分布式光纤在栈桥监测中的应用分析*

2020-02-11詹浩东任高峰胡仲春张聪瑞葛永翔李桃源

工业安全与环保 2020年1期

詹浩东任高峰胡仲春张聪瑞葛永翔李桃源

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院武汉 430070； 2.中国铁建中铁十四局集团有限公司济南 250014)

0 引言

基坑的施工安全日益受到工程界的高度重视，其中基坑支撑体系的稳定对深基坑的安全发挥着关键作用。大型基坑支撑体系一般选用混凝土桁架支撑体系，因此进行支撑体系应力、应变监测，控制支撑体系的变形成为基坑安全研究的重点。混凝土支撑结构的应力、应变监测，通常采用埋入监测仪器进行监测，一般有振弦式和差阻式两种类型监测仪器。振弦式仪器常用于工程结构物表面监测，难以适应混凝土埋入式环境[1]。差阻式监测仪器能够很好地适应混凝土内部监测环境，但仪器电缆和电缆接头是差阻式仪器的薄弱环节，工程应用中极易破坏，难以长期稳定地进行监测[2]。传统应力、应变监测仪器在工程中应用，通常存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性较差的问题，难以满足现代土木工程智能自动化监测要求[3-4]。

近年来兴起的光纤传感器具有抗电磁、抗腐蚀、防水、耐久性长、响应快、灵敏度高等优良特性，在智能监测方面具有明显的优势[5-6]。尤其是分布式光纤传感器，重量轻、尺寸小，便于铺设安装，易于植入监测对象中[7]。光纤集感测与传输于一体，能够实现远程实时分布式监测[8]。利用分布式传感技术能较好地解决混凝土结构的应力、应变监测，已成为国内外结构变形监测研究领域的热点。目前，在国内外工程应用中，利用此项技术在土木、水利工程的检测和监测方面已经取得了一系列成果[9-11]。

2001年，OHNO H等[12]开发出布里渊光时域反射仪,该设备可以测量沿光纤延伸10 km的连续应变，预计BOTDR技术将应用于工程结构的检测与诊断。2003年，张丹等[13]基于分布式测量原理的钢筋三点弯试验，通过有限元对比证明BOTDR可以真实地反映结构应力分布。2015年，许崇甲等[14]利用光纤传感技术对深基坑支护轴力监测，实现实时监测开挖顺序引起的支撑拉应力变化，保障施工安全并且能够及时预警，改进了现有支护监测体系。以上研究工作将分布式监测技术逐步应用到桩基监测、支护监测等工程实际，改进了传统监测技术，对大型基坑结构施工监测和长期稳定监测，起到了一定的启发指引作用。

本文利用分布式光纤监测的优点，结合太原火车站调蓄池基坑施工的复杂情况，基于现场施工环境设计了基坑支撑栈桥变形监测的分布式光纤监测系统，实现太原火车站调蓄池支撑体系栈桥的变形监测。通过系列措施保证监测的有效性和可靠性，测试研究栈桥结构施工期受力变形情况，为后续的土木工程复杂结构监测提供经验和参考。

1 分布式光纤的测试应用

太原火车站调蓄池施工条件复杂，蓄水池整体长150.7 m、宽70.5 m、深16 m，最大池容量14.6×104m3。基坑临近火车轨道，采用明挖法，支撑为边桁架结合对撑的支撑体系，基坑沿高度方向设置两道钢筋混凝土支撑。为了监测基坑支撑体系在整个施工期间的安全稳定，将分布式应变光纤布置基坑中央栈桥位置，对栈桥进行长期的受力测试研究。

1.1 监测原理

分布式光纤本身既是感测原件又是传输载体[14-15]，当一束具有一定频率的脉冲光进入传感光纤中，光纤中的脉冲光与声学声子相互作用，发生布里渊散射光频率漂移[16]。光频率的漂移可以同时受温度和应变影响，但温度引起的漂移量和温度的变化具有很好的线性关系，所以测量光纤中布里渊散射光的频率漂移量，即可得到光纤沿线的信息分布，再剔除温度引起的布里渊背向散射光漂移量，就可得到光纤中散射光的频率漂移量和应变的关系，从而测出光纤沿线的应力分布，实现光纤沿线受力分布式测量。

当分布式光纤受到力作用时，布里渊散射光的频率会发生平移，该点的光功率也会发生变化，传感原理如图1～图4所示，通过光功率与频率以及频率之间的相互关系可得出光纤沿线的各个位置受力情况。据此分布式光纤可知沿光纤传输应变、温度以及结构损伤信息，也可知沿光纤传输时空连续分布信息，从而实现复杂工程结构的全方位连续监测，做到及时预警和科学处置。

1.2 布设方法

分布式监测最大的优势是可以突破传统仪器点式测量实现分布式监测，工程实际应用中将其布设安装到监测对象的表面和内部，两端与BOTDR解调仪相连构成回路，就能捕捉到被测对象整体受力变形情况，以及内部结构的受力状态。但分布式光纤在基坑布设过程中仍需注意几个问题：(1) 基坑开挖范围较大，测点较多，要将分布式光纤布置在最合理的位置进行监测；(2)监测系统中线路传输光纤为通用普通光纤，极易遭受破坏，要采取相应的加强保护措施；(3)分布式光纤监测系统中的监测数据含有温度和应变的影响成分，要采取相应的措施消除环境温度的影响。

图1 BOTDR传感系统

图2 BOTDR传感原理

图3 BOTDR局部受力传感原理

图4 BOTDR空间定位原理

基坑栈桥的变形破坏形式主要有沉降和开裂，通常会根据实际的施工环境、施工顺序和施工方式选择合理的监测方式，外部结构变形采用全站仪人工观察法，内部变形则采用钢筋计进行应力监测。太原火车站调蓄池开挖土石方近2×105m3，调蓄池内部所用钢材等施工材料，全部在栈桥上由工程机械运输进出，大型工程机械反复动载影响较大，在整个基坑支撑体系中支撑栈桥是受力主体部分，支撑栈桥也是监测的重点部分。为了能够掌握基坑栈桥的受力状态，将分布式光纤监测系统布设如图5所示，温度补偿方式是在温度补偿光缆外部套一根直径略大的套管，让温度光缆后期不受栈桥变形的影响，套管、应变光缆与钢筋捆扎在一起浇筑成型。

图5 栈桥分布式光纤布设示意

1.3 监测系统

栈桥分布式监测系统中的监测设备采用fTB 2505双端高精度分布式光纤应变解调仪，其监测应变范围为-30 000～+30 000 με，在50 km范围内光纤沿线的应变空间分辨率可达0.05 m，应变的测量精度为2 με，完全能够满足大型基坑复杂结构变形全方位监测的精度以及量程要求。

温度传感光纤和应变感测光纤在栈桥内部布设方法如图6所示，布置于支撑栈桥中间位置与钢筋混凝土浇筑成型，外部牵引至地表一端熔接串在一起，另外一端与两根跳线相连，跳线连接双端高精度分布式光纤应变解调仪，再与电脑相连形成一个完整的监测系统，内部光缆尺寸小与栈桥受力的变形协调一致，即可反映栈桥的受力情况以及异常点。分布式光纤的温补光纤置于套管内，在应变监测过程中自由不受力，达到环境温度补偿的目的，实现栈桥应变的长期监测。

图6 栈桥分布式监测系统示意

2 分布式光纤的应用分析

2.1 数据采集

数据采集采用fTB 2505双端高精度分布式光纤应变解调仪，利用光纤监测的BOTDR技术，构成双端高精度闭合监测回路，适用于栈桥结构长距离长期监测，其分布式测量数据量大，有效避免了传统点式间断测量的弊端。当栈桥结构混凝土凝固，基坑开挖后实施数据采集，此时栈桥基本处于稳定状态光纤监测范围内，支撑结构未受到扰动影响。据此采集分布式光纤监测的初始数据，为后期监测数据对比提供依据。为确保采集基坑开挖周期全程变化数据，当基坑开挖时每天早晚各采集一组数据作为一天内受力变化依据，直至基坑开挖完成、数据变化很微小时数据采集结束，共获得六个月的有效测试数据。基坑栈桥变形所产生的应变量变化明显，数据质量良好，为后续分析对比提供基础。

2.2 数据分析

为了测试BOTDR技术实际应用于栈桥监测的可靠性，本文从长期监测应力变化的方向和有动载作用下应力变化两个方向进行试验验证。经温度补偿，剔除温度效应引起的改变，得到开挖几个月内栈桥各个位置的应变值，距离为除去冗余段和无效段后大约140 m的有效监测距离。

为了更加真实地反映监测数据的准确性，取12日夜间数据与13日动载作用下数据进行对比分析，图7为有大型机械在栈桥上施工作业情形下位置和应变的关系，图中各位置应变曲线不是恒定直线，说明在栈桥内部所受应力应变不是定值；图中有两处异常点应变值增大凸起，说明这两处局部受力较大。由现场实际情况可知栈桥内部受力确实不是均匀的，应变曲线中两个异常点与栈桥上30 m和100 m左右当天吊车挖机作业位置一致，由此得出分布式光纤监测系统在有机械作业情况下可以准确地监测出机械作业位置和给栈桥带来的应变，满足栈桥结构在有机械扰动下监测的要求，并能监测异常点的位置和受力大小。

图7 动载作用下栈桥应变变化

通过几个月的监测数据分析，用监测系统测得的应变数值减去温度引起的应变数值得到图8所示基坑开挖前后应变数值，应变数值再与C35钢筋混凝土弹性模量相乘，得到基坑开挖过程栈桥内部所受应力状况，最大为11.6 MPa,最小为7.18 MPa，从开挖到基坑成型呈现减小的趋势。而在调蓄池施工现场前期土石方开挖，工程车辆都是由栈桥出入，后期主要是调蓄池底部铺设钢筋混凝土，无工程机械扰动，受力基本稳定。分布式光纤监测数据显示，各个施工阶段采集的应变数据存在一定差异，但是数据应变分布以及形态较为相似，因此可以真实地反映整个基坑开挖时期栈桥内部应力的改变值。

图8 基坑开挖前后栈桥应变数据对比

从整个监测过程来看，分布式传感光纤相比其他传感元件线性特强、尺寸小，可以相对更完美地与钢筋混凝土支撑体系中栈桥耦合，尺寸效应很小，可以消除预埋管变形对测量精度的影响，直接反映支撑栈桥的应力、应变情况。在动载作用下能够灵敏地感知，动载结束能够恢复平稳，长期监测中数据稳定，能够精确反映异常位置和受力情况。太原火车站调蓄池栈桥监测数据说明基坑支撑体系起到了很好的效果，栈桥应力变化在正常范围内。