分布式光纖監測技術在基坑監測中的應用

吉曉朋， 張志創， 李 克， 張 馳， 錢 坤

(1.中航勘察設計研究院有限公司， 北京 100098； 2. 河南華廈建筑設計有限公司，河南 鄭州 450000； 3.汕頭大學 土木與環境工程系， 廣東 汕頭 515063；4.中原工學院 建筑工程學院， 河南 鄭州 450007)

隨著我國的建筑上部結構逐漸向高層邁進，下部結構所處地質情況和周圍環境等越來越復雜，建筑基礎工程中基坑深度也在不斷增加。這使基坑結構變形受到了更嚴格的限制，進而也對其變形監測技術提出了更高的挑戰。傳統的基坑結構變形監測手段存在效率不高、抗干擾能力弱、系統化程度較低等不足，而分布式光纖傳感技術具有靈敏度高、可連續監測、測量便捷、適應性強等優勢[1-3]，可以克服傳統監測方式的弊端。

分布式光纖感測技術主要通過對分布式感測光纜的應變解調，來實現被測物的應變測量，從而實現被測物的位移解析。分布式光纖既是傳感器，又是光信號傳輸通道。分布式光纖感測技術具有分布式特點，利用光纖應變與被測結構物的對應關系，可以得到待測參量沿光纖長度的連續分布信息。光纖本身纖細微小，易被植入，且不受地下水、電磁干擾等惡劣環境的影響，可以實現結構或巖土體的精細化測量[4-6]。

本文依托北京市某基坑支護工程，進行了分布式光纖的現場試驗，通過在預應力錨桿上通長布設分布式光纖，對預應力錨桿在基坑開挖過程中的應變發展規律進行了為期2個月的監測工作，監測結果可為類似項目提供一定的借鑒。

1 現場光纖布設方法

應變監測光纖使用5 mm鋼絞線緊套光纖；由于監測時間較長，監測期間溫度變化較大，采用溫度補償光纖消除溫度變化對光纖監測的影響，溫度補償光纖采用凱夫拉纖維松套光纖。5 mm鋼絞線緊套光纖和溫度補償光纖結構如圖1所示。

(a) 5 mm鋼絞線緊套光纖 (b) 溫度補償光纖圖1 光纖結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical fiber structure

本項目基坑支護共設計了3道預應力錨桿，錨桿桿體采用直徑15.2 m的低松弛鋼絞線。試驗選取了基坑第3道預應力錨桿中的3根錨桿作為監測對象，試驗錨桿編號分別為M1、M2、M3。試驗時，將分布式應變監測光纖沿錨桿桿體送入錨桿孔內，注漿后，分布式光纖與錨桿注漿體形成一個整體，協同變形，分布式光纖的應變即為錨桿桿體的應變。分布式光纖監測位置及布設示意圖如2、圖3所示。

圖2 試驗錨桿位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test anchor position

圖3 分布式光纖布設示意圖Fig.3 Schematic diagram of distributed optical fiber layout

試驗采用的錨桿長度為17 m，其中自由段長為5 m，光纖采用粘貼式布設；錨固段長為12 m，光纖采用埋入式布設。試驗采用的傳感光纖為5 mm鋼絞線緊套光纖，每段傳感光纖截取19 m長，其中2 m為引線，留置在孔外與傳輸光纖熔接，17 m附著在錨桿上。為了保證傳感光纖與錨桿變形的一致性，將 5 mm鋼絞線緊套光纖與錨桿5 m自由段粘貼的部位，用工具剝開，去除護套與鋼絞線，只留下纖芯部分，將纖芯用膠水粘貼在錨桿自由段上。通過前期的多次試驗，膠水選用與裸纖耦合性最佳的UHU強力膠。

通常情況下，錨桿為彎曲狀態，為便于粘貼光纖，首先將錨桿拉直，用砂紙打磨表面銹跡，然后用專用清潔劑將錨桿表面擦洗干凈，最后在錨桿自由段用UHU強力膠將傳感光纖通長粘貼。由于UHU強力膠水需要24 h才能完全固化，故粘貼光纖后的錨桿靜置48 h后，再套入黑色隔離塑料布。

在錨桿的錨固段，以0.5 m間距用扎帶將傳感光纖綁扎在錨桿上，和水泥漿液澆筑為一體，錨固段在注漿后形成注漿體-光纖-錨桿桿體組成的耦合體。

光纖在錨桿上的布設示意圖如圖4所示。

3根試驗錨桿(M1、M2、M3)桿體材料均采用4根直徑15.2 mm的低松弛鋼絞線，預應力錨桿的自由段長度5 m，錨固段長度12 m，錨桿水平間距 1.6 m，錨桿設計參數如表1所示。

表1 錨桿設計參數

錨桿注漿后，待達到注漿體設計強度的75%時進行預應力張拉，張拉到設計預應力鎖定值的50%時，恒載保持20 min，測量分布式光纖的應變；然后對錨桿繼續分步加載，加載至預應力鎖定值鎖定后，再測量分布式光纖的應變，此測量值作為錨桿應變初始值。

試驗過程中，每天對光纖的應變進行監測并采集數據，數據采集設備采用國產AV6419光纖應變分析儀。

2 測試結果分析

本項目統計了2020年11月22日至2021年1月22日期間錨桿M1、M2、M3上的4根光纖應變的監測數據，并對監測結果進行了分析。

2.1 溫度補償光纖應變分析

本文對溫度變化對光纖產生的應變進行分析，分析結果如圖5-圖7所示。

圖5 錨桿M1溫度補償光纖應變圖Fig.5 Optical fiber strain diagram for M1 anchor temperature compensation

圖6 錨桿M2溫度補償光纖應變圖Fig.6 Optical fiber strain diagram for M2 anchor temperature compensation

自2020年11月22日至2021年1月22日，每天下午3時對大氣溫度及光纖應變進行了監測，監測初期監測頻率定為一天一次，根據監測情況增加或減少監測頻率。監測期內大氣溫度逐漸降低，最高溫度9 ℃(2020年11月22日)，最低溫度-1 ℃(2021年1月22日)，溫差為10 ℃。

圖7 錨桿M3溫度補償光纖應變圖Fig.7 Optical fiber strain diagram for M3 anchor temperature compensation

根據圖5-圖7，可以看出：

(1)隨著時間的推移及氣溫的降低，溫補光纖應變逐漸減小，錨桿自由段孔口處的光纖應變值減少約210～220 με。根據溫度補償光纖參數，溫度每降低1 ℃，光纖應變約減少20 με，可以推算出溫度降低了10.5～11.0 ℃。根據現場實際溫度來看，2020年11月22日下午3點，實時溫度為9 ℃，而2021年1月22日下午3點，實時溫度為-1 ℃，溫度差值為10 ℃，光纖監測計算結果與實際值相近。

(2)隨著深度增加，土體與外界熱交換減少，溫補光纖的應變變化也越來越小，氣溫變化對溫補光纖的應變影響范圍主要為自孔口向內6 m左右，錨固段的溫補光纖處于土層深處，受溫度變化影響很小。

2.2 錨桿光纖應變分析

錨桿M1、M2、M3光纖應變隨監測時間變化的情況如圖8所示，圖中光纖應變為錨桿上4根光纖應變的平均值。

對光纖應變曲線進行分析，可以得出以下規律：

(1)錨桿孔口及自由段與錨固段過渡位置出現應變峰值，這是典型的應力集中現象；錨桿自由段中間位置前后約3 m范圍內的光纖應變值及變化規律都相似，且應變變化較為平緩均勻，因此自由段應變平均值應在自由段中間位置前后約3 m范圍內取值。

(2)在錨桿張拉鎖定后，錨桿M1～M3光纖自由段平均應變增加了2 139～2 490 με，同一根錨桿的不同鋼絞線上的光纖應變變化是不一樣的，反映出同一根錨桿的不同鋼絞線受力是不相等的。

(a) 錨桿M1光纖平均應變

根據光纖的應變變化值，錨桿軸力可以通過應力公式算出：

F軸力=σ·As=Es·με·As

(1)

式中：σ為錨桿應力(N/mm2)；Es為鋼絞線彈性模量(N/mm2)；με為錨桿應變；As為錨桿桿體截面面積(mm2)。

軸力計算結果見表2。

為便于對比分析，現場試驗時，在3根試驗錨桿錨頭處分別安裝了振弦式錨桿測力計對錨桿自由段軸力進行了測試，并對由分布式光纖監測計算出的錨桿軸力值與錨桿測力計實測值進行了對比分析，結果見表2。由表2可以看出，二者的誤差在5%以內，這說明分布式光纖傳感技術應用于錨桿軸力監測是可行的。

(3)光纖應變從錨固段開始衰減，衰減速度呈負指數逐漸變慢，在2～2.5 m時應變迅速趨于零值。根據錨桿錨固力計算公式，可以反算出錨桿錨固體與土體(本項目試驗錨桿錨固段均位于卵石層)之間的粘結強度值，反算結果見表2。

表2 錨桿監測結果及分析計算表

F軸力=πd∑qsk,ili

(2)

式中：d為錨桿的錨固體直徑(m)；qsk,i為錨桿錨固體與第i土層的粘結強度值(kPa)；li為錨桿錨固段在第i土層中的長度(m)。

(4)本項目試驗錨桿錨固段均位于卵石層，工作狀態下，錨固體與卵石層之間的粘結強度約215.4～276.8 kPa，錨固段并非全長受力，在現場試驗中錨固段受力有效長度約為2～2.5 m，因此當錨固段長度達到一定值時，再增加錨桿長度對錨桿承載力毫無意義。通過分布式光纖監測錨桿應變變化，可以反算錨固體與土體之間的粘結強度，為錨桿的設計提供相應幫助。

(5)在監測期間錨桿軸力變化幅度較小，說明基坑的土體整體穩定，下部卵石地層的開挖對上層土的擾動影響較小。

3 結語

本文采用分布式光纖對基坑錨桿進行應變監測，可以掌握錨桿軸力分布及其變化規律，及時了解基坑安全狀況。同時，通過監測結果，可以反算錨固體與土體之間的粘結強度，進而對錨桿設計參數提供相應指導。因此，采用分布式光纖進行基坑錨桿軸力監測具有較好可行性，并具有一定的工程應用價值，值得進一步推廣。