桩或者建立支撑横杆，用于固定孔口位置的光缆。金属基索状应变感测光缆应拉紧，避免在封孔材料固结过程中光缆发生回缩，影响光纤后续测试。

3 钻孔地层岩性

光缆埋设处0～107.8 m岩性以黏性土、细砂为主，107.8～120 m为圆砾。钻孔岩性柱、岩性及物理力学参数见表1。

表1 岩性描述及物理力学参数表

4 监测结果与分析

4.1 监测结果

金属基索状应变感测光缆监测数据的采集解调采用中国电子科技集团公司第四十一研究所生产的AV6419光纤应变分布测试仪，其技术参数见表2。

表2 AV6419光纤应变分布测试仪技术参数

图3为通州金属基索状应变感测光缆下放至稳定期监测结果，根据监测曲线，从2017年12月24日埋设金属基索状应变感测光缆，至2018年1月25日，光缆的微应变变化明显，这是由孔内回填材料尚未完全固结造成的。2018年2月1日至2月8日监测数据对比，光缆微应变基本无变化，孔内回填材料下沉基本完成。

图3 通州某地金属基索状感测光缆下 放至稳定期监测结果

金属基索状应变感测光缆埋设后于2018年2月28日采集初始数据，视此时土体的压缩变形量为零值。后期在处理监测数据时均取采集数据与初始数据的差值。本文所用数据分别采集于2018年3月19日、2018年5月24日、2019年5月27日、2019年8月16日、2019年9月16日。光缆的微应变随时间和深度的变化如图4所示。

从微应变变化曲线可看出在0～30 m深度范围内明显的微应变异常值，其中0～5 m微应变变化曲线杂乱无规律，这是由该层光缆埋深较浅，围压小，光缆和土体的耦合性差，以及光缆受气温影响较大引起的。5～30 m处微应变量为负值，说明这两个层位的土体发生明显压缩变形。30～112 m微应变变化不大，说明在这个深度范围内土体未发生明显的压缩变形。

图4 通州某地金属基索状应变感测光缆监测结果

光缆长度的变化量可通过目标段微应变的积分计算得到，见公式(3)。光缆长度的变化量即为对应土层的垂向变形量。

(3)

式中：ΔL为Z1到Z2深度范围内光缆的长度变化量；ε(Z)为Z1到Z2深度范围内光纤的微应变变化量。通过计算可知0～30 m深度范围内土体的压缩量，具体计算结果见表3。

表3 通州某地地下5～30 m及5～112 m层位土体压缩量计算值

4.2 分析与讨论

从表3可看出监测地区5～112 m深度范围内主要的压缩层为5～30 m处地层。该层位地层于2018年3月19日至2019年5月27日压缩量明显增大，从2019年8月16日起压缩量趋于稳定。为了更精细地刻画0～30 m深度范围内土体的压缩变形情况，将该层位土体垂向变形量以1 m点距进行平均处理，土体垂向变形量分布图如图5所示。

图5 通州某地0～30 m深度范围内 土体压缩量时间变化曲线

从图5中可看出，5～30 m地层的压缩量随着时间的推移有变小的趋势，随着深度的加深亦有变小的趋势。

监测地区在埋完光纤以后，2018年4月场地大面积回填大约2 m厚填土，导致监测地区附加载荷增加，致使浅部土体压缩固结，从而导致土层的压缩。2019年初场地内工程建设工作基本结束，工程建设附加载荷趋于稳定。这一过程也反映在了监测数据上，从图4中可以明显看出2019年的三组数据表示的地层压缩量明显变小，8月16日和9月16日的数据基本保持不变。

5 结论

将布里渊光时域反射技术应用于松散层压缩变形监测中，监测地层垂直位移所得结果与理论相符，表明BOTDR在监测中具有良好的应用效果。但需要指出，光缆和土体的耦合性直接制约着监测精度，在能够安装光纤传感器的前提下，钻孔的孔径越小，泥浆泥皮的厚度越小，回填材料具有一定的微膨胀性，光纤土体耦合性就越好，监测数据越可靠。