1 浙江宁波宁波市轨道交通集团有限公司， 郦亮1 冯立力1 315000
2浙江杭州中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 姚凯亮2 311122
摘 要：针对传统地铁深基坑墙体监测存在的监测效率低、误差大、精度低等问题，提出通过光纤光栅（FBG）技术监测地铁深基坑墙体应变分布、掌握其开挖过程中变形规律的新方法。介绍光纤光栅测量应变的原理，并推导出光纤光栅应变与位移之间的转换公式。通过室内试验对比光纤Bragg光栅( FBG) 应变传感器与百分表的变形数据，以验证其可行性，并分析FBG传感器的优势。基坑开挖过程中，对比光纤Bragg光栅( FBG) 应变传感器与传统测斜仪成果表明:光纤光栅传感技术获得的墙体应变数据准确、可靠，计算得出的水平位移分布特征与测斜仪结果较为吻合，真实反映了地铁深基坑墙体的变形规律。初步证明了光纤光栅（FBG）监测技术应用于地铁深基坑墙体变形监测的可行性。该研究表明，传统测斜仪可以作为检验FBG监测技术的辅助工具，两种监测方法在具体数值上有一定的差异，原因可以归结为试验误差、传感器变形耦合程度以及外界干扰因素等几个方面。
关键词：光纤 Bragg 光栅传感技术；深基坑墙体；位移；测斜仪
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0引言
深基坑墙体结构作为基础施工期间的支挡结构对基础工程施工安全、工期以及经济效益等有着很大得影响。然而，由于人工测斜仪很难保证深基坑墙体结构的水平位移监测质量及时效性，以致于在场地条件复杂的某些特定施工阶段易造成监测数据缺失、噪点多等不良结果。因此，基坑工程的顺利实施很大程度上还有赖于施工过程中的自动化化监测。基坑安全监测工作也越来越受到重视，人们也不断尝试着将新的技术和手段用于基坑监测工作中。
光纤传感技术在近20年来得到了飞速的发展，在岩土工程监测领域显示出极大的应用潜力，其中准分布式光纤光栅（fiber Bragg grating，FBG）是应用最广、最成熟的光纤传感技术。光纤传感器具有质量轻、体积小、精度高、耐高温、耐腐蚀、智能化程度高、抗电磁干扰、安装便利、复利用能力强等优点，近年来开始逐渐应用于各类岩土工程构筑物的监测，取得了一系列的进展[1-6]。朱鸿鹄等[7]开发了多种FBG岩土变形监测传感器，并成功应用于室内模型试验和现场地基、边坡等监测项目中。王静等[8]发现，在隧道开挖模型试验中，FBG三向应变传感器能够精确地测得隧道开挖时围岩的应变分布情况。wang等[9]通过FBG测管监测和有限元数值模拟，分析上部开挖施工对上海地铁二号线区间隧道的影响。柴敬等[10-11]探讨了基于FBG的隧道施工监测的可行性，通过实际工程验证了该技术在隧道应变、温度实时监测中的优势。以上这些研究均利用FBG对应变敏感这一特性，通过传感器件的结构设计实现应变到变形的转化。经过封装的FBG传感器件在体积上与传统传感器差别不大，因此在现场安装时将不可避免地对岩土体带来扰动，难以充分发挥光纤轻细柔软的特点。
近年来，国内外部分学者开始尝试将裸光纤传感器直埋于岩土体中，以捕捉原位变形场。这一方法使得传感器对原位应力场、变形场的扰动降低到了最小。反过来，由于岩土变形模式复杂多样，光纤监测数据在可靠性方面存在一定的疑问，关于该问题的研究目前在国际上鲜见报道。
本文通过室内标定试验及现场监测，探究基于FBG开展地基变形监测的可行性。将传感器直埋于砂土地基模型中，以获取地基内部土体在逐级加载时的应变读数。结合PIV技术对实测值进行分析，探讨光纤 监测结果的可靠性及误差来源。
1FBG技术原理
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2传感器结构及室内对比试验
2.1传感器结构
光纤光栅智能测斜管由4m测斜管外侧等距(50cm)布置光纤光栅传感器组成。测斜管外壁内槽对应的位置开4mm“U”型凹槽，光纤光栅串和0.9mm光纤用硅胶粘结固定在凹槽内，离孔口约15cm处从凹槽旁侧且在测斜管连接器开出3mm凹槽，用于铠装光缆引出，测斜管底部旁侧相应位置也开3mm凹槽，为了下一节测斜管壁上的铠装光缆绕出，孔口铠装光缆用抱箍固定。光纤光栅传感器按照中心波长从小到大的顺序排布，相邻2个光纤光栅的中心波长间隔约为2nm。智能测斜管具体结构见图2。
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根据光纤光栅解调仪测试的中心波长精度为0.002nm，假设被测点的中心波长为1560nm，由(2)可计算得测点的应变精度为5.8με，根据式(3)可得单测点水平位移测试精度为0.0193mm/50cm、40m孔深的测试精度为0.173mm/50cm。
2.2传感器室内对比试验
实验仪器和材料准备齐全，光纤光栅的粘贴工作也已完成，百分表已架设，正式开始实验。室内加载试验，每级加载稳定后，读取光纤光栅波长和百分表读数，然后施加下一级荷载。试验中，外加最大荷载为5kg。当加载至5kg并测取读数后，再递减荷载卸载，并读取百分表和光纤光栅的读数。
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由材料力学可知，在简支梁上一点施加荷载时，以加载点为界，左右两侧应变与距离成线性关系。图4、5为加载过程中上端与下端各测点的应变分布图，表1给出了加载过程中应变与距离的关系表，从表中可以看出在点荷载作用下，测斜管的应变与距离有很好的线性相关性，以受荷点为界左右两侧呈线性分布，且相关系数>0.99。以上分析表明：加载过程中各个测点的光纤光栅传感器测量的波长数据是可靠的。
位移分析
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卸载过程同理，图6为加载过程中FBG测试计算的位移量与百分表测量位移量分布图，从图中可以看出，光纤布拉格光栅测试的位移在数值上基本与百分表测量位移量基本一致。图7为加载过程中FBG测试位移量与百分表测量的位移量关系图，根据线性拟合的结果可知，百分表测量的位移量与FBG测试位移量具有很好的线性相关性，且相关系数=1，百分表测量的位移量是FBG测试位移量的1.0035~1.0365倍，说明百分表测量的位移量略大于FBG测试的位移量，分析其原因为：在试验过程中百分表测量数据与FBG测试数据不同步造成的，试验过程中先测读FBG波长，再测读百分表读数，PVC测斜管自身的蠕变特性使得在测读完FBG波长后又有了少量变形。图8为FBG测试位移与百分表测量位移的偏差分布图，从图中可以看出，二者所测结果的偏差较小，在0.6mm之内，且随载荷增大，位移偏差逐渐增大。从图6数据的波动情况发现，光纤光栅位移传感器测试的数据波动较小，由此说明光纤光栅位移传感器比百分表测试的数据更为稳定。
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图9、10为卸载过程中上端与下端各测点的应变分布图，表2给出了卸载过程中不同位置应变与距离的关系表，从表中可以看出在点荷载作用下，以受荷点为界测斜管左右两侧的应变与距离有很好的线性相关性，且相关系数>0.99。以上分析表明：卸载过程中各个测点的光纤光栅传感器测量的波长数据是可靠的。
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图11为卸载过程中FBG测试计算的位移量与百分表测量位移量分布图，从图中可以看出，光纤布拉格光栅测试的位移在数值上基本与百分表测量位移量基本吻合。图12为卸载过程中FBG测试位移量与百分表测量的位移量关系图，根据线性拟合的结果可知，百分表测量的位移量与FBG测试位移量具有很好的线性相关性，且相关系数≈1。百分表测量的位移量是FBG测试位移量的0.999~1.0347倍。图13为卸载过程中FBG测试位移量与百分表测量的位移量的偏差分布图，两者的测试偏差在0.6mm之内，与加载过程相比，数据变化规律基本相同。
3现场试验
光纤光栅数据于2016年9月25日开始取值，此时基坑已完成第一层土方开挖，分段开挖第二、三层土方。DCX1所在的基坑南侧21轴附近工况：于9月23日完成第三层土方开挖，9月30日第四层土方开挖，10月9日第五层土方开挖，10月14日，第四道支撑架设完成，11月7日第五层土方开挖完成，11月10日垫层完成浇筑。图15为地连墙内测斜孔DCX1应变分布曲线，图16为地连墙内测斜孔DCX1深层水平位移分布曲线，图17为地连墙内测斜孔DCX1典型位置深层水平位移时程曲线。
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监测结果如下：
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由图中可知，光纤光栅测试地连墙内应变当支撑架设后，随基坑开挖往下，支撑架设位置应变为向基坑外突变点，且逐渐增大，与工程实际比较吻合，垫层位置为向基坑内突变，说明主动土压力大于垫层反力。受支撑反力作用，地连墙基坑深度以下呈向基坑内的主动土压力与支撑反力平衡。
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图16为自动化和人工监测深层水平位移分布曲线。由图17中三种工况下的测斜自动化监测数据曲线可知，在完成并施加钢支撑后，连续墙上部的位移偏向基坑的外侧，随着开挖的持续进行，墙顶位移有逐渐向坑内发展的趋势。且随着基坑开挖深度的加大，主动土压力表现十分显著。当开挖到底，四层钢支撑都施加上以后，墙顶向基坑内侧位移得到控制。随着基坑开挖的进行，连续墙墙身水平位移值不断增大。产生测斜最大的深度随着开挖加深逐步下移（一般呈大肚状）；已加支撑处的变形小；开挖时变形速率增大，有支撑时，侧向变形速率小或测斜保持稳定不变。由图中可知，第三道支撑架设时，孔口从4.5m至10m位置，自动化测值与人工测值有较大差异，这是受周边环境施工扰动的影响，自动化测试数据将该影响值形象地反应出来。
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由图18可知，随开挖进行，支撑架设位置水平位移向基坑内侧逐渐发展，当支撑架设完成后，水平位移出现先增大后减小的趋势，且自动化监测数据能更好地反应此规律。
图19为不同深度点FBG测试和测斜仪测试位移关系图，表3为自动化测试位移量与人工测试位移量关系表，从图中可知，从第二道支撑架设开始到底板浇筑完成后5天，FBG测试的位移量与测斜仪测试的位移量线性相关性较好，线性系数接近1，且相关系数接近1，且测点深度越深，自动化测试位移量与人工测试位移量更接近，且相关性越高，这是由于人工测试与自动化测试时间并未完全一致，周边环境扰动导致孔口处数据成果有稍许差异。
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由上述图表可知：
（1）翠柏里站基坑开挖期间，DCX1累计位移量人工监测及自动化监测最大值位置均在15~17m处，结合南端头基坑开挖深度为17.97m可知，光纤光栅智能测斜管变形能反应基坑开挖变形规律，11月11日，21轴第五层土方开挖完成，垫层浇筑时，DCX1自动化监测变形最大点为DCX1-32（28.55mm），DCX1人工监测变形最大点为DCX1-31（24.85mm）。
（2）11月11日，南端头垫层浇筑后，DCX1累计位移量最大值自动化与人工相比差异3.7mm，初步分析基坑开挖期间发生的施工行为对光纤光栅智能测斜管的影响较大，光纤光栅智能测斜管在基坑开挖期间灵敏度较高，坑边重型机械堆载、支撑复加轴力等均可能对光纤光栅测斜管产生影响；另一方面，根据自动化监测光纤光栅智能测斜管计算原理，管口变形通过求导叠加之后，管口位置会发生明显收敛趋势；自动化监测变化趋势与人工监测存在一定的吻合性，且变化速率与人工监测具有一致性。
（3）根据当天自动化监测数据采集情况，以11月9日为例，现场机房进行波长采集后，经计算DCX1墙体位移累计值当天波动很小，基本保持稳定，未发生较大位移，自动化监测数据采集稳定性较好。
4小结
通过将光纤传感技术用于测斜自动化室内试验和现场试验研究，采用多项式拟合和积分计算方法，由FBG所测位移与百分表的测量位移进行对比分析，由FBG测试位移与测斜仪测量位移进行对比分析，得出以下结论：
（1）在点荷载作用下，FBG测试的应变量以受荷点为界左右成线性分布，验证试验过程中各个测点的光纤光栅传感器测量的波长数据是可靠的。
（2）使用FBG测试计算的位移量与百分表直接测量的位移量基本一致，从试验的角度说明了将光纤光栅传感技术用于深层土体位移监测是可行 的。
（3）通过分析光纤光栅测试地连墙内测斜管的应变，可知支撑架设位置为应变向基坑外突变位置，且随着开挖往下，主动土压力增大，支撑反力增大，支撑位置应变逐渐增大；
（4）随着基坑开挖并完成支撑架设，深层水平位移最大值出现先增大后减小的特征，最大水平位移发生位置随开挖深度增大而往下发展，当垫层完成浇筑后，深层最大水平位移逐渐收敛。
（5）将连续墙水平位移光纤光栅测试结果与传统测斜仪测试结果对比，得出光纤光栅监测所得的连续墙身水平变形趋势与测斜仪测得的连续墙身水平变形趋势大体上是一致的，且最大值发生的位置基本一致。
（6）地连墙内光纤光栅智能测斜管监测成果能很好地反映基坑开挖过程中墙体应变分布及变化特征；随开挖进行，支撑架设位置水平位移向基坑内侧逐渐发展，当支撑架设完成后，水平位移出现先增大后减小的趋势，且自动化监测数据能更好地反应此规律；墙体水平位移自动化监测与人工监测数据一致性较好，且由于测试时间不完全一致，基坑周边施工扰动影响，孔底吻合度高于孔口。
参考文献：
[1]Zurich E . NOVEL APPLICATIONS OF DISTRIBUTED FIBER- OPTIC SENSING IN GEOTECHNICAL ENGINEERING A dissertation submitted to.
[2]吴佳骐. 基于光纤传感技术的道路拓宽工程边坡稳定性分析与监测研究[D]. 南京航空航天大学.
[3]刘永莉， 孙红月， 于洋，等. 基于BOTDR监测技术抗滑桩上滑坡推力确定[J]. 浙江大学学报(工学版)， 2012(05):798-803.
[4]朱友群， 朱鸿鹄， 孙义杰，等. FBG-BOTDA联合感测管桩击入土层模型试验研究[J]. 岩土力学， 2014， 35(S2):695-702.
[5]范萌， 雷文凯， 肖衡林，等. 夹泥灌注桩的光纤传感检测模型试验[J]. 长江科学院院报， 2016， 33(004):95-98，104.
[6]朱鸿鹄， 殷建华， 张林，等. 大坝模型试验的光纤传感变形监测[J]. 岩石力学与工程学报， 2008(06):1188-1194.
[7]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. 土木工程学报.
[8]王静， 李术才， 施斌，等. 三向FBG应变传感器及在隧道开挖模型试验中的应用研究[J]. 工程地质学报， 2013， 21(2).
[9]Wang F ， Zhang D M ， Zhu H H ， et al. Impact of Overhead Excavation on an Existing Shield Tunnel: Field Monitoring and a Full 3D Finite Element Analysis[J]. Computers Materials & Continua， 2013， 34(1):63-81.
[10]Zhu H H ， Ho A ， Yin J H ， et al. An optical fibre monitoring system for evaluating the performance of a soil nailed slope[J]. Smart Structures & Systems， 2012， 9(5):393-410.
[11]柴敬， 姚凯亮， 刘奇，等. 基于不同残余含水率的相似材料力学特性研究[J]. 矿业研究与开发， 2020(7):37-42.