趙云鵬， 武 哲， 余 勇， 田 寧， 杜文杰

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.中國(guó)建筑國(guó)際集團(tuán)有限公司， 香港 999077；3.中建國(guó)際投資(湖北)有限公司， 武漢 430071； 4.武漢地鐵集團(tuán)有限公司， 武漢 430050；5.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所,巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071； 6.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

近幾十年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市交通壓力日益增加，城市軌道交通的出現(xiàn)在有效緩解城市交通壓力的同時(shí)，還有效利用了地下空間，緩解了城市用地資源緊缺的局面[1-3]，但是伴隨的一些問(wèn)題也逐漸出現(xiàn)。由于城市軌道交通工程規(guī)模巨大，施工工藝復(fù)雜，不可預(yù)料因素較多，使得城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目成為一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、高危性的工程項(xiàng)目，一旦發(fā)生破壞，人民的生命和財(cái)產(chǎn)將遭到巨大損失，因此必須對(duì)城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

在監(jiān)測(cè)體系中，高效靈敏的傳感技術(shù)是不可或缺的，是對(duì)工程安全施工、及時(shí)預(yù)警的前提保障。由于監(jiān)測(cè)的不可逆性、不確定性以及制約性等特點(diǎn)，要求地下空間工程的監(jiān)測(cè)具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和抗干擾性。然而傳統(tǒng)的以人工監(jiān)測(cè)為主的監(jiān)測(cè)方式存在準(zhǔn)確度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、受人為因素影響較大等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足項(xiàng)目中的監(jiān)測(cè)要求。然而近年來(lái)發(fā)展的光纖傳感技術(shù)具有較好的傳感性能，穩(wěn)定性高、便攜性好等特點(diǎn)[4-5]可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的不足，被廣泛應(yīng)用于地下空間建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)中。將分布式光纖傳感技術(shù)引入地鐵施工安全監(jiān)測(cè)，可以為工程動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[6]，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析及時(shí)反饋指導(dǎo)施工，對(duì)保證軌道交通工程順利、高效進(jìn)行有著重要意義。

本文根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論，推導(dǎo)基于已知應(yīng)變的樁體位移計(jì)算公式，并結(jié)合模擬試驗(yàn)對(duì)所提公式進(jìn)行了驗(yàn)證；最后結(jié)合廈門軌道交通3號(hào)線3標(biāo)段工程，利用布里淵散射光時(shí)域分析技術(shù)(BOTDA)監(jiān)測(cè)得到的應(yīng)變，給出基坑開挖過(guò)程中的樁體位移，為工程施工提供了有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。本文所提方法也為日后類似工程的監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

1 BOTDA傳感技術(shù)原理

BOTDA的光纖傳感技術(shù)工作原理如圖1所示[7]。泵浦脈沖光和連續(xù)探測(cè)光分別從光纖兩端的端部射入，當(dāng)泵浦脈沖光與探測(cè)光的頻率差值和光纖中某區(qū)域的布里淵頻移量νB相等時(shí)，會(huì)在光纖中產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)而使兩束光之間的能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大[8]。連續(xù)調(diào)諧脈沖光和探測(cè)光的頻差，并實(shí)時(shí)比較和檢測(cè)連續(xù)光最大光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的頻率差，得到光纖沿線的布里淵頻移量，再應(yīng)用布里淵頻移與應(yīng)變的線性關(guān)系，得到光纖沿線的應(yīng)變分布。

圖1 BOTDA測(cè)量原理圖[7]

BOTDA技術(shù)利用了光纖中的布里淵散射光頻率變化量(頻移量)光纖軸向應(yīng)變或環(huán)境溫度之間的線性關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感[9]，該關(guān)系式可以表示為

(1)

頻率變化量Δν可以簡(jiǎn)單表達(dá)為

Δν=κε(ε-ε0)+κT(T-T0)

(2)

2 基于BOTDA技術(shù)的位移計(jì)算方法與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 計(jì)算公式推導(dǎo)

由于基坑的開挖卸荷使得原土體的應(yīng)力被釋放，必然會(huì)引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)土體的應(yīng)力重分布，從而使得樁體受到側(cè)向土壓力進(jìn)而產(chǎn)生向基坑一側(cè)的側(cè)向變形。由于基坑圍護(hù)樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要支護(hù)形式，同時(shí)也是監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的必測(cè)對(duì)象，保證圍護(hù)樁的側(cè)向變形是保證基坑正常施工的前提保障。

由于圍護(hù)樁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般在基坑的1.5倍深度左右，因此可以考慮將基坑圍護(hù)樁簡(jiǎn)化為彈性細(xì)長(zhǎng)梁，整個(gè)圍護(hù)樁受力模型可以看作簡(jiǎn)支梁，如圖2所示。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)[7-9]，梁的曲率及彎矩可以由下式計(jì)算，即

(3)

式中：1/ρ和M均為橫截面位置x的函數(shù)；EI為橫截面的彎曲剛度，由于在本文中，將梁的截面看作常量，不隨x發(fā)生變化，因此EI為常數(shù)。

材料力學(xué)中根據(jù)小變形假定[10-11]，量的撓度與轉(zhuǎn)角之間可以由下式計(jì)算，即

(4)

在以往工程經(jīng)驗(yàn)中，圍護(hù)樁變形撓度曲線較為平滑，可以認(rèn)為θ為0，式(4)可以變換為

(5)

圖2 梁的受力及撓度分析

根據(jù)彎矩以及彎曲剛度之間的關(guān)系，結(jié)合曲率公式，撓度曲線的曲率可以表達(dá)為

(6)

可以得到

(7)

(8)

利用BOTDA傳感器特點(diǎn)而選取的布設(shè)方案為“U”形回路布設(shè)，取微段作為分析對(duì)象，即ab、cd分別為“U”形回路相對(duì)稱的兩段光纜，間距為d。在撓曲變形后，其示意圖如圖3所示，通過(guò)BOTDA傳感技術(shù)測(cè)得光纖沿軸線的頻率變化值、應(yīng)變分布，結(jié)合材料力學(xué)中對(duì)應(yīng)慣性矩、彎矩、應(yīng)力應(yīng)變的定義，即可通過(guò)分布式光纖傳感技術(shù)獲取樁體對(duì)應(yīng)的應(yīng)變、撓度分布以及撓度曲線。

圖3 “U”形回路分析

設(shè)分布式光纜ab到中性軸的距離為y1，則其線應(yīng)變?chǔ)臿為

(9)

由于光纜受到應(yīng)變和溫度的影響，為此，分布式光纖ab對(duì)應(yīng)的應(yīng)變可以表示為

εa=εS1+εT1

(10)

式中：εS表示受力而產(chǎn)生的應(yīng)變；εT表示受溫度影響而產(chǎn)生的應(yīng)變。同理，cd段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?/p>

εb=εS2+εT2

(11)

因?yàn)楣饫|ab和光纜cd位于同一溫度場(chǎng)內(nèi)，因此，受溫度影響而產(chǎn)生的應(yīng)變相同，即εT1=εT2。又因?yàn)闃扼w直徑為固定值，不會(huì)發(fā)生改變，即d=y2-y1為固定值,可得到

ρ(εa-εb)=d

(12)

結(jié)合式(5)、(6)、(10)即可得到梁的撓度曲線方程：

(13)

式中，A、B均為積分常數(shù)，由于基坑圍護(hù)樁在開挖過(guò)程中受力狀態(tài)與簡(jiǎn)支梁相當(dāng)，因此可以將兩端端部約束視為固定端，進(jìn)而根據(jù)邊界條件得到A=B=0，樁體撓曲方程為

(14)

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述公式的準(zhǔn)確性與合理性，設(shè)計(jì)了室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)，選用質(zhì)地均勻、變形狀態(tài)良好的PVC管，長(zhǎng)度為4 000 mm，直徑為60 mm，在PVC表面布設(shè)為“U”形分布式光纜，如圖4所示。將光纜拉緊繃直后用環(huán)氧樹脂將光纜牢固的粘貼于PVC管的上下表面，而后將兩端插入磚塊中，保證其邊界條件。在PVC管中部施加模擬荷載，在距離右側(cè)600、1 200、2 000、2 400、3 000、3 700 mm處放置千分表，對(duì)PVC進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

圖4 分布式光纖布設(shè)示意

圖5顯示了監(jiān)測(cè)到的位移分布與計(jì)算值的擬合，可以看到根據(jù)式(12)求得的位移與實(shí)測(cè)位移可以很好地重合，具有較高的準(zhǔn)確度，并且根據(jù)千分表讀數(shù)與計(jì)算得到的位移值最大不超過(guò)15%，具有良好的實(shí)用性。

圖5 PVC管的位移監(jiān)測(cè)曲線與計(jì)算值擬合

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

廈門軌道交通3號(hào)線3標(biāo)段洪坑站位于翔安西路與東界路交界處，與4號(hào)線采用通道換乘，其中3號(hào)線車站站前設(shè)置雙存車線，沿東界路不跨路口設(shè)置，呈東西走向。車站有效站臺(tái)中心線的里程為DK21+868.187，車站右線起點(diǎn)里程為DK21+479.187，車站右線終點(diǎn)里程為DK21+940.487。本站為地下二層島式站臺(tái)車站，車站總長(zhǎng)462.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度19.7 m，站臺(tái)寬度為11 m，有效站臺(tái)長(zhǎng)度為118 m，共設(shè)3組風(fēng)亭9個(gè)出入口和3個(gè)安全出入口。分別從車站東南側(cè)小里程逆時(shí)針排序，其中1號(hào)出入口、1號(hào)風(fēng)亭、1號(hào)安全出入口合建，2號(hào)安全出入口1、2號(hào)風(fēng)亭合建，4號(hào)出入口與3號(hào)風(fēng)亭合建，附屬基坑深度9～12 m不等，出入口高約5 m，風(fēng)亭高6.35～7.55 m。圖6給出了車站平面示意圖。

圖6 車站平面示意圖

3.2 工程地質(zhì)條件

車站原始地貌屬殘積臺(tái)地區(qū)(Ⅱ區(qū))，西北角落為沖洪積階地(Ⅰ區(qū))，場(chǎng)區(qū)地形起伏較小。場(chǎng)區(qū)覆蓋層主要為近代人工填筑土層(Q4ml)、第四系全新坡積層(Q4m)、殘積層(Q4mc)及基巖層(Qel)等。厚度及性能變化較大；下伏基巖復(fù)雜，巖性多變，主要為燕山期侵入花崗巖(γ)。

洪坑站局部頂板覆土約3.5 m，底板主要位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、全風(fēng)化花崗巖層，部分位于中風(fēng)化花崗巖層。

3.3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

分別在基坑左線和右線的大里程部位選取圍護(hù)樁作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)一共選取了位于43～45軸之間編號(hào)為K7、K180、G15的3根圍護(hù)樁，同步進(jìn)行了分布式光纖的布設(shè)和測(cè)斜管的埋設(shè)。其中G15為吊腳樁，樁身長(zhǎng)度為12 m；K7、K180的樁身長(zhǎng)度為15 m。光纜布設(shè)及其保護(hù)過(guò)程如2.1節(jié)和2.2節(jié)所述，測(cè)點(diǎn)平面布設(shè)圖和現(xiàn)場(chǎng)光纖布設(shè)分別如圖7和圖8所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

圖8 光纜布設(shè)綁扎示意圖

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.4.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

如圖9所示，圖9(a)和圖9(b)分別為編號(hào)為G15的樁體在基坑開挖后不同工況下測(cè)得的樁體光纜應(yīng)變分布曲線。其中，圖9(a)為8月19日、10月6日、10月16日3次測(cè)得的相對(duì)于初始狀態(tài)的應(yīng)變曲線。圖9(b)為11月8日、11月21日兩次測(cè)得的相對(duì)于初始狀態(tài)的應(yīng)變曲線。

從圖9中可以看出，8月19日基坑開挖尚未開挖至編號(hào)為G15的樁體的區(qū)域范圍內(nèi)，其應(yīng)變曲線基本分布在 ±50 με的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為是受溫度影響而產(chǎn)生的應(yīng)變。但10月6日和10月16日兩次的應(yīng)變值達(dá)到最大值，并且這兩次的應(yīng)變數(shù)據(jù)具有相同的曲線形態(tài)和變化趨勢(shì)。同時(shí)，11月8日和11月21日的應(yīng)變值也具有相同的曲線形態(tài)和變化趨勢(shì)。

3.4.2 位移計(jì)算

圖10 樁體水平位移監(jiān)測(cè)圖

根據(jù)第2節(jié)所述的方法，結(jié)合上節(jié)監(jiān)測(cè)得到的應(yīng)變值，對(duì)樁體位移進(jìn)行計(jì)算，圖10為基于BOTDA技術(shù)得到的樁體水平位移圖。圖10(a)為8月19日所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的位移值。由于基坑與8月15日開挖，截至8月19號(hào)，基坑開挖深度較淺，樁體變形較小，所得位移曲線現(xiàn)實(shí)最大位移為3 mm。圖10(b)是在工況開挖至7～8 m時(shí)的計(jì)算位移曲線圖。從圖中可以很明顯地看到，隨著基坑開挖深度的不斷增加，樁體的水平位移也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)。但樁體頂部未體現(xiàn)出傳統(tǒng)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收斂趨勢(shì)，即未體現(xiàn)出第一道混凝土支撐對(duì)圍護(hù)樁的約束作用。原因?yàn)椋河捎谠诓荚O(shè)光纜時(shí)，樁體頂部需要進(jìn)行預(yù)留光纜的保護(hù)，截取一定長(zhǎng)度的測(cè)斜管固定于鋼筋籠上，致使光纖實(shí)際有效段截取點(diǎn)為鋼筋籠頂部第一根箍筋以下50 cm左右，即冠梁頂部至鋼筋籠頂部第一根箍筋以下50 cm左右處(長(zhǎng)度約為1.5 m)的數(shù)據(jù)缺失。從而導(dǎo)致上述情況的出現(xiàn)，即未體現(xiàn)出第一道混凝土支撐對(duì)圍護(hù)樁的約束作用。

圖10(c)為在工況開挖至10 m時(shí)，架設(shè)了第一道鋼支撐的情況下測(cè)得的位移曲線。從圖中可以看出，樁體變形由原來(lái)的向基坑內(nèi)部變形呈現(xiàn)出向基坑外側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)。原因可能為鋼支撐施加的應(yīng)力較大從而出現(xiàn)樁體向外變形的趨勢(shì)。圖10(d)為在工況開挖至基坑底部設(shè)計(jì)標(biāo)高、架設(shè)了第二道鋼支撐，并且在基坑對(duì)側(cè)同一斷面處堆放了大量盾構(gòu)管片以及其他盾構(gòu)配套組件的情況下測(cè)得的位移值。從圖中可以看出架設(shè)了第二道鋼撐后，基坑圍護(hù)樁持續(xù)向基坑外側(cè)移動(dòng)，最大位移值達(dá)到10 mm。

4 結(jié)論

根據(jù)目前巖土工程施工監(jiān)測(cè)迫切需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性、智能化監(jiān)測(cè)的背景，針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段和技術(shù)存在的不足，以廈門軌道交通工程3號(hào)線3標(biāo)段典型工程為依托，以地鐵基坑圍護(hù)樁為研究對(duì)象，基于布里淵散射光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù)，通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，提出了合理有效的光纖布設(shè)方案、保護(hù)措施以及測(cè)試分析方法，在保證布設(shè)光纜存活的前提下，獲取了有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的合理性及有效性。主要取得了以下成果：

1)基于材料力學(xué)理論，結(jié)合基坑圍護(hù)樁變形特征，推導(dǎo)了圍護(hù)樁的深層水平位移的計(jì)算公式和方法，并基于分布式光纖的BOTDA傳感技術(shù)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了位移計(jì)算公式和方法的有效性。

2)在地鐵基坑工程中成功開展了基于分布式光纖的圍護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究。結(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程以及變形特征，形成了分布式光纖的布設(shè)方案以及行之有效的保護(hù)措施，提高了分布式光纖的現(xiàn)場(chǎng)存活率。

3)取得了寶貴的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出分布式光纜位移數(shù)據(jù)和測(cè)斜管位移數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)形態(tài)和數(shù)值上比較相似或接近，驗(yàn)證了基于BOTDA傳感技術(shù)的基坑圍護(hù)樁變形監(jiān)測(cè)的可行性與有效性。