FBG基坑隆起监测装置在地铁深基坑监测中的应用研究.docx

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1、FBG基坑隆起监测装置在地铁深基坑监测中的应用研究马飞I(L苏州中正工程检测有限公司，江苏苏州215000)摘要：基坑隆起监测是评价基坑稳定性的重要指标，但现有监测手段难以获取施工过程中坑底隆起变化的全过程。本文提出了一种基于光纤光栅传感技术(FiberBraggGrating,FBG)的基坑隆起监测装置，并建立了基坑隆起监测系统，该系统可连续监测基坑从开挖到使用阶段全过程的隆起变形，并且将该系统应用于苏州地铁黑龙江路站基坑开挖过程中，结果表明FBG基坑隆起监测系统可以连续、准确的监测坑底隆起量。通过室内试验对FBG隆起监测装置进行了标定，结果表明该装置波长与位移之间存在良好的线性关系，可以实

2、现对土体隆起量的精准测量。关键词：FBG；基坑；隆起监测：标定ResearchontheapplicationofFBGfoundationpitupliftmonitoringdeviceinsubwaydeepfoundationpitmonitoringMAFei1,LIUKai-wen,WANGYuan1,WUJing-hong,(LSuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215000,China)Abstract:FoundationpitheavemonitoringisanimportantindextoevaluatetheSt

3、abilityoffoundationpit,butitisdifficulttoobtainthewholeprocessofpitbottomheavechangeintheconstructionprocessbyexistingmonitoringmethods.Inthispaper,amonitoringdeviceoffoundationpitheavebasedonFiberBragggratingsensingtechnologyisproposed,andafoundationpitheavemonitoringsystemisestablished.Thesystemca

4、ncontinuouslymonitortheheavedeformationoffoundationpitfromexcavationtouse.ThesystemisappliedtotheexcavationprocessofHeilongjiangRoadStationofSuzhouMetro.TheresultsshowthattheFBGfoundationpitheavemonitoringsystemcancontinuouslyandaccuratelymeasuretheupliftofpitbottom.TheFBGupliftmonitoringdeviceiscal

5、ibratedthroughlaboratorytest,theresultsshowthatthereisagoodlinearrelationshipbetweenthewavelengthanddisplacementofthedevice,whichcanrealizetheaccuratemeasurementofsoiluplift.Keywords:FBG;foundationpit;upliftmonitoring;calibration0引言随着基坑开挖深度逐渐加大，深基坑开挖对环境的扰动越来越大，为了判断开挖过程中对周边环境的影响程度，对于基坑变形的监测是必不可少的。基坑隆

6、起是基坑变形监测中重要的一环，目前基坑隆起变形监测主要有水准测量系统、分层垂直位移监测系统、三维激光扫描仪监测系统。以上这些监测手段在实际使用过程中存在着误差大、成本较高、易受干扰、仪器设备更杂等缺点UL难以满足现代深基坑施工监测的要求。近年来，光纤传感技术迅速发展，因其具有长距离、精度高、抗电磁干扰、自动化程度高等优点，其在岩土工程监测领域已经得到了广泛的应用。光纤传感技术有多种类型，可大致分为准分布式的光纤布拉格光栅技术(FiberBraggGrating,FBG)和全分布式光纤感测技术(DiStribUtCdFiberOpticSensing,DFOS)o分布式光纤感测技术由于其分布式的

7、特点，对于跨度长、深度大、精度要求高等工程具有传统点式测量无法达到的数据连续性以及高精度的优点。刘泉生等将OFDR光纤传感技术应用于超浅埋大断面隧道开挖模型试验中，将分布式应变监测结果与光纤多点式位移计、数值模拟结果对比,偏差在10%以内，揭示了其在地下工程模型试验中应变监测的巨大潜力。仇唐国等因基于OFDR技术对基坑开挖过程中深层土体水平位移进行监测，得到了高精度、连续的挠度场。隋海波等通过构建基于BOTDR的分布式光纤传感网络，对边坡变形进行监测预警，取得良好的效果。丁勇等将BOTDA应用于地下连续墙中，在钢筋和型钢上采用双线测量的光纤传感器布设方法，实现了温度的自补偿。光纤布拉格光栅(F

8、BG)感测技术已广泛应用于基坑开挖过程中的位移、应力监测中，也已经开发出了适用于不同工程、不同监测项目的仪器装置。郭余根将多个长标距FBG传感器串接，安装在地连墙及基坑周边建筑物上测量其水平位移，得到地下连续墙在开挖过程中的变形规律，同时周边建筑物的变形也在预警范围以内。杜磊等提出了一种基于悬臂梁的FBG沉降传感器，可以设置不同的量程和灵敏度。朱鸿鹄等凶研制出光纤光栅位移计、温度计、沉降仪、测斜仪等仪器，在工程应用中存活率较高，取得良好效果。李飞等网通过室内试验得出FBG监测数据的误差主要来源为传感光纤与土体的变形耦合程度。丁勇等I开发了一种用于监测盾构隧道沉降的FBG分布式沉降管，其监测结果

9、与真实应变相符。虽然FBG在基坑监测领域应用效果良好,但是主要集中在基坑周边土体沉降、围护结构水平位移等方面，针对坑底隆起监测方面的研究较少。本文提出了一种基于光纤布拉格光栅感测技术的基坑隆起变形监测系统：以光纤光栅传感技术为基础，通过在待开挖地基中埋设附有FBG位移计的测斜管，在开挖过程中光纤随土体隆起而被拉伸变形，通过记录波长变化，最终计算获得土体隆起量。将基于FBG技术的监测系统应用于苏州某基坑工程中，对监测数据进行分析，结果表明准分布式光纤适用于对基坑开挖过程中的隆起变形进行监测，并且具有布设方便、温度自补偿、连续测量、稳定性好等优点。1基于光纤光栅的基坑隆起监测技术1.1 FBG原理

10、光纤布拉格光栅，是采用特定工艺加工后，使纤芯折射率呈周期性变化，使其具有波长选择性，满足布拉格衍射条件的入射光被耦合反射，其余波长的光全部穿过。反射光中心波长由纤芯的有效折射率nefr和栅距A决定，可由式1表示：b=2nefr,(1)温度的变化和轴向的应变会引起纤芯有效折射率和光栅栅距两个物理量的改变，使反射光中心波长漂移，可由式2表示：-=(l-pe)+(a+)T,(2)式中，为布拉格波长的变化量，P,和J分别为弹光系数、热膨胀系数和热光系数，和丁分别表示应变的变化和温度的变化。由式2可知，当FBG传感器所处环境温度变化很小时，光纤布拉格光栅因应变变化产生的波长漂移为M=A(I-Pe)S,因

11、此，通过调制解调器解调中心波长即可获得光纤光栅处应变的变化。1.2 FBG基坑隆起监测系统如图1所示，测斜管内安装一FBG位移计，FBG位移计下方用蓝田A05L胶水固定于测斜管上，外涂防水涂料，上方通过拉杆与横杆相连，将测斜管埋设在基坑中，当与横杆相接的沉降环随土体隆起抬升时，通过FBG解调仪测得FBG位移计的波长改变,进而通过计算机计算出土体隆起。具体实施方法为：在待开挖基坑中钻测量孔，孔径要求大于沉降环外径2.5cm,孔深要求为开挖深度的两倍，向孔底回填3040cm厚水泥砂浆，将测斜管居中吊装放入测量孔中，缓慢下降直至测斜管底插入水泥砂浆中2030cm,然后向测量孔与测斜管之间的间隙中进行

12、缓慢回填。感测光缆一端连接FBG位移计，另一端与光纤光栅解调仪相连。实际工程中，可以通过在基坑中布设多个FBG基坑隆起监测装置，实现对基坑隆起的全面、精确、连续性测量。若需同时测量多层土体隆起量，可在测斜管内安装多个FBG基坑隆起监测装置。图1基坑隆起监测系统示意图Fig.1SchematicdiagramoffoundationpitupliftmonitoringsystemFBG解调仪FBG位移计图2FBG基坑隆起监测装置标定实验图Fig.lDemarcateexperimentofFBGfoundationpitupliftmonitoringdevice2.2实验结果及分析将三次测量

13、结果取平均值，如图3所示。可以看出，该装置测得的位移与波长之间存在良好的线性关系，相关系数为0.9976,因此,FBG基坑隆起监测装置可作为坑底隆起图3FBG基坑隆起监测装置标定实验结果Fig.3CalibrationtestresultsofFBGfoundationpitheavenonitoringdevice2室内试验2.1试验方法为了验证FBG基坑隆起监测系统对变形监测的有效性以及准确性，对其进行室内标定实验。将FBG隆起测量装置固定在实验台上，拉杆一端固定，另一端无约束，将百分表置于拉杆自由端,实验过程中用百分表对拉杆端头位移量进行测量。实验时对拉杆进行拉伸，共20级,每次拉伸0.

14、5cm,各级加载均待装置稳定后进行测量，由于位移计与拉杆、拉杆与横杆间可能存在滑动等偶然因素，应在同条件下重复三次试验。3工程应用3.1工程概况为验证上述监测系统和试验结果工程适用性，在苏州轨道交通Sl线黑龙江路站进行了现场应用。图4为苏州轨道交通SI线走向示意图。其中，黑龙江路站处于Sl-KTC标段内，位于黑龙江路与前进东路交叉路口，施工里程为DK19+500.470DK19+714.470,主体结构为地下二层两跨（局部三跨）闭合框架结构，车站采用明挖顺做法（局部盖板法）施工，车站总长度214.00m,车站宽度20.725.4m,标准段开挖深度约17.0217.25m,小里程端头井开挖深度约

15、18.55m、大里程端头井开挖深度约18.73m,采用地下连续 墙+内支撑的围护方案。芮州秋道交通Sl隙趣间示意明SI-KTC标图4苏州轨道交通Sl线走向示意图Fig.4Schematic diagram of Suzhou rail transit line SI 基坑周边临近高层建筑，地下管线密布。根据地质调绘及钻探资料，场地内地层属第 四系全新统（Q4）、上更新统（Q3）太湖冲 湖及泄湖相沉降层，其中，本次监测断面处 位于DK19+714.470m处，自上而下依次为 杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粘土、 粉质粘土、粉土夹粉砂、粉砂夹粉土。3.2监测方案图6FBG隆起监测装置安装现场图

16、Fig.6 Installation site drawing of FBG uplift monitoring device3.3监测结果及分析7测点1测点2XZ*v黑龙江路O=l3+ G7u OZo Z-9+61Xa Ozb009+6N (第二道钢支撑底板浇筑图5测点布置平面图Fig.5Layoutplanofmeasurepointsdistribution为了掌握基坑开挖过程中的隆起变形特性及变化趋势，如图5所示，将FBG基坑隆起监测装置布设在基坑中。监测断面选择在DKl9+714.470处，共有两个监测点，位于基坑宽度四等分点处，用于监测基坑开挖、架设支撑、底板浇筑以及后期回填过程中

17、基底隆起量变化。第三道钢支掾1-JJ第一道钢支撑O11112O2O111IO2O2ft,lIZ2720212/142O2ft,l2Z3l2021/1/17时间/d图7监测结果Fig.7Monitoringresults从图7可以看出，基坑中部隆起量略大于周边，最大隆起量约为6.45cm,底板浇筑后隆起量略有减小。其中，第2层土开挖时隆起速度明显加快，隆起量约为2.14cm,占最大隆起量的33.18%；开挖第3层土时引起的隆起量最小，约为1.13cm,占最大隆起量的17.52%。前三层土开挖引起坑底隆起4.91cm,约占最大隆起量的76.12%。在1月25日浇筑底板后，坑底隆起量略微减小后趋于稳

18、定，测点1处最终隆起量约为6.35cm；测点2处最终隆起量约为5.96cm。现场采用传统基坑隆起测量环测得最大隆起量为5.73cm,应用残余应力分析法计算隆起量为7.15cm,结果表明FBG基坑隆起监测装置对于隆起量的监测具有结果准确、测量连续、可远程操作的优点。4结论以FBG位移计为基础，通过在测斜管内安装FBG位移计以及拉杆、横杆等连接装置，使其能感知沉降环的抬升信号，从而测得坑底隆起量。通过实验对FBG基坑隆起监测装置进行标定，结果显示该装置对于隆起监测具有良好效果，满足工程精度要求。将FBG基坑隆起监测系统应用于苏州某深基坑工程的实际监测中，并与传统监测手段进行对比，结果表明：FBG基

19、坑隆起监测系统具有高精度、抗干扰性强、连续监测等优点。并利用其监测数据对施工进行安全性分析，指导施工。综上所述，在待开挖基坑中安装FBG基坑隆起监测装置，并组建FBG基坑隆起监测系统，可以实时测量隆起数据，为基坑工程监测提供了一个新的手段。参考文献：Ul刘铭，张宸.逆作法基坑工程监测综述J.施工技术，2011,40(344):69-71.(LIUMing,ZHANGZhen.SummaryOffoundationpitengineeringmonitoringwithtopdownmethodJ.ConstructionTechnique,2011,40(344):69-71.(inChine

20、se)12刘泉声，王俊涛,肖龙鸽，等.OFDR光纤传感技术在十字岩柱暗挖法物理模型实验中的应用J.岩石力学与工程学报，2017,36(5):1063-1075.(LlUQuan-sheng,WANGJun-tao,XIAOLong-ge,etal.ApplicationofOFDR-basedsensingtechnologyingeo-mechanicalmodeltestontunnelexcavationusingcrossrockpillarmethodJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2017,36(5):1063-1075.

21、(inChinese)3仇唐国，孙阳阳，卢天鸣，等.基于OFDR技术的深层土体水平位移场监测研究J压电与声光,2020,42(1):108-112.(QIUTang-guo,SUNYang-yang,LUTian-ming,etal.ResearchonMonitoringofHorizontalDisplacementFieldofDeepSoilBasedonOFDRTechnologyJ.PIEZOELECTRICS&ACOUSTOOPTICS,2020,42(1):108-112.(inChinese)4脩海波，施斌，张丹，等.边坡工程分布式光纤监测技术研究J岩石力学与工程学报，200

22、8,27(2):3725-3731.(SUIHai-bo,SHIBin,ZHANGDan,etal.StudyonDistributedOpticalFiberSensor-BasedMonitoringforSlopeEngineeringm.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2008,27(2):3725-3731.(inChinese)5丁勇，王平，李鹏飞，等.基于BOTDA的地下连续墙分布式变形监测技术研究J.岩土工程学报.2014,36(2):500-503.(DINGYong,WANGPing,LIPeng-fei,etal.M

23、onitoringtechnologyofdeformationofcontinuousconcretewallbasedonBOTDAJ.ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2014,36(2):500-503.(inChinese)61郭余根基于长标距分布式布拉格光纤光栅(FBG)传感的地铁基坑施工监测J.城市轨道交通研究，2013,16(07):26-29+34.(GUOYu-gen.MonitoringofSubwaydeepfoundationpitconstructionbasedonlonggaugedistributedFBGsens

24、ingtechnique!J.UrbanMassTransit,2013,16(07):26-29+34.(inChinese)7杜磊，龚元，吴宇，等.光纤布喇格光栅沉降传感器J光子学报，2011,40(12):1878-1880.(DULei,GONGYuan,WUYu,etal.FiberbragggratingsettlementsensorsJJ.ACTAPHOTONICASINICA,2011,40(12):1878-1880.(inChinese)8朱鸿鹄，殷建华，靳伟，等.基于光纤光栅传感技术的地基基础健康监测研究J土木工程学报,2010,46(6):109-115.(ZHUHo

25、ng-hu,YINJian-hua,JINWei,etal.HealthmonitoringoffoundationsusingfiberBragggratingsensingtechnologyJ.ChinaCivilEngineeringJournal,2010,46(6):109-115.(inChinese)9李飞，朱鸿鹄，张诚成，等.地基变形光纤光栅监测可行性的试验研究J.浙江大学学报(工学版)，2017,51(1):205-214.(LIFei,ZHUHong-hu,ZHANGCheng-cheng,etal.Experimentalstudyonfeasibilityoffibe

26、rBragggrating-basedfoundationdeformationmonitoringJ.JournalofZhejiangUniversity,(EngineeringScience),2017,51(1):205-214.(inChinese)10丁勇，王平，何宁，等.FBG分布式沉降管在盾构隧道沉降监测中的应用UL地下空间与工程学报，2016,12(5):1320-1325.(DINGYong.WANGPing,HENing,etal.ANewMethodtoMeasuretheDeformationofShieldTunnelbasedonFBGJ.ChineseJour

27、nalofUndergroundSpaceandEngineering,2016,12(5):1320-1325.(inChinese)Illl刘国斌，候学渊.软土基坑隆起变形的残余应力分析法J.地下工程与隧道，1996,2:2-7.(LIUGuo-bin,HOUXue-yuan.ResidualStressAnalysisMethodforHeaveDeformationofSoftFoundationPi(J.UndergroundEngineeringandTunnels,1996,2:2-7.(inChinese)12刘国斌，黄院熊，候学渊.基坑回弹的实用计算法J.土木工程学报，2000.33(4):61-67.(LIUGuo-bin,HUANGYuan-xiong,HOUXue-yuan.PracticalCalculationMethodofFoundationPitRebound(J),ChinaCivilEngineeringJournal,2000,33(4):61-67.(inChinese)作者简介J马飞，男，硕士研究生，苏州中正工程检测有限公司，研究方向：建设工程检测