基于光纤光栅传感器的地铁车站支撑内力自动化监测技术

段景川，石昆鹏，李 围

(1.中国电力建设集团南方建设投资有限公司,广东 深圳 518000;2.浙江华东测绘地理信息有限公司,杭州 311122；3.上海应用技术大学 轨道交通学院,上海 201418)

由于城市地铁工程所处的地上[1]和地下[2]环境条件十分复杂，除了进行室内相似模型试验[3]和数值模拟研究[4]得出相应设计参数外，必须进行施工安全风险因素的识别与评估[5]以及施工全过程监控量测[6]。切实掌握地铁工程结构与周围岩体的力学状态，并将监测值与规范要求的控制值进行比较，给出安全、预警或者报警指令，并采取相应的工程安全措施，确保现场施工安全，把工程事故的发生率降到最低。

对于地铁深基坑工程，其支撑(钢支撑、混凝土支撑)内力(弯矩和轴力)是表征施工安全的重要指标，目前常采用钢筋轴力计进行人工监测。随着近几年分布式光纤传感技术的发展，实现了地铁深基坑工程支撑内力自动化监测[7]。光纤传感技术的应用非常广泛，如王震等[8]利用光纤位移计对基坑开挖施工过程中边坡稳定性进行了实时监测，高磊等[9]研发了一种分布式光纤测斜管，并详细介绍了制作工艺，进行了现场基坑测试，通过分布式光纤测斜管的应变信息获得了深基坑深层水平位移变化规律。

黄广龙等[10]采用光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,FBG)传感器对深基坑钢筋混凝土支撑应变进行了监控量测，得出了基坑施工中混凝土支撑应变曲线，其测试结果与振弦式钢筋计监测结果具有很好的一致性，验证了FBG传感器用于基坑支护结构内力监测的可行性。

观澜站为香港地铁投资建设的深圳地铁4号线3期工程的第5个车站，位于观澜大道与横坑路交叉路口处，沿观澜大道呈南北向敷设。站点位置观澜大道地势平缓，四周建构筑物密集。车站有效站台中心里程：DK26+981.000，车站右线起点DK26+890.585，终点DK27+226.530，车站右线主体长度335.94 m。车站为地下二层岛式站台带单渡线站，基坑宽21.3～23.2 m，基坑深18.5～20.6 m，车站南北端均接盾构区间，基坑安全等级为一级。

本文依托观澜站工程，研究光纤光栅表面应变计在基坑支撑内力自动化监测中的应用技术，为今后类似工程提供技术指导。

1 传感器及监测仪器选择

使用杭州珏光物联网科技有限公司生产的光纤光栅表面应变计进行地铁基坑支撑内力监测，应变计精度为±5 με，量程 ±1 500 με，分辨率≤0.1%(F·S)。采用全波长便携式光纤光栅解调仪进行数据处理及采集，光纤光栅解调网络一体机进行数据处理、采集及传输，综合测试精度≤1/100(F·S)。光纤光栅表面应变计及解调设备，如图1所示。

图1 光纤光栅表面应变计及解调设备Fig.1 Demodulation equipment and surface strain gauge of FBG

2 光纤光栅表面应变计的安装

安装用于长期观测的表面应变计，应借助于一个∅16的安装试棒进行安装，先保证被安装的表面是一个平面，将2个两夹具安装在中心为100 mm的2个点。光纤光栅表面应变计的现场安装的详细过程如下：

(1)混凝土支撑上安装夹具及应变计。

①先在安装的地方，画好要安装的位置，使2个夹具的安装位置在需要测量应变的方向，并使2个夹具的位置相差100 mm，做好需要固定水泥膨胀螺栓位置的标记。②砼支撑：在标记水泥膨胀螺栓位置的地方，用10 mm直径的锥头打孔60 mm深、清理安装表面。③在清理后安装表面后者在安装夹具的位置和孔位上涂上适量的混合好的AB胶(环氧树脂胶水)。④将配套的M8×60的水泥螺栓和40 mm长的水泥膨胀螺栓配套套管安装到打好的孔中。⑤水泥膨胀螺栓的螺帽和垫片拿出，安装夹具到膨胀螺栓上，将水泥膨胀螺栓的垫片和螺帽依次锁回到水泥膨胀螺栓上，锁紧螺帽。并采用相同的方法固定另外一个夹具，在固定紧夹具前，应该先将安装试棒安装到夹具上，然后固定膨胀螺栓。要保证涂覆的胶水也能起到固定作用。⑥取出安装试棒，将表面应变计从夹具的一端放入，直到表面应变计各端面与夹具外边沿平齐为止。⑦固定紧固应变计两端的螺丝，完成表面应变计的安装。

(2)钢支撑上安装夹具及应变计。

①先在安装的地方，画好要安装的位置，使2个夹具的安装位置在需要测量应变的方向，并使2个夹具的位置相差100 mm，做好需要固定膨胀螺栓位置的标记。②在标记膨胀螺栓位置的地方，清理安装表面，并用电焊将配套的M8×60的水泥螺栓和40 mm长的水泥膨胀螺栓配套套管焊接在钢支撑表面。③膨胀螺栓的螺帽和垫片拿出，安装夹具到膨胀螺栓上，将膨胀螺栓的垫片和螺帽依次锁回到膨胀螺栓上，锁紧螺帽。并采用相同的方法固定另外一个夹具，在固定紧夹具前，应该先将安装试棒安装到夹具上，然后固定膨胀螺栓。要保证焊接牢固。④取出安装试棒，将表面应变计从夹具的一端放入，直到表面应变计各断面与夹具外边沿平齐为止。⑤固定紧固应变计两端的螺5，完成表面应变计的安装。

(3)光缆保护和终端连接。从应变计引出来的光缆必须缓慢弯曲，不能急弯，更不能折叠，光缆可拼接加长而不影响传感器读数。要保持接头完全清洁。光缆终端的FC/APC光学接头可通过0.5 m的跳线与光纤光栅解调仪相连，多芯光缆可通过一终端盒与光纤光栅解调仪相连，在此过程中，需要熔接光缆，保证光缆安装没有很多损耗，并可以将应变计的波长读出。

(4)调整初始值和适当的预张拉。比对读出的应变计波长与出厂的初始值，如果发现初始值和安装后的波长有比较大的出入(大于或小于100 pm)，应该调整应变计的初始值。方法如下：①松开应变计一端的紧固螺丝;②拧紧或松开图预张拉螺丝;③观察光纤光栅解调仪的读数变化，直到该读数的变化和出厂初始值相符，该初始值应该不大于光栅的原始波长1.5 nm。

3 支撑轴力计算方法

因荷载变化引起的支撑单个表面应变计测试的应变计算公式如下；

ε=K(λ1-λ0)-B(λt1-λt0)

(1)

式中：K为应变计应变系数(με/nm)(取正值)；B为温度修正系数，B=K+35.1(αA-αB)×106,单位取με/nm；λ1为应变栅当前的波长值(nm)；λ0为应变栅初始的波长值(nm)；αA为被测物热膨胀系数；αB为传感器结构件本身的热膨胀系数，αB=10×10-6/℃；ε为单个表面应变计测试的应变量；λt1为温补光栅当前波长值(nm)；λt0为温补光栅初始波长值(nm)。

钢支撑轴力可以表示为：

(2)

对钢筋混凝土杆件，在钢筋与混凝土共同工作、变形协调条件下，轴向受力可表述为：

(3)

钢支撑弯矩可以表示为：

(4)

(5)

式中：Mx为支撑水平向弯矩(kN·m)；Mx为支撑竖直向弯矩(kN·m)；D为钢支撑外径(mm)；d为钢支撑内径(mm)；ε2，ε4为钢支撑水平向应变；ε1，ε3为钢支撑竖直向应变；E为钢支撑的弹性模量。

混凝土支撑的弯矩可以表示为：

(6)

式中：Ec为混凝土弹性模量(GPa)；Es为钢筋弹性模量(GPa)；Ac为混凝土截面积(mm2)；As为钢筋总截面积(mm2)；h为混凝土支撑高度(m)；b为混凝土支撑宽度(m)。

4 监测结果

针对混凝土支撑采用光纤光栅表面应变计进行了轴力监测，从2018年7月27日～11月13日测点计算所得的混凝土支撑轴力列于表1中。由表1可见：因基坑土方开挖导致基坑外侧水土压力作用在围护结构上，使得围护结构向基坑内变形，导致混凝土支撑的轴力均为压力；随着基坑开挖的进行，混凝土支撑的轴力的量值增加，且增加的量值比较大，最大达到了3.32倍，最小仅为0.7%，甚至有减小的为31.6%；最大轴力达到了 1 718.1 kN，主要原因是随着基坑开挖深度的增加作用于围护结构上的水土压力也增加，但量值小于轴力设计值的80%，满足安全监测要求；基坑开挖稳定后支撑轴力有所减少，相当于最大值减少了约5%。采用轴力计对混凝土支撑进行了轴力监测，如表1所示。采用轴力计监测的混凝土支撑轴力与光纤光栅表面应变计所测得的轴力变化规律相同，且轴力的量值也差不多，表明采用光纤光栅表面应变计进行了轴力监测是可行的。

表1 混凝土支撑轴力监测结果Tab.1 Monitoring result of axial force of concrete support kN

5 结 语

依托深圳地铁4号线3期工程观澜站，利用光纤光栅传感器技术，详细介绍了光纤光栅表面应变计在钢支撑和混凝土支撑上的安装过程及钢支撑和混凝土支撑内力各自的计算方法，建立了地铁车站支撑内力自动化监测技术。应用该技术进行了观澜站混凝土支撑轴力监测，经监测数据分析，验证了光纤光栅表面应变计自动化监测地铁基坑支撑内力的实用性。该技术具有减少监测人员和降低劳动强度、节约成本等优点，具有推广应用前景。