基于光纖傳感技術的樁體位移監測方法研究

朱棟梁 林偉寧 程貴海 陳秋平 趙偉來 陳國良

摘要：現有光纖傳感器的布設方法單一，無法完全適應各類工程的監測要求。為此，從實際工程樁體水平位移監測的需求出發，針對工程施工特點，設計單U型和多U型布設方法，并于室內構建PVC管簡支梁模型，利用分布式光纖傳感器對PVC管彎曲變形應變進行測量。采用各類應變組合進行撓度計算，分析了各應變組合撓度的試驗誤差。將上述兩種光纖布設方法分別運用于實際工程的樁體水平位移監測中，并對比分析光纖傳感器監測數據效果。試驗與實際工程分析結果表明：利用分布式光纖計算樁體位移時，應當優先選用垂直基坑開挖面的雙軸線應變進行計算，其次可利用其他軸線應變換算成基坑側應變，進而用雙軸線應變計算，而多軸線應變計算會造成多余誤差;在實際工程運用時，分布式光纖傳感器監測效果優于側斜管監測效果。

關 鍵 詞：基坑監測; 圍護結構; 光纖傳感器; 光纖布設方法; 位移計算

中圖法分類號： TP212

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.027

0 引 言

隨著地下工程的發展，地鐵建設進程逐步加快，地鐵基坑工程事故頻發，使得基坑工程的安全問題越來越得到重視。基坑工程施工安全主要由基坑圍護結構變形情況來表征，因此，基坑圍護體系的結構變形監測在保障基坑工程安全方面起到至關重要的作用[1-2]。鉆孔灌注樁作為一種典型且十分重要的基坑工程圍護結構，其形變大小可直接反映基坑的安全狀況。目前，針對鉆孔灌注樁結構變形的監測通常采用預埋側斜管，通過測量側斜管傾角變化來計算樁體的水平位移。采用常規測斜儀對圍護結構進行傾斜監測時，一方面數據采集需要人工操作，監測耗時較長，監測結果受人為因素影響大，存在較大偶然誤差;另一方面，監測時間受到限制，難以對圍護結構進行實時、遠程監測，尤其是在逆作法基坑施工時，圍護結構水平位移監測點位甚至位于道路中央，受密集車輛影響很大，監測工作開展難度大，監測人員的安全也無法有效保障。再者，測斜管在土體中容易受到施工影響而被破壞，導致測斜儀卡在管內，無法繼續工作，進而造成經濟損失，且目前沒有好的解決辦法[3-4]。

隨著光纖傳感技術的興起發展，越來越多的研究人員將其運用至巖土工程領域，嘗試彌補人工監測存在的弊端，并取得了較好的效果：劉杰等[5]基于布里淵時域分析（BOTDR）技術，將分布式光纖粘貼至PVC材質的測斜管表面，對南京市某基坑土體深部水平位移進行監測，驗證了分布式光纖應用的可行性;童恒金[6]、樸春德[7]等基于BOTDR技術，提出一種將分布式光纖以鋼筋籠直徑對稱U型布設、U型截面垂直基坑開挖面的分布式光纖傳感器埋設工藝以及相應的檢測步驟，通過靜載實驗與現場實測數據對比，驗證了用分布式光纖測量樁體撓度的可行性;2014年丁勇[8]等基于BOTDA技術和U型布設分布式傳感光纖對武漢綠地中心基坑地連墻進行監測，為后續工程提供參考;2016年崔振東[9]等基于BOTDA技術，通過U型布設分布式光纖傳感器，對深基坑樁錨支護結構變形進行測量，并取得良好的工程實際效果。

上述研究很好地說明了分布式光纖作為監測手段的可行性。然而，在實際工程中，監測作業需要根據圍護結構設計、施工要求進行不同程度的調整，以樁體為例，其施工過程主要分為樁體土體開挖、樁體鋼筋籠綁扎與入樁、樁體混凝土澆筑、樁頂破除、樁頂冠梁綁扎與澆筑（樁體腰梁綁扎與澆筑）。因此，為了更好地實現監測要求，在使用分布式光纜對樁體進行監測時，需要結合不同施工方法設計不同布設方案。例如：在實際工程中，常出現混凝土支撐并未澆筑于冠梁頂部處，而是澆筑于冠梁以下樁體腰部位置的情況，在施工過程中需要在腰部對樁體進行破除進而綁扎腰梁，此時，位于基坑開挖側的光纖極易被損壞，且難以修復，從而導致監測失敗。

因此，本文結合實際工程，針對兩種不同的地鐵工程圍護結構特點，基于BOTDA技術以及分布式光纖U型布設原理，設計改良兩種不同的分布式光纖布設方式，通過室內試驗探討布設方法的可行性以及位移計算方法。

1 BOTDA技術及光纖布設方法原理

1.1 BOTDA技術原理

如圖1所示，BOTDA技術[10]利用了分布式光纖中的布里淵散射光頻率變化量（頻移量）與光纖軸向應變或環境溫度之間的線性關系來實現傳感，該關系式可以表示為

VB1ε，T-VB2ε0，T0=VBε，Tεε-ε0+VBε，TTT-T0（1）

ΔV1=KεΔε+KTΔT（2）

ΔV2=-KεΔε+KTΔT（3）

ΔV1-ΔV22=KεΔε（4）

式中：VBε，T，VBε0，T0分別為測試前后光纖中布里淵散射光的頻移量;ε0，ε分別為測試前后軸向應變值（一定空間分辨率下的平均應變）;T0，T分別為測試前后的溫度值。此次試驗選用分布式光纖比例系數VBε，Tε，VBε，TT的值為0.048 2 MHz/με和1.12 MHz/ ℃。

由式（1） 可知，BOTDA頻率漂移由應變漂移與溫度漂移兩部分構成，在實際撓度計算中，應變漂移為有效漂移量，即在使用過程中需剔除溫度漂移。剔除方法有：DTS溫度補償[11]、硬件補償[12]等。在樁體水平位移監測中，多通過U型對稱布設分布式光纖進行監測，在位移計算時，需將受拉側應變與受壓側頻移相減，從而消除溫度頻移，亦可減小中性層誤差，因此，該計算方法應當為偶數頻移線性組合[13]。

1.2 布設方法原理

1.2.1 單U型布設方法原理

常規單U型布設方法在實際工程操作中，按正對基坑開挖側主筋以及對稱迎土側鋼筋U型方式來布設分布式光纖傳感器，具體布設方法如圖2所示。

圖2中所示方法利用位于基坑側與道路側兩根鋼筋進行應變監測回路搭接，并在相鄰鋼筋以同種方式進行溫補回路搭接。其監測位移計算原理為傾角法[14]：將樁體彎曲應變轉化為轉角，進而通過轉角累加計算樁體沿長度的各部位位移，基本公式如下：

Δαi=ld（εa-εb）（5）

αn=ni=0Δαi（6）

un=lni=1αi（7）

式中：εa，εb分別為彎曲受拉、受壓側應變;Δαi為相對角度變化;αn為軸向某點的角度;l為采集儀設置的采樣間距，mm;un為各點位移，mm。

1.2.2 多U型布設方法原理

通過對比各地實際工程發現，腰梁結構非常常見（見圖3）。在實際工程中，若僅使用單U型布設方法布設無法保證光纖完好，從而導致監測作業失敗。

因此，為了更好地進行監測作業，需對現有的單U型布設方法進行改良，以適應該工況下的監測作業要求，從而提高傳感器存活率，改良后的布設方法如圖4所示。

圖4中所示方法利用基坑側（道路側）同側相鄰兩根鋼筋進行光纖回路搭接，且單一光纖回路中以一側作為應變監測部分，一側作為溫補監測部分。基于此布設方法，于單一樁體共布設4組回路，本文將此布設方法命名為多U型布設方法。其基本原理為：① 單U型布設方法原理;② 材料力學應變轉化原理[15]，即當樁體發生撓度變形時，與中性層距離相同點的應變應當相等，且不同距離點的應變比等于距離之比，如圖5所示，樁體中性軸與A（D）點距離為r，與B（B′）、C（C′）距離為y，其各點應變關系可表示為

εCεD=εBεA=yr ，εBεD=εCεA=-yr（8）

εD-εA=ryεC-εA=ryεC-12（ryεB+εA）（9）

κ=1d（εD-εA）=Δαl（10）

式中：εA，εB，εC，εD分別為軸線A，B，C，D處應變;r為樁體半徑，mm。

1.3 布設方法的試驗驗證

為了驗證改良布設方法的可行性，本文設計完成了以PVC管為載體的撓度加載試驗，并將多組分布式光纖測量所得的PVC管撓度應變與材料力學理論應變對比，從而驗證分布式光纖應變測量的準確性（見圖6）。最后將有效的應變進行不同組合后，采用傾角法計算管體撓度，并與千分表實測位移進行對比，對比驗證各計算組合的準確度。

1.3.1 試驗程序

以簡支梁中部集中荷載受力模型為基礎設計試驗，同時于各位置布設千分表進行位移測量工作（見圖7）。選用質地均勻、變形性能較好的PVC-U d50管模擬樁體，長方體鋼架作為基座，并固定光軸承作為控制固定端。依據布設圖，用墨斗彈出墨汁線（A點至中性軸距離為B點的兩倍），于PVC管表面U型布設0.9 mm的緊套分布式光纜，以保證光纖形成回路（AD，BB′，CC′）。布設光纜時，將光纜拉緊繃直，用LESSO硬質PVC膠結劑將光纜沿墨汁線牢固的粘貼于PVC管的上下表面以及側表面（見圖8）。PVC管固定至光軸承中，將光軸承收口螺絲收緊，保證PVC管與光軸承緊密接觸無相對滑動，利用木工夾固定光軸承于鋼架上，形成固定端約束。在PVC管的中部加載點鉆出小孔，將無彈性牽引繩穿過小孔，提供砝碼加載點。此次試驗共采用4個千分表，千分表根據其實際量程合理安放。在整個實驗過程中，盡量將室溫保持為恒定溫度，在較短時間內完成數據采集工作。

1.3.2 應變結果分析

由于試驗頻率數據較多，此次試驗僅通過解調儀導出試驗應變結果，將處理結果以EXCEL表格顯示，最終結果如圖9所示。

圖9顯示梁的應變對稱性較好，應變基本呈線性變化，應變最大點位于中部，上下表面應變相反且吻合度較高，測試點B、C位于PVC管側面，距離中性層12 mm，其理論應變大小與上下表面應變之比為2.08，實測應變之比約為2.05，實測應變與理論應變相符，因此，綜合分析認為此次試驗應變結果有效。

1.3.3 試驗位移計算及分析

（1） 轉角計算。單應變，將該應變視為εa-εb，帶入式（5） 計算;雙應變，AD側組合依據式（5） 計算，其他組合將B（C）側應變依據式（8）換算至A（D）側應變，而后與AD組合一致;三應變，將B（C）側應變依據式（8）換算至A（D）側應變，而后與AD組合一致。

（2） 位移計算。將各計算轉角帶入式（6）～（7）計算得出最終位移Y，最后將該位移與千分表實測數據進行對比分析，對比分析結果如圖10和表1～2所示。

從位移對比圖10可以看出：在不同荷載下的位移曲線基本滿足材料力學理論曲線，能很好地表現出簡支梁在不同荷載下受力位移變化。就整體對比而言，發現單側應變計算位移不夠準確，偶然性較大，而雙數組合計算能降低偶然性，提高精度，且A+C、A+D組合最佳，B+D次之。

從表1～2中可以明顯看出：偶數應變組合計算的位移與千分表位移較為接近，其中偶數應變組合中A+C、A+D的誤差比其他組合小;三應變組合與千分表位移差距較雙應變大，與圖像判斷相符。綜合分析表明雙應變組合可以減小應變誤差帶來的位移計算誤差，與1.1節中溫度補償計算方法吻合。

2 工程應用

2.1 單U型布設方法工程應用及數據分析

八一南街站A出入口位于車站主體結構北側，出口方向與車站主體平行，采用明挖順作法施工，深14.85 m，圍護結構采用“圍護樁+混凝土支撐”的圍護方案。基坑范圍主要為素填土、粉質砂巖、圓礫全風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖及中風化泥質粉砂巖，基底位于中風化泥質粉砂巖中，樁體入巖深1.5 m。本文選擇編號ZQT-2、ZQT-3號鉆孔灌注樁進行分布式光纖樁體測斜工程驗證，基坑現場平面設計如圖11所示，具體布設參數如表3所列。

此基坑于7月21日進行表土剝離，至8月20開挖基本結束，開挖深度9 m，歷時30 d。

如圖12（a）所示，ZQT-2號樁體側基坑在8月7日前一直作為出土通道，進行出土作業，其工況較為復雜，導致其水平位移形態亦較多。7月11日，較初始狀態無變化，位移較小。7月26日基坑開挖至2.5 m，開挖土層為沙石層，基坑底部積水，底部為致密粉砂巖巖層，此時由于樁體上部受力較大，下部水的滲透使得土壓力減小，基坑底部開挖面有些許隆起，因此，樁體出現“S”形變形。7月28日基坑開挖至2.5 m，該側仍作為出土通道，土體出運基本完成，底部積水尚未排盡，圍護樁掛網噴射混凝土，由于樁體上部土體卸載，樁體彈性變形部分逐步恢復原狀，此時測得樁體恢復中間態，呈“Ω”形變化。8月12日，基坑開挖最深至約6 m，此時圍護樁隨著開挖深度的增加上部受力增加，并無其他特殊作用力，其受力情況與懸臂梁受線荷載相似，位移曲線呈“Y”形變化。8月14日，基坑開挖至約7 m，現場安裝鋼支撐，鋼支撐預加軸力約800 kN，此時樁體2 m處受到較大的鋼支撐軸力影響，頂端土壓力不足以抵抗軸力，隨著深度增加，土壓力作用效果增加，最終使樁體呈“Ω”形形態。8月20日，基坑開挖至9 m，此時鋼支撐軸力消散殆盡，僅為100～200 kN，隨著開挖深度的增加，土壓力作用效果主導變形，使樁體呈“Y”形變化。

如圖12（b）所示，ZQT-3號樁體側工況較為簡單。7月11日至8月12日，樁體隨開挖深度增加，開挖部分受力增加，土壓力作用下使圍護樁呈“Y”形變化，且頂部位移逐步增加。8月14日，基坑開挖至7 m深，現場安裝鋼支撐，鋼支撐預加軸力約800 kN，此時樁體2 m處受到較大的鋼支撐軸力影響，頂端土壓力不足以抵抗軸力，隨著深度增加，土壓力作用效果增加，最終使樁體呈“Ω”形形態。8月20日，基坑開挖至9 m，此時鋼支撐軸力消散殆盡，僅為100～200 kN，隨著開挖深度的增加，土壓力作用效果主導變形，使圍護樁呈‘Y’形變化。

2.2 多U型布設方法工程應用及數據分析

秦塘站為金華-義烏-東陽市域軌道交通工程第19座車站，設計為地下二層雙島四線換乘車站。基坑頂板覆土約6.55 m，底板埋深約14.5～16.2 m。抗拔樁、圍護樁、格構柱采用1 000鉆孔樁，局部圍護樁間設800高壓旋噴樁。本文選擇編號1016、1029號鉆孔灌注樁進行分布式光纖傳感樁體測斜監測。各樁體參數為：直徑0.8 m，樁長16 m，主筋20根，入巖深度1 m。

此基坑于2月27日開始表土剝離，至3月10開挖結束，開挖深度10 m，采用前進式開挖，歷時12 d。

如圖13所示，為了更好地說明兩種分布式光纖布設方法的優劣性，利用測斜管監測值作為對照組，將分布式光纖采樣間距設置與測斜管采樣間距一致，從而分析兩種方法的效果。

如圖14所示，利用單U型（1號位及2號位）布設算法、多U型（2號位及3號位）布設算法計算的位移監測值與側斜管監測值趨勢一致，多U型較單U型的數值大小與測斜管數值吻合度更高，分析原因為測斜管安裝部位靠近3號位，因此兩者測量結果吻合度高。該樁體于3月1～4日開挖完成，該樁體2 m處安裝混凝土支撐，以約束樁體位移，然而測斜管監測位移并未體現出混凝土支撐約束效果，兩種分布式光纖監測位移均完整體現，分析原因為側斜管彎曲強度較大，此樁體位移較小進而導致側斜管變形較小，無法體現混凝土支撐約束效果;3月2～5日，基坑底部積水，導致樁體的變形朝土體內部發展;6～7日，基坑底部積水已排盡，樁體變形朝基坑開挖側發展。

綜上所述，測斜管位移監測在樁體位移較小時，不能完全體現樁體變形位移形態;單U型布設與多U型布設均能反映樁體位移變化情況，兩者監測效果一致，均能體現樁體位移情況。

3 結 論

（1） 基于BOTDA測量得到的應變數據曲線和計算得出的位移曲線符合材料力學中簡支梁的加載受力變形特征，且最大位移在PVC管的中部，與加載位置相吻合。

（2） 利用不同軸線位置的應變數據，采用傾角法計算得出的位移值與千分表對應位置測得的實際位移值吻合度較高;且采用兩個不同軸線位置的應變組合計算較單個軸線上的應變計算得出的位移更為準確;而三應變組合并不能提高精度，相反會造成多余誤差，該計算方法與分布式光纖布設原理相契合。

（3） 在實際工程應用時，應優先保證軸線A、軸線D傳感器的完好，并采集有效數據。進一步為了保證監測作業順利進行，可考慮設軸線B、軸線C為備用;實際的工程中，A，B，C，D軸線分別對應基坑開挖側正面鋼筋籠主筋（受壓側）、基坑開挖側側面鋼筋（兩側）、背土側正面鋼筋籠主筋（受拉側）。因此在使用單U型布設以及多U型布設時，首先確保要基坑開挖側正面鋼筋籠主筋上的傳感器為完好（受壓側）。當使用多U型布設時，基坑開挖側正面鋼筋籠主筋傳感器被破壞的情況下，也可以使用基坑開挖側側面鋼筋上的傳感器（兩側）數據替代。且軸線A（D）與軸線C（B）應變比例應當等于半徑與軸線C布設位置與中性軸距離之比。

（4） 在實際工程應用時，應當結合各工程特點以及施工方式，綜合考慮分布式光纖布設方法。在本文實際工程監測作業中，單U型分布式光纖布設方法與多U型分布式光纖布設方法均能能夠很好地對樁體變形進行監測，且監測效果優于側斜管監測效果。

此次室內試驗與實際工程監測的成功，表明該分布式光纖能夠很好地對樁體變形進行監測，多U型布設方法室內試驗能夠為存在腰梁結構的分布式光纖監測作業提供理論依據，實際工程監測更驗證了該方法的有效性。

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（編輯：鄭 毅）

Research on pile displacement monitoring method based on optical fiber sensing technology

ZHU Donglian1，3，LIN Weining2，CHENG Guihai1，CHEN Qiuping2，ZHAO Weilai2，CHEN Guoliang3

（1.School of Resources，Environment and Materials，Guangxi University，Nanning 530004，China; 2.Jinhua-Yiwu-Dongyang Rail Transit Co.，Ltd.，Jinhua 321000，China; 3.State Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics and Engineering，Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS，Wuhan 430071，China）

Abstract：

Now available layout of optical fiber sensors has defects of single deployment，which could not meet demands of various projects.For this reason，according to the requirements of horizontal displacement monitoring of practical engineering pile，we develop a new single-U shaped and a multi-U shaped layout.Meanwhile，a simple supported beam of PVC pipe is designed，and its bending deformation and strain were measured by using distributed optical fiber sensor.The deflection of the pipe is calculated by different combination of strain，and the errors of each combination are analyzed.Finally，the above two optical fiber layout methods were applied to the actual engineering pile horizontal displacement monitoring，and the effect of optical fiber sensor monitoring data were compared.The experimental and practical engineering analysis show that when the distributed fiber is used to calculate the pile displacement，the double-axis strain being perpendicular to excavation face should be firstly used to calculate the pile displacement，and then the other axial strains can be converted into the lateral strain of the foundation pit，and further the double-axis strain can be used to calculate the pile displacement，while the multi-axis strain calculation will cause redundant errors.In practical engineering application，the monitoring effect of distributed optical fiber sensor is better than that of inclined pipe.

Key words：

foundation pit monitoring;envelope structure;optical fiber sensor;layout method of optical fiber;displacement calculation