基于分布式光纖傳感技術(shù)的深基坑坑底回彈監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

施 豪

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 北京 100101)

0 前言

近年來(lái),隨著城市的不斷建設(shè)以及建筑行業(yè)的快速發(fā)展,基坑逐漸向超大超深方向發(fā)展,深基坑工程日益增多。在地下結(jié)構(gòu)施工期間,深基坑工程是一項(xiàng)危險(xiǎn)系數(shù)大、專業(yè)性強(qiáng)、系統(tǒng)性完整的工程[1]。同時(shí)深基坑工程具有施工難度大、施工時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),且受地質(zhì)水文條件影響大,容易發(fā)生基坑坍塌等安全事故,因此為保證深基坑施工安全,在深基坑施工期間對(duì)基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分必要的,而坑底回彈作為深基坑監(jiān)測(cè)中至關(guān)重要的一個(gè)測(cè)項(xiàng),其監(jiān)測(cè)難度較高,傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)[2-5]。

目前的深基坑坑底回彈監(jiān)測(cè)多采用人工監(jiān)測(cè)的方式,主要使用回彈標(biāo)、分層沉降儀,通過(guò)定點(diǎn)式的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑的監(jiān)測(cè),其監(jiān)測(cè)精度較低,存在在空間和時(shí)間上無(wú)法連續(xù)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。而分布式光纖具有易布設(shè)、抗干擾能力強(qiáng)、可實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),在地下隧道、高架橋等基礎(chǔ)工程中有著較為廣泛的應(yīng)用[6-8],在深基坑工程中,通過(guò)分布式光纖可實(shí)現(xiàn)對(duì)深基坑坑底回彈的精準(zhǔn)、連續(xù)監(jiān)測(cè)[9-11]。

1 分布式光纖的監(jiān)測(cè)原理和技術(shù)應(yīng)用

1.1 分布式光纖的監(jiān)測(cè)原理

基于布里淵散射光頻域分析技術(shù)(Brillouin optical frequency domain analysis,BOFDA)的分布式光纖傳感技術(shù),其基本原理是通過(guò)測(cè)試復(fù)雜的基帶傳輸函數(shù)來(lái)推算布里淵散射光頻移[12]。當(dāng)光纖產(chǎn)生軸向應(yīng)變或是溫度發(fā)生變化時(shí)便會(huì)造成布里淵頻移變化,通過(guò)該頻移變化量與光纖軸向應(yīng)變之間的線性關(guān)系,得到光纖的軸向應(yīng)變。

光纖的應(yīng)變與布里淵頻移的關(guān)系可用式(1)表示。

(1)

式中,vB(ε)是光纖產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)艜r(shí)布里淵頻率的漂移量;vB(0)是無(wú)應(yīng)變產(chǎn)生時(shí)的布里淵頻率的漂移量;dvB(ε)/dε是比例系數(shù),約為493 MHz/%;ε是光纖的應(yīng)變量。

布里淵散射光頻域分析技術(shù)正是利用布里淵散射光這一性質(zhì)來(lái)監(jiān)測(cè)光纖應(yīng)變,通過(guò)對(duì)光纖在產(chǎn)生應(yīng)變處的布里淵頻率頻移前后變化量換算出光纖的應(yīng)變值。因此,應(yīng)用基于布里淵散射光頻域分析技術(shù)BOFDA的分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)分布式、連續(xù)監(jiān)測(cè)。

1.2 分布式光纖的技術(shù)應(yīng)用

大型基礎(chǔ)工程如高架橋、地下隧道、江河堤防、跨江大橋和水利樞紐等構(gòu)筑物,在外部環(huán)境以及各種荷載多方面因素的作用下,會(huì)發(fā)生一定程度的變形,其表現(xiàn)形式有兩種：一種是整體或大范圍的均勻和不均勻變形,這種變形在開(kāi)始階段一般難以察覺(jué),例如，一些構(gòu)筑物的沉降變形;另一種是局部變形,通常以各種分布不均勻的裂隙為主,其寬度從幾微米到數(shù)厘米不等,應(yīng)變量常常只有10-5～10-7數(shù)量級(jí),主要分布在結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力集中區(qū)[13]。針對(duì)這些大型基礎(chǔ)工程的變形特點(diǎn),基于BOFDA的分布式光纖傳感技術(shù)能夠很好地適用于這些大型基礎(chǔ)工程的變形監(jiān)測(cè)[14-16],因此BOFDA技術(shù)的研究和應(yīng)用對(duì)各種重大基礎(chǔ)工程的變形監(jiān)測(cè)具有重要意義。

2 分布式光纖的布設(shè)

分布式光纖的布設(shè)一般分為兩種方式：一種是全面布設(shè),通過(guò)粘貼、開(kāi)槽或者預(yù)埋入的方式來(lái)進(jìn)行光纖的布設(shè);另一種是定點(diǎn)布設(shè),通過(guò)定制圓盤、定制卡片、騎馬卡等固定方式來(lái)進(jìn)行光纖的布設(shè)。如圖1所示,全面布設(shè)適用于結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的監(jiān)測(cè),而定點(diǎn)布設(shè)適用于結(jié)構(gòu)體表層的監(jiān)測(cè)。以北京某樞紐基坑監(jiān)測(cè)為例,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為基坑坑底回彈,考慮到其監(jiān)測(cè)的連續(xù)性,最終選擇全面布設(shè)的方式。

(a)全面布設(shè)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件及監(jiān)測(cè)需求,采用混凝土專用密集分布式應(yīng)變感測(cè)光纜,如圖2所示,其具有良好的機(jī)械性能和抗拉壓性能,能與巖土體、混凝土等結(jié)構(gòu)很好地耦合。

圖2 混凝土專用密集分布式應(yīng)變感測(cè)光纜

為監(jiān)測(cè)基坑內(nèi)土體的豎向位移,即基坑坑底回彈,選擇在基坑坑內(nèi)從地表垂直埋設(shè)一條光纜。通過(guò)鉆機(jī)在地表鉆孔,將光纜利用鉆孔埋設(shè)進(jìn)土體并形成U型回路,即光纜從地表沿鉆孔一側(cè)由上而下布設(shè)并在孔底轉(zhuǎn)折由下而上布設(shè)至地表,如圖3所示。在光纜埋入鉆孔后對(duì)鉆孔進(jìn)行回填,使光纜與土體充分耦合。

圖3 光纜U型布設(shè)

3 分布式光纖的數(shù)據(jù)采集、處理和分析

3.1 光纖數(shù)據(jù)的采集

目前基于布里淵散射光的光纖傳感技術(shù)一共有布里淵散射光時(shí)域反射測(cè)量?jī)x(BOTDR)、布里淵光時(shí)域分析技術(shù)(Brillouin optical time-domain analysis,BOTDA) 和BOFDA三種。本文使用基于BOFDA的光纖傳感技術(shù),通過(guò)fTB2505-BOFDA解調(diào)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在數(shù)據(jù)采集時(shí)需要光纖構(gòu)成一個(gè)閉合回路,如圖4所示,相較于其他單線路采集方式,其空間精度更高。

圖4 fTB2505解調(diào)設(shè)備

數(shù)據(jù)采集前需先進(jìn)行自檢,自檢完成后檢查光纜的長(zhǎng)度和損耗,若光纜長(zhǎng)度與實(shí)際光纜長(zhǎng)度相差較大或是光纜損耗較大,需要對(duì)光路和跳線進(jìn)行檢查,確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中要保持跳線FC接口處的清潔,以免光纜損耗較大,保證數(shù)據(jù)采集的合格率。

3.2 光纖數(shù)據(jù)的處理和分析

因?yàn)閿?shù)據(jù)采集時(shí)需要將光纖和解調(diào)設(shè)備連接,所以在布設(shè)光纖時(shí)需要預(yù)留一定長(zhǎng)度的光纖用于連接解調(diào)設(shè)備,因此在數(shù)據(jù)采集完成后首先需要對(duì)數(shù)據(jù)的有效段落進(jìn)行確定。本文通過(guò)結(jié)合光纖數(shù)據(jù)圖形的特征和實(shí)際光纖埋設(shè)深度的方法來(lái)確定數(shù)據(jù)的有效段落,結(jié)果如圖5所示。利用圖形的對(duì)稱分布特征確定了光纖底部的位置,再結(jié)合光纖實(shí)際埋設(shè)深度確定了起點(diǎn)通過(guò)光纖數(shù)據(jù)圖形的對(duì)稱分和終點(diǎn)位置,獲得了有效測(cè)量段落。

圖5 光纖有效測(cè)量段落

在初次采集時(shí)共采集三次數(shù)據(jù),并對(duì)三次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。剔除其異常值后取三次數(shù)據(jù)的平均值作為初始值。

圖6 三次初始數(shù)據(jù)采集

以初次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為初始值,將后續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與初始值進(jìn)行對(duì)差值計(jì)算得到光纖應(yīng)變變化量,然后通過(guò)應(yīng)變變形分析法將微應(yīng)變換算為變形值,計(jì)算方法為

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算出光纖沿基坑鉆孔的軸向變形,即為基坑坑底回彈變形值。

在初次采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為初始值后,間隔一月對(duì)測(cè)點(diǎn)再次采集數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出光纖應(yīng)變變化量如圖7所示,變化量在-30～300 με/m之間。通過(guò)應(yīng)變變形分析法計(jì)算出相應(yīng)變形值,結(jié)果如圖8所示,變形值在-0.02～0.24 mm/m之間。

圖7 光纖應(yīng)變變化量

圖8 往返兩段坑底回彈變形值

從圖7和圖8可以看出,以鉆孔底部為中心,往返兩段數(shù)據(jù)的應(yīng)變變化量和坑底回彈變形值基本相同,將往返兩段數(shù)據(jù)各測(cè)段的變形值分別累加,獲得往返兩段的坑底回彈變形累計(jì)值分別為1.54 mm和1.23 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以北京某樞紐基坑坑底回彈監(jiān)測(cè)為例,詳細(xì)介紹了分布式光纖在基坑坑底回彈監(jiān)測(cè)中的布設(shè)方法、數(shù)據(jù)采集和處理。針對(duì)研究過(guò)程中所遇到的問(wèn)題,采取了相應(yīng)的解決措施,并總結(jié)如下：

(1)通過(guò)U型布設(shè)獲得往返兩段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),兩段數(shù)據(jù)對(duì)比后應(yīng)變變化量基本相同,坑底回彈變形累計(jì)值分別為1.54 mm和1.23 mm,差值為0.31 mm,相較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法1 mm的差值,其測(cè)量精度更高,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有著較高的準(zhǔn)確性,能夠更為精準(zhǔn)的測(cè)出坑底回彈變形值。

(2)深基坑坑底回彈變形主要集中在基坑上部10 m的土體中,基坑下部土體基本無(wú)變形。

(3)深基坑坑底回彈監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中分布式光纖在布設(shè)時(shí)應(yīng)垂直布設(shè),在回填時(shí)確保光纖處于垂直狀態(tài),使光纖受力方向能與土體變形時(shí)的作用力方向一致,光纖的軸向變形即為坑底回彈變形值。

(4)分布式光纖在布設(shè)和數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)盡量避免其他因素的干擾,光纖兩端端頭的異常數(shù)據(jù)要進(jìn)行剔除,避免干擾變形值的計(jì)算。

(5)在實(shí)際應(yīng)用中表層土體里的光纖受施工擾動(dòng)影響較大,本文對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了剔除處理,后續(xù)需要進(jìn)一步改進(jìn)對(duì)表層土體中光纖的保護(hù)。