智能传感光纤技术在地下支护工程监测中的应用＊

许 程，罗立娜

（广州铁路职业技术学院，广东 广州510430）

1 引言

随着社会的不断发展，城市现代化水平逐步提高，地下工程建设方兴未艾。伴随而来的是地下基坑工程越挖越大、越挖越难，为确保基坑施工安全以及上层建筑的交付使用安全，基坑支护结构的监测显得尤为重要。在深基坑建设中，支护结构的安全性决定了基坑施工的成功与失败。

近年来，在城市基坑事业的兴起热潮中，城市基坑建设却因支护结构监测技术的落后而受到制约。为此，提高监测技术水平、及时准确地提供监测数据，对基坑建设的安全性和有效性有着重要的意义。光纤监测技术迅猛发展，由于分布式光纤传感器具有抗外界干扰强、测量灵敏度高、监测数据能实时传输等优点，光纤监测技术已广泛运用于深基坑监测、边坡、管线等需要重点监测的工程项目中[1]，如宁波轨道交通翠柏车站及其附属工程采用了光纤自动化监测技术，为工程的安全建成提供了保障。

本文结合中国建筑第三工程局珠海市十字门隧道工程项目中南岸工作井、北岸工作井地下连续墙的监测，分析现有地下支护工程监测中存在的问题，提出了根据力学模型进行智能传感光纤监测的方案，为智能传感光纤技术在地下支护工程监测中的运用提供参考。在运用智能光纤监测过程中所存在的问题及所遇问题的解决优化方案进行了阐述，希望能为相关行业提供一定参考。

2 深基坑支护工程监测系统WSR 分析

2.1 WSR 基本原理

WSR 方法论是基于物理（W）、事理（S）、人理（R）三个维度的系统评价方法。在监测技术创新的过程中，发现WSR 方法论适用于对基坑监测方法的优劣评价。该方法从物理（W）、事理（S）、人理（R）三个维度之间的联系与差异间全面分析了现有监测技术所存在的问题，并将影响监测质量核心问题展现出来[2]。

物理（W）是生活中普遍存在的客观事实在，还有构成系统的客观存在，如监测环境、监测对象、监测方法。事理（S）是指人对监测数据的管理方式，即人在已有的监测知识上所指定的各项规章制度。人理（R）是个体对监测活动的影响，与个体行为、目的、所接受的相关知识有较大的关联。

2.2 建立WSR 分析指标体系

2.2.1 物理维度

在监测系统中“物理”指的是现场的监测环境以及所使用的监测设备。通过对监测环境、监测设备的分析，可以有效降低监测误差，分析出产生监测数据失真的原因。从而增加监测工作的有效性，并提出合理的改正措施。

2.2.2 事理维度

在监测系统中“事理”是由监测方式、数据处理方式、监测工作组织方案所组成的，是使监测工作有计划展开的主要约束，确保顺利地完成监测任务。监测方式的选择是展开监测工作的基础，数据处理方式是对监测数据应用的重要过程，组织方案是规范监测工作进度的重要手段。

2.2.3 人理维度

在监测系统中“人理”是由监测人员自身的特性、技能，人员之间的配合所组成的。监测人员的自身的特性和职业技能直接影响到监测数据的真实性，人员之间的配合则会影响整个监测团队的应对复杂监测问题的应急处理能力。

在以上基础上构建深基坑支护工程监测系统指标评价体系[4]，如图1 所示。

图1 深基坑支护工程监测系统指标评价体系

3 智能传感光纤监测技术

在工程建设中，基坑工程是工程建设的基础步骤，基坑工程的建设和发展对工程项目建设会产生较大的影响。因此在对基坑工程进行监测时，应该优先使用智能结构系统理念，在被监测构筑物中埋设光纤，以光纤作为传感元件，对基坑结构的受力情况、变形情况以及工程质量等进行监测管理，进而形成智能化的监测管理。

3.1 根据力学模型进行光纤布置

依据钢筋笼的设计方案，找出受力筋的分布位置。利用声测管实现光纤分布的预埋作业，将声波探测与光纤监测的操作空间放置在同一处声测管，这就要求该管的预埋方位必须进行全面的力学分析，使之既能检测混凝土的浇筑质量，又能满足传感光纤对墙体进行力学监测的需要。

3.2 地表防扰动处理

为减轻地表震动对成槽作业的影响，在成槽作业之前，对原有地表进行了加固处理，在土体加固的基础上，用高强度混凝土对施工区域进行了全面覆盖，减轻了大型机械对地下空间的扰动。利用三轴搅拌桩进行预成槽。

3.3 采用智能监测管理

光纤具备宽带、大容量、远距离传输的特点，通过对超深地下连续墙的监测数据进行分析和判别，可实现无人值守、自动监测预警，从而大大减少现场的工作人员，降低施工安全风险，实现工程项目智能监控。

3.4 埋设光纤传感器

光纤传感器可以随着钢筋混凝土结构埋设至土壤中，进而实现动态监测。预埋钢管制作如图2 所示，在钢筋混凝土结构中，光纤传感器不应随意摆放，当埋入光纤时，如果对混凝土进行捣固和压实处理，都可能会对光纤传感器造成损坏，影响传感器的使用性能。对此，在光纤传感器表面可配套使用金属导管，外包一条与混凝土膨胀系数较一致的金属导管，然后再将光纤传感器埋入至小型预制构件中。另外，在基体材料与光纤之间，还应该使用具有良好性能的胶结剂。

预埋管内部放置设计如图3 所示。

图2 预埋钢管制作示意图

图3 预埋管内部放置设计

3.5 埋设传感光纤

避免光缆受力，采用主动放线，避免被动放线。放线过程中不可对应变光缆施加较大张力，以避免对光缆造成不可逆的损伤。推荐使用盘线架，如无盘线架，可在光缆盘孔内穿入管棒，两人手持管，转动光缆盘放线。避免光缆受到较大侧压，如人为踩踏、被重物所压或受到撞击。

应变光缆在成缆过程中已施加一定的预应力，可以测量较小的压应变（收缩），如需测量较大压应变，需在铺设时施加一定的张力。测量拉应变时，在铺设过程中应在光缆松弛的基础上施加较小张力，以确保在应变发生初期，也能得到理想的应变数据[4]。

光缆铺设完成后，应进行现场调试，检查仪器设备完好情况，发现问题及时解决。

3.6 光纤传感器保护材料的选取

在选择光纤传感器的保护材料时，需要综合考虑以下几点事项：①要求光纤保护材料应该具备一定的强度，避免在光纤接口位置发生磨损；②选择具有适宜厚度的保护层材料，确保其在埋入后，不会对结构的应力状态造成不良影响；③对于保护材料，应该能够与土木工程结构进行有效结合；④保护材料应具备良好的防腐蚀能力，尽量避免受到外界复杂环境因素的影响。

3.7 光纤监测技术的评价

传感光纤技术在事理与人理维度可以有效地减少人为误差所带来的影响，极大地提高了监测工作的现实意义，有利于被监测项目的建设，可以及时为服务对象提供科学有效的监测数据。使对方及时发现施工隐患，采取有效的应对措施。在物理维度上，监测设备属于前沿科技，将造成监测设备成本上浮，同时光纤设备监测数据固然真实可靠，但监测管理者的经验总结决定了监测报警数据的限值，无法做到真正的全过程“无人”监测。

4 结语

地下工程监测是地下工程建设活动参与者的眼睛，随着时代的发展，地下工程的工程体量不断增大，工程建设难度也是成倍增长。随着工程难度的增加，传统的人工目测、机电类传感器监测方式已无法满足当前监测工作实际需要。建设活动的参与者们只能依靠现有资料独有的工程经验进行施工，对人民的生命财产安全造成了威胁。传感光纤技术具有及时性、精确性高等优势，将传感光纤技术应用于地下连续墙监测中，能够更加详细了解地下支护工程的实际情况，为地下工程建设提供可靠依据。