基于光纤传感技术的超深基坑支护监测技术研究

曾森华，吴晨龙，王飞祥

(核工业金华勘测设计院有限公司,浙江 金华 321000)

随着城市地下空间的开发和利用的快速发展,需要开挖大量的深基坑。由于岩土力学的复杂性和许多其他相关因素,特别是在大型基坑的开挖和维护过程中,深层土壤的位移监测是一项尤为重要的任务,特别是侧向位移。传统测量方法通常使用水准仪和倾斜仪来测量侧向位移[1-2],但由于人为因素的影响,这一过程耗时长,实效性差。此外,传统测量方法获取的结果是离散数据点,无法实现分布式监测。相比之下,分布式光纤技术是一种光电传感器监测技术,在过去十年中迅速发展并成功应用于岩土工程结构的健康监测。与传统测量方法相比,这种监测技术可以实时监测深层土壤的侧向位移,并可以测量光纤长度方向上的任意点的应变和应变分布[3]。

在地下工程健康监测领域,分布式光纤传感技术是目前最先进的技术之一,它主要基于布里渊散射效应。这种技术一般包括三种主要类型:布里渊光时域反射光谱仪(BOTDR)、布里渊光时域分析(BOTDA)和布里渊光频域分析(BOFDA)[4]。这些技术都是利用了光纤中布里渊散射光的频移与温度和应变变化之间的线性关系来实现传感[5]。

1 超深基坑监测原理

1.1 BOFDA主要介绍

BOFDA技术是一种通过测量光纤中布里渊散射光的频移来实现应变和应力测量的技术。它通过光纤解调器来解调布里渊散射光谱,从而获取布里渊散射光的频移信息。

1.2 偏转计算原理

结构的弯曲变形挠度可以从结构内部的光纤传感器的应变值计算出来。受侧向荷载作用的桩体一侧受拉,另一侧受压,支护桩的轴向压应变εa(z)和弯曲应变εm(z)可以表示为:

其中,ε1,ε2均为试验获得的支护桩在深度z处沿侧向荷载方向的对称部分的应变值。中性层上的线段O1O2的曲率半径为ρ(z)。根据弯曲应变和桩径向位移之间的关系,可以得出如下公式:

在小变形情况下,支护桩的挠曲线是一个渐变的曲线。下式表示了应变与挠曲之间的关系:

其中,M(z)为深度z处的弯矩;EI为弯曲刚度的值。通过对方程(6)中的微分方程进行积分,可以使用如下方程来计算挠度:

其中,ω(z)为深度z处的支护桩的挠度;C和D均为未确定的系数;H为桩的深度,它可以根据桩体的边界条件来确定。

1.3 远程监控的实现

远程监测的实现需要在现有监测技术的基础上升级监测的所有技术方面。包括原始数据收集、数据传输、数据分析和数据可视化。然后构建一个集成的远程监测系统。智能基础设施服务系统是一个全生命周期数据采集、处理、展示、分析和决策服务系统。支持多维可视化和二次开发,并内置相关的分析功能。

2 案例研究

2.1 项目概况

该监测项目是基于某超深基坑工程进行的[6-7]。基坑坑深为38 m,本工程西侧空间较小,为确保引水管的安全,采用排桩加预应力锚杆支护,下部中等风化岩采用1∶0.25的坡度系统防护锚杆加固;东、南、北侧场地空间稍大,采用土钉墙支护,岩石部分采用1∶0.25的坡度系统防护锚杆加固[8]。北东侧设宽4 m出土坡道,坡度为1∶7,土层部分采用土钉墙支护,坡度为1∶0.66,岩石部分采用1∶0.3的坡度系统防护锚杆加固。

为了验证基于BOFDA的光纤远程监测在井筒地壁的横向位移测量中的可行性,对围护结构地下连续墙横向位移进行了监测。如图1所示,该图展示了围护结构地下连续墙的分部平面图,并标绘测点的分布情况。

2.2 光纤的现场安装

在制作地下连续墙的加固笼时,首先要在加固笼上铺设金属应变感应电缆。然后将加固笼放入已挖掘的地下连续墙沟槽中,最后将其浇筑成型。在地下连续墙的监测部分,光纤传感器会被布置在前后的加固笼上,并采用U形应变感应光缆来进行布置。总共需要220 m的分布式应变感应电缆。同时,还会铺设一根用于温度补偿的感应电缆,其长度也是220 m。每个测量线都会预留足够长的光缆以与地面的光缆进行串联连接。

3 监测数据分析

3.1 数据收集与处理

在数据采集过程中,每次读取的数值是整个U形光缆长度内的应变数据和温度数据。初始数据的预处理主要在南兹感应技术公司开发的分布式光纤传感数据处理系统上完成,主要操作包括数据格式转换、有效数据区域截取、数据平滑和降噪,以及与初始数据的差异准确提取相同深度的应变和温度数据,并进行温度补偿等。完成这些操作后,可以得到光纤的真实应变[9]。

3.2 结果分析

图2展示了在19次光纤监测过程中基坑的横向位移曲线。可以看出,光纤监测的整体结果与预期一致,呈现出明显的“鼓胀变形模式”,位移最大的区域主要集中在12 m～18 m之间。在基坑初期开挖阶段,随着开挖深度的增加,最大位移逐渐增大。在基坑中期开挖阶段,随着开挖深度的增加,最大位移表现出波动性,先减小后趋于稳定。这时,基坑的变形主要受到降雨对坑内外的影响。在基坑后期开挖阶段,随着开挖的继续进行,位移逐渐增加,并在基坑挖掘结束时达到最大值[10-12]。

为了更好地分析降水与基坑变形之间的关系,图2描述了不同开挖深度的开挖位移变化曲线和封闭水体的累积水位线。很明显,随着YG7-2降雨,横向位移显著减小,影响持续到10月。可以推测,基坑的横向位移主要受到开挖和降水的组合影响。在开挖的早期阶段,开挖效应引发的位移逐渐增加,而在早期降水阶段,降水效应起主导作用,位移略微减小。之后,随着开挖的继续,这两种效应互相抵消,位移保持稳定。在开挖的后期,开挖效应强于降水效应,基坑的位移再次增加[13-16]。

4 结论

在两种监测方法——光纤监测和手动监测的支持下,通过对某基坑工程进行调查,我们可以得出以下结论:

1)与传统监测方法相比,光纤监测过程是实时和高效的,在深基坑领域的变形监测中具有一定优势。然而,由于现有的技术条件,光纤监测不能完全独立,它需要通过手动监测结果进行校正。

2)手动监测获得的数据是不连续的,特别是对于超深的基坑,由于客观条件的限制,难以保证准确性。在本项目中,光纤监测获得的监测数据更符合圆形基坑的实际变形模式。特别是在大深度开挖中,光纤监测数据更直观地显示了开挖深度及降水对基坑变形的影响,但是数据处理方法需要优化[17-20]。

3)光纤监测具有高度的自动化,更适合远程监测。在智能基础设施服务系统的支持下,将光纤监测与信息平台相结合,开发了一个用于光纤监测的综合数据处理和分析模块,并讨论了监测数据的远程实时收集和分析的可行性。