深基坑支護樁布里淵光時域分布式監(jiān)測方法研究

索文斌，程 剛，盧 毅，孫義杰，施 斌*

1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210093；2.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院），南京210049；3.南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，南京211800

深基坑支護樁布里淵光時域分布式監(jiān)測方法研究

索文斌1，程 剛1，盧 毅2，孫義杰3，施 斌1*

1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210093；2.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院），南京210049；3.南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，南京211800

支護樁是深基坑支護結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分，其支護效果直接影響到深基坑的穩(wěn)定性，因此對支護樁應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的監(jiān)測十分重要。該文選擇了一種能夠單端測量的分布式光纖感測技術(shù)—布里淵光時域反射計（簡稱BOTDR），將其應(yīng)用于深基坑支護樁的變形監(jiān)測，介紹了這一技術(shù)的基本原理、需解決的關(guān)鍵問題及實施技術(shù)路線，并結(jié)合南京某深基坑工程，驗證了這一技術(shù)方法的監(jiān)測效果。結(jié)果表明，基于BOTDR的監(jiān)測方法可以對深基坑支護樁進行全分布式監(jiān)測，方法可行，結(jié)果準(zhǔn)確，為深基坑支護樁監(jiān)測提供了一種新的技術(shù)手段。

支護樁；分布式光纖感測技術(shù)；深基坑；BOTDR；監(jiān)測方法

支護樁是深基坑支護結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，其支護效果直接影響到深基坑的穩(wěn)定性，基坑一旦失穩(wěn)將會給工程本身以及周邊環(huán)境帶來不可挽回的損失（張曠成和李繼民，2010；鄭剛等，2014），因此對深基坑支護樁進行監(jiān)測十分重要（宋建學(xué)等，2006；王超等，2014）。常用的基坑支護樁監(jiān)測技術(shù)大多是基于電測和點式感測原理的，這類傳感器所測結(jié)果較為離散（易漏檢，有盲區(qū)），偶然誤差較大；在地下環(huán)境中容易被腐蝕，傳感器成活率低、耐久性差；實時、并行和自動化監(jiān)測程度不高，難以實現(xiàn)長距離和大面積的監(jiān)測目標(biāo)（隋海波等，2008）。

分布式光纖感測技術(shù)是近十余年來發(fā)展起來的新型監(jiān)測技術(shù)，具有分布式、長距離、抗電磁干擾、耐久性好、耐腐蝕等優(yōu)勢，被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程、土木工程、巖土工程、地質(zhì)工程等領(lǐng)域，取得了一系列成果（施斌等，2005；Zhang，2006；魏廣慶等，2009；朱鴻鵠和施斌，2013，2015）。分布式光纖感測技術(shù)有許多種類，如FBG，ROTDR，BOTDR，BOTDA等，它們各有不同的特點和功能（Sun etal.，2014）。本文選擇了一種能夠單端測量的分布式光纖感測技術(shù)—布里淵光時域反射計（簡稱BOTDR），介紹了這一技術(shù)的監(jiān)測原理和方法，探討了其在深基坑支護樁監(jiān)測應(yīng)用方面需要規(guī)范和注意的技術(shù)問題，并結(jié)合南京某深基坑工程，驗證了這一監(jiān)測方法的效果。

表1 感測光纜參數(shù)Table 1 Parametersofoptical fiber sensors

1 支護樁布里淵光時域分布式監(jiān)測原理與技術(shù)特點

BOTDR是基于自發(fā)布里淵光散射的一種分布式光纖感測技術(shù)。脈沖光在光纖中傳播時，會與光纖中的光聲子發(fā)生作用并產(chǎn)生布里淵散射現(xiàn)象，當(dāng)光纖沿線溫度變化或軸向產(chǎn)生形變時，會產(chǎn)生布里淵頻率漂移。布里淵頻移變化量與光纖的溫度、應(yīng)變的關(guān)系可表示為（黃民雙等，1999）：

式中，vB(ε,T)為環(huán)境溫度為T、光纖所受應(yīng)變?yōu)棣艜r，光纖中布里淵頻率的漂移量；vB(0,T0)表示溫度為T0、應(yīng)變?yōu)?時光纖布里淵頻率的漂移量；C1、C2分別表示與光纖類型有關(guān)的應(yīng)變和溫度的比例系數(shù)（簡稱為溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)）。

光纖發(fā)生布里淵頻移的位置信息可以通過測量接收到脈沖光與背向布里淵散射光之間時間延遲的而獲得，如下式所示（倪玉婷等，2006）：

式中，c為光速；n為光纖的折射系數(shù)；T為發(fā)出脈沖光后至接收到散射光的時間間隔。

對于深基坑支護樁監(jiān)測，可以通過特殊布設(shè)工藝將分布式感測光纜布設(shè)于支護樁體內(nèi)部或表面，基于BOTDR原理可以測量得到感測光纜沿線每一點的應(yīng)變、溫度分布信息。該技術(shù)集感測與信號傳輸于一根光纖，極大的簡化了傳感器的布設(shè)和安裝程序，有效提高了監(jiān)測系統(tǒng)的整體可靠性（魏廣慶等，2009）。

2 支護樁布里淵光時域分布式監(jiān)測工法

支護樁種類較多，根據(jù)其施工特點，主要可以分為灌注樁和預(yù)制樁兩種。針對不同的樁型，考慮到感測光纜的成活率、施工安裝的可操作性和監(jiān)測精確度，需處理好感測光纜選擇、感測光纜布設(shè)方案、溫度補償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

2.1 感測光纜選擇

感測光纜為多層結(jié)構(gòu)，分為纖芯、包層、涂覆層、護套等。無護套的感測光纜稱為裸纖，纖細脆弱，極易折斷，僅適合室內(nèi)試驗研究使用。為應(yīng)對工程中的復(fù)雜工作環(huán)境，還需在裸纖外封裝護套和保護層以提高光纜的強度和抗破壞能力。表1為兩種適用于基坑支護樁監(jiān)測的分布式感測光纜的傳感參數(shù)，圖1為感測光纜示意圖。

基于BOTDR技術(shù)的感測光纜在使用前需進行標(biāo)定，以獲得光纜的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)。根據(jù)式（1），光纜的溫度系數(shù)只需將一段自由光纜（不發(fā)生應(yīng)變），置于可進行溫度控制的儀器中（常用的是恒溫箱），對其進行逐級加溫，記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制頻譜曲線，即可計算出光纜的溫度系數(shù)。

光纜應(yīng)變系數(shù)需要用特定的方法進行標(biāo)定，常用的方法有等強度梁法，等應(yīng)變拉伸法等（索文斌等，2006）。如圖2所示，將光纜固定在等應(yīng)變定點拉伸試驗臺或等強度梁上，在恒溫條件下，對光纜逐級拉伸，記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制頻譜曲線，即可計算出光纜的應(yīng)變系數(shù)。

圖1 感測光纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram showinga fiberopticalsensing cable

圖2 光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定裝置Fig.2 Schematic diagram showing the strain coefficient calibration system

2.2 支護樁感測光纜布設(shè)工藝

感測光纜既是傳感元件又是傳輸媒介，其布設(shè)質(zhì)量直接影響到支護樁變形監(jiān)測的效果。在大量室內(nèi)外試驗的基礎(chǔ)上，筆者總結(jié)得到了以下感測光纜的布設(shè)工藝。

2.2.1 灌注類支護樁體的布設(shè)

從樁端到樁頂，沿鋼筋籠主筋方向豎直布設(shè)感測光纜。固定方式以扎帶及環(huán)氧樹脂膠，將光纖按固定間隔點式固定，以防止光纜滑脫。同時考慮到感測光纜的成活率，采用U型進行布設(shè)，如圖3所示。其主要安裝步驟如下：

（1）放線。將感測光纜沿著鋼筋走向放線，穿過橫檔鋼筋，為減少混凝土澆筑對光纜造成損壞，光纜緊貼鋼筋籠主筋內(nèi)側(cè)安裝。

（2）綁扎。光纜一端固定，另一端利用鎖線器拉緊。在拉伸兩點間用尼龍扎帶或膠帶按固定間隔進行綁扎固定。

（3）過彎和出口保護。在光纜彎曲和出混凝土位置套松套管進行保護，防止光纜折斷。混凝土灌入過程，引線覆蓋保護，防止機械設(shè)備破壞。

2.2.2 預(yù)制類支護樁體光纖布設(shè)

預(yù)制樁，特別是PHC管樁，成樁工藝復(fù)雜，難以在成樁前布設(shè)感測光纜。采用表面刻淺槽植入光纖后再用環(huán)氧樹脂膠封裝布設(shè)的方式，可有效提高感測光纜的成活率，其主要工序如下：

（1）表面切槽。設(shè)計布設(shè)路線并在樁表面切出一道深約5mm的V字型凹槽，并對凹槽進行除塵和清洗。

（2）固定光纖。將調(diào)配好的粘結(jié)劑在凹槽內(nèi)預(yù)先打底，將光纜沿著布設(shè)線路整理好，用定點的方式將光纜草鋪在設(shè)定的線路上。光纜完全放置在凹槽后，采用粘結(jié)劑將凹槽填滿。

（3）對接與保護。布設(shè)好光纖的樁按先后順序沉樁，如分段沉樁則需待樁焊接完成后將上下樁對應(yīng)的各條光纖進行對接并保護，冗余的光纖盤在樁接頭處加特殊保護層后繼續(xù)沉樁。外露光纖接頭采用套管保護后再用緩沖材料包裹固定。

2.3 溫度補償

由式（1）可知，布里淵頻移對應(yīng)變和溫度交叉敏感，支護樁溫度隨季節(jié)、地下水位的變化而變化，為得到準(zhǔn)確的支護樁變形信息，需降低和消除環(huán)境溫度變化的影響?？梢圆捎弥苯友a償和間接補償兩種方法（樸春德等，2009）進行光纖溫度補償。直接補償是通過測量環(huán)境溫度，利用布里淵頻移計算公式進行溫度修正。間接補償是在感測光纜旁安裝一條不受結(jié)構(gòu)應(yīng)變影響的溫度補償光纜，將變形監(jiān)測光纜的監(jiān)測結(jié)果減去溫度補償光纜的測量值，得到被測結(jié)構(gòu)的真實應(yīng)變。

圖3 光纖布設(shè)示意圖Fig.3 Schematic diagram showing the layoutofoptical fiber

3 某基坑工程PHC支護樁分布式監(jiān)測

為驗證深基坑支護樁布里淵光時域分布式監(jiān)測方法的可行性，筆者選擇了南京奧體地區(qū)某深基坑工程進行支護樁監(jiān)測，對這一監(jiān)測方法開展了實證研究。

3.1 工程背景

某工程是位于南京奧體地區(qū)的大型建筑群基坑，該基坑為矩形，長369m，寬262m。普遍挖深13.25m，局部電梯基坑挖深16.75m，開挖土方量約113萬m3，為一級大型基坑。

工程所在地地處長江河漫灘地帶，屬于典型的軟土地區(qū)，基巖埋深較深，層頂埋深平均-50m，由表層至基巖主要分布粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉土夾砂、粉細砂。水文地質(zhì)條件較好，地下水資源豐富，分布著大量的潛水，少量的弱承壓水。圖4所示，本工程為無內(nèi)支撐支護形式，支護施工采用雙排PCMW工法，即在水泥攪拌土硬化前插入預(yù)應(yīng)力管樁，形成預(yù)應(yīng)力管樁水泥土墻復(fù)合支護結(jié)構(gòu)。大部分坑段側(cè)壁采用A900@1200mm三軸深攪水泥攪拌樁內(nèi)插PHC800（130）預(yù)應(yīng)力管樁，樁長為27m、25m，局部區(qū)段采用灌注樁加6排錨桿支護結(jié)構(gòu)體系，樁頂標(biāo)高為-4.7m，水泥攪拌樁水泥摻量為22%，深度為管樁長+2m。

3.2 監(jiān)測方案

3.2.1 感測光纜安裝及監(jiān)測步驟

本研究監(jiān)測對象為雙排PCMW工法樁中的PHC管樁，選用0.9mm的海翠料緊包感測光纜，其相關(guān)性能指標(biāo)見表1。PHC管樁感測光纜布設(shè)如圖5所示。感測光纜安裝方案及監(jiān)測步驟如下：

（1）確定監(jiān)測斷面，選擇測試樁。根據(jù)數(shù)值模擬、基坑計算、專家咨詢等方式選擇了監(jiān)測重點區(qū)域，挑選同一斷面的兩根測試樁。

（2）按照2.2.2節(jié)介紹的安裝方案預(yù)先將感測光纜布設(shè)到PHC樁表面，加蓋環(huán)氧樹脂膠保護。

（3）在沉樁時要保證樁身安裝光纖的方向和基坑走向垂直，沉樁結(jié)束后，將兩根樁的感測光纜進行串聯(lián)，做好PHC樁頭感測光纜、串聯(lián)光纜和引線（連接至BOTDR的光纜）的保護。

（4）待基坑上覆土開挖至樁頭高度時，取出保護好的引線連接至BOTDR，并到基坑外安全區(qū)域讀取測試初值。

（5）按照規(guī)程要求和工程實際進行監(jiān)測，分析監(jiān)測結(jié)果做好報警和數(shù)據(jù)保存。

圖4 雙排PCMW工法樁Fig.4 The PCMW pile constructionmethod

圖5 PHC樁光纖布設(shè)示意圖Fig.5 Layoutofan optical fiber in the PHC piles

3.2.2 測試儀器及參數(shù)

本文采用的BOTDR儀器（AV6419）是中國電子科技集團第41研究所開發(fā)的我國第一款商業(yè)化BOTDR設(shè)備（圖6），于2011年面市，該設(shè)備在其測量精度、測量時間較日產(chǎn)的AQ8603型BOTDR均有顯著提高，現(xiàn)已應(yīng)用到隧道、地質(zhì)災(zāi)害、堤壩的變形和安全監(jiān)測等領(lǐng)域，其參數(shù)詳見表2。

3.2.3 監(jiān)測周期

本此測試選取基坑土方開挖、地下室施工階段進行監(jiān)測。監(jiān)測周期自2015年3月—2015年12月。

3.3 PHC支護樁變形監(jiān)結(jié)果分析

基坑開挖過程中支護樁起著關(guān)鍵性支持作用，支護樁樁身變形對評價基坑支護效果及研究土體側(cè)向變形規(guī)律具有重要意義。根據(jù)基坑開挖進度，選取2015年3月10日監(jiān)測數(shù)據(jù)為初始值，將以后每次測得的數(shù)值與初始值作差，即可得到相應(yīng)時段內(nèi)支護樁的受力、變形情況，進而對基坑穩(wěn)定性做出評價。

圖6 AV6419型光纖應(yīng)變分析儀Fig.6 AV6419BOTDR instrument

依據(jù)具體的施工進度選擇部分典型數(shù)據(jù)進行分析。如圖7為基坑外側(cè)25m支護樁樁身應(yīng)變光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)。對稱布設(shè)的一組應(yīng)變感測光纜有效獲得了支護樁身的應(yīng)變?nèi)植?，其中樁身受?cè)向土壓力而發(fā)生了偏斜，樁身的迎土面和背土面分別產(chǎn)生了拉、壓應(yīng)變。

根據(jù)材料力學(xué)理論，由樁身應(yīng)變測值計算可得到樁身撓曲變形情況。設(shè)ε1和ε2分別為支護樁內(nèi)外測感測光纜在深度z處的應(yīng)變測試值，則撓曲應(yīng)變值εm(z)為：

表2 AV6419儀器性能主要指標(biāo)Table2 Parametersof AV6419BOTDR instrument

圖8為根據(jù)式（3）得到的基坑內(nèi)外側(cè)兩支護樁撓曲應(yīng)變。結(jié)果顯示，隨著基坑開挖深度的不斷增加，樁身在基坑外側(cè)土壓力作用下產(chǎn)生的樁身撓曲應(yīng)變拉壓轉(zhuǎn)變位置也不斷下移，兩者量值接近。其中基坑外側(cè)樁從起初的4m到最終約12m埋深位置，樁身埋深自19m以下穩(wěn)固，而未產(chǎn)生明顯的撓曲變形；基坑內(nèi)側(cè)樁從起初的2m到最終的約14m埋深位置，樁身埋深自24m以下穩(wěn)固而未產(chǎn)生明顯的撓曲變形。

假設(shè)深埋的樁端底部為坐標(biāo)零點，則樁身各埋深點z處相對樁底的水平向位移v(z)可表示為：

式中，y(z)為樁身半徑。圖9為根據(jù)式（4）計算得到的基坑內(nèi)外側(cè)兩支護樁樁身不同位置處側(cè)向位移?；觾?nèi)外測兩根支護樁樁頂變形顯著，表明基坑開挖對周邊土體擾動作用較明顯，并隨著深度增加，變形整體呈逐漸減小趨勢。提取兩樁樁頂位移數(shù)據(jù)，得到如圖10所示的樁頂位移變化過程。數(shù)據(jù)顯示，7月9日25m樁樁頂位移達到實測最大變形約4.5 cm左右，隨后開始逐步降低，并在10月23日出現(xiàn)回彈。27m樁樁頂位移隨著施工進程變形持續(xù)發(fā)展，于10月23日達到最大值約5.5 cm，隨后變形量逐漸減少。

結(jié)合現(xiàn)場施工情況可知，根據(jù)內(nèi)外排樁間第二層連梁所處深度（地面埋深-8.3m，距離排樁頂部約4.5m位置），可以將基坑開挖過程分為兩個階段。3月29日至6月19日三期監(jiān)測位于挖土施工第一階段，即在第二層連梁深度以上；7月9日至10月23日的測期，基坑開挖深度區(qū)間為-9.2 m至-14.5 m，已處于連梁深度以下，而在11月下旬，基坑開挖已全部見底。第一階段，土體開挖初期，外側(cè)支護樁直接承受基坑外側(cè)土體壓力，通過第一層連梁，內(nèi)側(cè)支護樁間接分擔(dān)部分土壓力，外側(cè)樁體撓曲變形大于內(nèi)側(cè)樁體變形。隨著開挖深度至第二層連梁位置以下，由于內(nèi)外排樁間存在土層，內(nèi)排樁也開始直接承受外側(cè)土體壓力，此時內(nèi)外排樁間及其與土體間的相互作用變得極為復(fù)雜，外側(cè)排樁變形減小，內(nèi)側(cè)排樁變形開始大于外側(cè)排樁，表明內(nèi)側(cè)排樁開始承擔(dān)更大的土體側(cè)壓力。在此過程中，樁土應(yīng)力進行不斷調(diào)整，基坑開挖完成后，應(yīng)力調(diào)整也基本完畢，樁體變形基本保持不變，表明雙排支護樁起到了很好的基坑支護效果。

圖7 基坑外側(cè)25m PHC支護樁應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Strainmonitoring resultsof the25m long PHCpile

圖8 外側(cè)（a）與內(nèi)側(cè)（b）PHC支護樁撓曲應(yīng)變Fig.8 Bending strain of PHC retaining piles for the outside row(a)and inside row(b)

圖9 雙排樁側(cè)向位移計算結(jié)果Fig.9 The calculated lateraldisplacementof the retaining piles

圖10 支護樁樁頂位移時程變化曲線Fig.10 Displacementvs timecurveof the retainingpileatitstop

4 結(jié)論

本文通過將分布式光纖感測技術(shù)引入深基坑雙排支護樁變形監(jiān)測中，得到如下幾點研究成果：

（1）提出了基于BOTDR的深基坑支護樁監(jiān)測方案，詳細介紹了感測光纜的布設(shè)工藝等技術(shù)環(huán)節(jié)，具有較強的工程指導(dǎo)和借鑒意義，可復(fù)制、可推廣、可移植性強。

（2）采用分布式光纖感測技術(shù)，有效獲取了深基坑支護樁連續(xù)分布式變形信息，得到了基坑開挖過程中雙排樁變形響應(yīng)過程，為深基坑的優(yōu)化設(shè)計和施工調(diào)整提供參考依據(jù)。

（3）PCMW法雙排支護樁工程實例的變形監(jiān)測結(jié)果顯示，在開挖不同階段，內(nèi)外排樁體現(xiàn)不同的變形受力特點，在第二層連梁開挖深度前，以基坑外側(cè)排樁承擔(dān)土壓力為主；第二層連梁深度以下，則主要體現(xiàn)為基坑內(nèi)側(cè)排樁的受力變形。

由于對深基坑支護結(jié)構(gòu)及其土體變形的認(rèn)識和解釋是一件復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要結(jié)合基坑支護設(shè)計、工程地質(zhì)條件、水文條件、施工情況、開挖數(shù)據(jù)等綜合判別。本文提供了一種新的深基坑支護樁監(jiān)測技術(shù)手段，并將為完善和改進現(xiàn)有基坑支護理論，進一步深入研究深基坑支護結(jié)構(gòu)和土體變形機理提供參考和依據(jù)。

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Sun Y J,Zhang D,Shi B,et al.2014.Distributed acquisition,characteriza?tion and process analysis ofmulti-field information in slopes[J].Engi?neering Geology,182:49-62.

ZhangW,Gao J,ShiB,et al.2006.Health monitoring of rehabilitated con?crete bridges using distributed optical fiber sensing[J].computer aided civiland infrastructureengineering,21(6):411-424.

Study on Distributed M onitoringM ethod ofDeep Foundation Pit Retaining PileBased on theBrillouin OpticalTimeDomain Technology

SUOWenbin1,CHENG Gang1,LU Yi2,SUN Yijie3,SHIBin1*
1.Schoolof Earth Sciencesand Engineering,Nanjing University,Nanjing210093,China 2.Key laboratoryofEarth fissuresGeologicaldisaster,MinistryofLand and Resources,GeologicalSurveyof Jiangsu Province,210049,China 3.College of Transportation Science&Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing,211800,China

Retaining pile is a key part of bracing and retaining structures which directly affect the stability of deep foundation pit. Therefore,it is important tomonitor the strain and stress state of a retaining pile.In this paper,the single-ended detecting distributed optical fiber sensing technology based on the Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer(BOTDR)was used formonitoring the deformation of a PHC type retaining pile in a deep foundation pit.Themonitoringmethod was described and its effectivenesswaswell verified in a deep foundation pit in Nanjing.The results indicate that the BOTDR-based method is feasible tomake a fully-distributed monitoringof the retaining pile in the deep foundation pit.It isexpected tobeanovelway formonitoring deep foundation pit.

Retaining pile;distributed fiberopticalsensing(DFOS);deep foundation pit;BOTDR;monitoringmethod

SHIBin,Professor;E-mail:shibin@nju.edu.cn

P642

A文獻標(biāo)識碼：1006-7493（2016）04-0724-09

10.16108/j.issn1006-7493.2016165

2016-08-31；

2016-10-10

國家重大科研儀器研制項目（41427801）；國土資源部公益性行業(yè)專項（201511055）；國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室開放課題（201401）聯(lián)合資助

索文斌，男，1980年生，博士研究生，地質(zhì)工程專業(yè);E-mail:swbin@nju.edu.cn

*通訊作者：施斌，教授;E-mail:shibin@nju.edu.cn