基于分布式光纤传感技术的深基坑坑底回弹监测应用研究

施 豪

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司, 北京 100101)

0 前言

近年来,随着城市的不断建设以及建筑行业的快速发展,基坑逐渐向超大超深方向发展,深基坑工程日益增多。在地下结构施工期间,深基坑工程是一项危险系数大、专业性强、系统性完整的工程[1]。同时深基坑工程具有施工难度大、施工时间长等特点,且受地质水文条件影响大,容易发生基坑坍塌等安全事故,因此为保证深基坑施工安全,在深基坑施工期间对基坑进行监测是十分必要的,而坑底回弹作为深基坑监测中至关重要的一个测项,其监测难度较高,传统的监测方法难以实现精准、连续的监测[2-5]。

目前的深基坑坑底回弹监测多采用人工监测的方式,主要使用回弹标、分层沉降仪,通过定点式的测量来实现对基坑的监测,其监测精度较低,存在在空间和时间上无法连续监测的问题。而分布式光纤具有易布设、抗干扰能力强、可实时、连续监测等优点,在地下隧道、高架桥等基础工程中有着较为广泛的应用[6-8],在深基坑工程中,通过分布式光纤可实现对深基坑坑底回弹的精准、连续监测[9-11]。

1 分布式光纤的监测原理和技术应用

1.1 分布式光纤的监测原理

基于布里渊散射光频域分析技术(Brillouin optical frequency domain analysis,BOFDA)的分布式光纤传感技术,其基本原理是通过测试复杂的基带传输函数来推算布里渊散射光频移[12]。当光纤产生轴向应变或是温度发生变化时便会造成布里渊频移变化,通过该频移变化量与光纤轴向应变之间的线性关系,得到光纤的轴向应变。

光纤的应变与布里渊频移的关系可用式(1)表示。

(1)

式中,vB(ε)是光纤产生应变ε时布里渊频率的漂移量;vB(0)是无应变产生时的布里渊频率的漂移量;dvB(ε)/dε是比例系数,约为493 MHz/%;ε是光纤的应变量。

布里渊散射光频域分析技术正是利用布里渊散射光这一性质来监测光纤应变,通过对光纤在产生应变处的布里渊频率频移前后变化量换算出光纤的应变值。因此,应用基于布里渊散射光频域分析技术BOFDA的分布式光纤传感技术进行变形监测可实现分布式、连续监测。

1.2 分布式光纤的技术应用

大型基础工程如高架桥、地下隧道、江河堤防、跨江大桥和水利枢纽等构筑物,在外部环境以及各种荷载多方面因素的作用下,会发生一定程度的变形,其表现形式有两种：一种是整体或大范围的均匀和不均匀变形,这种变形在开始阶段一般难以察觉,例如，一些构筑物的沉降变形;另一种是局部变形,通常以各种分布不均匀的裂隙为主,其宽度从几微米到数厘米不等,应变量常常只有10-5～10-7数量级,主要分布在结构物的应力集中区[13]。针对这些大型基础工程的变形特点,基于BOFDA的分布式光纤传感技术能够很好地适用于这些大型基础工程的变形监测[14-16],因此BOFDA技术的研究和应用对各种重大基础工程的变形监测具有重要意义。

2 分布式光纤的布设

分布式光纤的布设一般分为两种方式：一种是全面布设,通过粘贴、开槽或者预埋入的方式来进行光纤的布设;另一种是定点布设,通过定制圆盘、定制卡片、骑马卡等固定方式来进行光纤的布设。如图1所示,全面布设适用于结构体内部的监测,而定点布设适用于结构体表层的监测。以北京某枢纽基坑监测为例,监测项目为基坑坑底回弹,考虑到其监测的连续性,最终选择全面布设的方式。

(a)全面布设

结合现场条件及监测需求,采用混凝土专用密集分布式应变感测光缆,如图2所示,其具有良好的机械性能和抗拉压性能,能与岩土体、混凝土等结构很好地耦合。

图2 混凝土专用密集分布式应变感测光缆

为监测基坑内土体的竖向位移,即基坑坑底回弹,选择在基坑坑内从地表垂直埋设一条光缆。通过钻机在地表钻孔,将光缆利用钻孔埋设进土体并形成U型回路,即光缆从地表沿钻孔一侧由上而下布设并在孔底转折由下而上布设至地表,如图3所示。在光缆埋入钻孔后对钻孔进行回填,使光缆与土体充分耦合。

图3 光缆U型布设

3 分布式光纤的数据采集、处理和分析

3.1 光纤数据的采集

目前基于布里渊散射光的光纤传感技术一共有布里渊散射光时域反射测量仪(BOTDR)、布里渊光时域分析技术(Brillouin optical time-domain analysis,BOTDA) 和BOFDA三种。本文使用基于BOFDA的光纤传感技术,通过fTB2505-BOFDA解调设备进行数据采集,在数据采集时需要光纤构成一个闭合回路,如图4所示,相较于其他单线路采集方式,其空间精度更高。

图4 fTB2505解调设备

数据采集前需先进行自检,自检完成后检查光缆的长度和损耗,若光缆长度与实际光缆长度相差较大或是光缆损耗较大,需要对光路和跳线进行检查,确认无误后方可进行数据采集,在数据采集过程中要保持跳线FC接口处的清洁,以免光缆损耗较大,保证数据采集的合格率。

3.2 光纤数据的处理和分析

因为数据采集时需要将光纤和解调设备连接,所以在布设光纤时需要预留一定长度的光纤用于连接解调设备,因此在数据采集完成后首先需要对数据的有效段落进行确定。本文通过结合光纤数据图形的特征和实际光纤埋设深度的方法来确定数据的有效段落,结果如图5所示。利用图形的对称分布特征确定了光纤底部的位置,再结合光纤实际埋设深度确定了起点通过光纤数据图形的对称分和终点位置,获得了有效测量段落。

图5 光纤有效测量段落

在初次采集时共采集三次数据,并对三次数据进行对比,结果如图6所示。剔除其异常值后取三次数据的平均值作为初始值。

图6 三次初始数据采集

以初次监测数据为初始值,将后续监测时间内每个监测点的数据与初始值进行对差值计算得到光纤应变变化量,然后通过应变变形分析法将微应变换算为变形值,计算方法为

(2)

根据式(2)计算出光纤沿基坑钻孔的轴向变形,即为基坑坑底回弹变形值。

在初次采集监测数据作为初始值后,间隔一月对测点再次采集数据,对数据进行处理后得出光纤应变变化量如图7所示,变化量在-30～300 με/m之间。通过应变变形分析法计算出相应变形值,结果如图8所示,变形值在-0.02～0.24 mm/m之间。

图7 光纤应变变化量

图8 往返两段坑底回弹变形值

从图7和图8可以看出,以钻孔底部为中心,往返两段数据的应变变化量和坑底回弹变形值基本相同,将往返两段数据各测段的变形值分别累加,获得往返两段的坑底回弹变形累计值分别为1.54 mm和1.23 mm。

4 结束语

本文以北京某枢纽基坑坑底回弹监测为例,详细介绍了分布式光纤在基坑坑底回弹监测中的布设方法、数据采集和处理。针对研究过程中所遇到的问题,采取了相应的解决措施,并总结如下：

(1)通过U型布设获得往返两段监测数据,两段数据对比后应变变化量基本相同,坑底回弹变形累计值分别为1.54 mm和1.23 mm,差值为0.31 mm,相较于传统监测方法1 mm的差值,其测量精度更高,监测数据有着较高的准确性,能够更为精准的测出坑底回弹变形值。

(2)深基坑坑底回弹变形主要集中在基坑上部10 m的土体中,基坑下部土体基本无变形。

(3)深基坑坑底回弹监测项目中分布式光纤在布设时应垂直布设,在回填时确保光纤处于垂直状态,使光纤受力方向能与土体变形时的作用力方向一致,光纤的轴向变形即为坑底回弹变形值。

(4)分布式光纤在布设和数据采集时应尽量避免其他因素的干扰,光纤两端端头的异常数据要进行剔除,避免干扰变形值的计算。

(5)在实际应用中表层土体里的光纤受施工扰动影响较大,本文对这部分数据进行了剔除处理,后续需要进一步改进对表层土体中光纤的保护。