基于光纤光栅的水闸基坑支护结构变形自动化监测与分析.pdf

第 卷第 期 年 月水 道 港 口 .收稿日期:修回日期:基金项目:浙江省水利科技计划项目()作者简介:卢斌强()男浙江金华人高级工程师主要从事地质资源与地质工程研究:.:().基于光纤光栅的水闸基坑支护结构变形自动化监测与分析卢斌强 郑江才 姜丽君贾立翔刘鹏飞(.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司 杭州.浦江县水务局金华.苏州南智传感科技有限公司 苏州)摘 要:基坑的支护结构变形决定着基坑工程的安全性 针对目前临河基坑支护结构监测技术与分析的不足将光纤监测技术应用于临河基坑工程 以绍兴某水闸的基坑工程为例将光纤传感光缆和传感器分别安装在围护桩和支撑结构上进而实现在开挖过程中远程自动化获取支护结构的精细化变形信息 监测结果表明:光纤监测技术能够及时准确获取支护结构的变形信息 通过分析支护结构监测结果与地下水位变化情况得出基坑外部的地下水位快速下降是导致围护桩变形的主要原因关键词:临河基坑工程光纤监测技术变形监测自动化监测中图分类号:文献标识码:文章编号:()临河基坑是一类距江河较近的开挖工程其特点是地下水位较高 该类基坑面临着地下水位变化带来的水分场、应力场复杂变化的情况 临河基坑的开挖同时对周围已有建筑的安全运营造成威胁 支护结构作为临河基坑的主要挡土结构其变形影响着基坑施工以及周围建筑的安全 远程、及时地掌握基坑围护结构的变形信息可有效避免事故的发生 因此针对临水基坑的自动化监测与分析尤为重要基坑支护结构的监测主要通过全站仪、倾角计、测斜仪、贴片式应变计等传感器 然而传统监测技术的监测效率较低且存在漏检的情况难以满足水闸、港口等临水或地下水位较高条件下的基坑监测要求 随着光纤监测技术的快速发展已有多种传感光缆或传感器被应用于基坑监测中 等将传感光缆粘贴于 型钢板上并基于布里渊光时域分析技术()对基坑的围护结构变形进行监测证明了该项技术在结构健康监测中的优点王进等利用布里渊光频域分析技术()对某沿海城市地铁基坑工程的地下连续墙进行了精细化监测并与传统监测技术对比验证了光纤监测方法的有效性 等将弱光栅技术应用至上海某基坑工程中实现了基坑地下连续墙变形的远程自动化监测为基坑的安全施工提供了参考 而针对将光纤监测技术应用于临水基坑的围护结构监测的研究较为匮乏本文将弱光纤光栅监测技术()以及光纤光栅技术()应用至临水基坑支护结构的监测 通过在围护桩内布设 传感光缆以及支撑上布设 轴力计实现临水基坑支护结构的远程自动化监测 对比光纤监测结果与基坑内外的水位监测结果本文进一步研究了临水基坑支护结构的变形特点为类似基坑工程提供参考水 道 港 口第 卷第 期 监测原理图 传感原理.传感原理布拉格光纤光栅是利用材料的光敏特性在光纤纤芯内形成一定间距的空间相位光栅 光栅的折射率沿光纤轴向呈周期性调制分布具有良好的波长筛选能力 当入射光从 解调设备中发出时满足特定条件的光会被反射其余的入射光则继续沿光纤传播(图)反射特定波长的光其波长满足()式中:为反射光的中心波长为纤芯的有效折射率 为光纤光栅折射率调制的空间周期当光栅的应力状态和周围温度发生改变时 的波长将发生变化并满足 ()式中:为 波长变化量 为光纤轴向应变 为温度变化为光纤光栅变形系数为光纤光栅温度系数由于 能够对材料的微小变形进行精确测量为此将 附着到弹性元件上即可封装成压力、位移、倾斜及应力等传感器实现多变量传感测试 本文通过将光纤光栅轴力焊接安装固定在钢支撑上实现对支撑的应力状态实时监测图 传感原理.传感原理弱光纤光栅()是一种反射率较低的特种光栅 如图 所示与普通光纤光栅相比当入射光经过光栅点时仅有很小一部分光被反射其余光沿光纤继续传输 因此同一根光缆上可以串联数千个弱光栅 通过分析每个光栅点反射光到达解调仪的时间不同可实现光栅点的定位 与传统光纤光栅相同的是当光栅点附近发生应变或温度的变化反射光的中心波长会随之变化 最终弱光栅技术可实现长距离的实时监测本文将高强度弱光栅光缆布设在支护桩内可以实现对支护桩的应变以及位移的分布式监测 光缆可直接获得支护桩的应变信息其位移计算公式如下所示详细推导过程见文献()()()图 光纤自动化监测系统架构.式中:()为支护桩的水平位移值()为光缆监测的应变 为距支护桩顶部的距离 为支护桩的半径、为常数可通过支护桩的边界条件进行确定.光纤自动化监测系统光纤无线监测系统的构架如图 所示系统主要由三部分构成即传感系统、数据传输系统、应用系统 利用多芯通信光缆将所用传感光缆(器)串联连接通过主光缆引入到监测站内的解调仪器建立传感系统 通过 网络将监测数据传输至云平台在云平台进行数据的预处理后数据被传输至移动终端上 工程师通过移 年 月卢斌强等 基于光纤光栅的水闸基坑支护结构变形自动化监测与分析动终端上的监测软件实时掌控传感器的信息 本文所采用的光纤解调仪型号分别为 与 详细参数如表 所示表 解调仪性能参数表.参数类型通道数波长范围/波长分辨率/重复性/解调速率/供电电源/功耗/工作温度/工程简介.工程概况本文研究案例为泵站的基坑开挖工程 研究区域位于马山大河与曹娥江交汇口右岸曹娥江干堤上 如图 所示基坑北侧为曹娥江大堤南侧为农田和鱼塘 基坑开挖前鱼塘将被拆除基坑西侧为马山闸管理房和彩钢屋顶砖房距离基坑 除管理房外其他建筑在开挖前同样需要被拆除 基坑东侧为农田和村庄村民房屋为两层砖结构距离基坑 基坑最大开挖深度达到.主要开挖深度为.基坑南北向长度约 东西向最大跨度约 整个基坑周长约 .工程地质水文概况图 基坑周边环境平面布置示意图.工程区位于杭州湾南岸的绍兴市区内地势平坦河网密布地面高程主要为.工程区覆盖层主要为第四系冲 洪积、冲 海积、湖 海积等 在勘探深度范围内揭露的主要土层有填土粉质粘土淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、层粉质粘土或粘土含泥粉细砂含泥砂砾粉质粘土及圆砾 详细地层分布以及物理力学指标见图 与表 区内地下水的形成、分布、埋藏及运动等受多种因素的影响 地下水主要赋存基岩或第四系孔隙中由大气降水补给并向江、河等地表水体排泄 根据地下水的赋存条件本区地下水主要为覆盖层表部孔隙潜水、深部砂砾石层承压水图 基坑地质剖面图.水 道 港 口第 卷第 期表 各土层物理力学参数.土层代号土层名称含水量/比重饱和度/压缩模量/快剪凝聚力/摩擦角/()固结快剪凝聚力/摩擦角/()粉质粘土.淤泥.淤泥质粘土.淤泥质粉质粘土.粉质粘土.粉质粘土.含泥粉细砂.含泥砂砾石.粉质粘土.粉质粘土.图 基坑光纤监测点位图.支护结构监测布置本文的光纤监测项目包括围护桩监测与内支撑监测其中围护桩监测采用高强度的 应变光缆内支撑采用 轴力计进行监测 如图 所示 光缆外部为聚乙烯护套并具有金属加强筋增加光缆的强度最内层为感测光纤的纤芯 的监测精度为 轴力计是将光栅封装在金属结构内通过精准获取金属结构的变形信息得到轴力信息 共计布设 个光纤监测桩()分别位于基坑的两个角点与基坑中部位置 此外在基坑中部的横撑与角点处的内支撑分别布设了 个 轴力计用于监测基坑开挖过程中的应力变化 在基坑的内部和外部分别布设了两个水位监测点()用于研究开挖过程中的水位变化以及地下水位与基坑围护结构变形关系在围护桩结构加工过程中将 应变感测光缆、非金属高强密集分布式温度感测光缆绑扎在钢筋笼设计位置上 底部 型回路处弯曲半径应大于 底部安装位置选择钢筋笼最底部一根加强筋位置下放到开挖的沟槽内浇注成型最后进行桩头的保护 轴力计通过焊接安装架固定在钢支撑上监测点设置在支撑内力较大或在整个支撑系统中起控制作用的杆件上 安装时注意轴力计托盘的中心应与钢支撑的轴线一致防止偏心对监测结果产生影响 传感器安装完毕后将引线沿着钢支撑上表面引至线路集成点 监测结果.地下水位监测结果如图 所示开挖前期基坑内外的地下水位变化较小变化范围均在.左右 四个水位监测传感器的采样时间间隔均为 基坑内部由于开挖的影响水位监测数据在 月 号中断 基坑外侧(、)水位在 月 日后出现不同的变化趋势 显示地下水位快速下降并在 月 日后保持稳定变化 而 监测点数据则整体表现为平稳变化的趋势 位于河流上游且距鱼塘以及河流较近当 年 月卢斌强等 基于光纤光栅的水闸基坑支护结构变形自动化监测与分析地下水位发生变化时及时受到河水的补给 位于河流的下游距河流较远并且围护桩具有挡水作用其地下水位主要受基坑内部的地下水位变化影响 当基坑开挖导致地下水位发生了较大的下降时的水位出现了相应的快速下降但后期水位均保持在.高程稳定波动这也表明了围护结构具有一定程度的阻水作用 和 地下水位 和 地下水位图 基坑地下水位监测结果.表 基坑的安全系数与验算.参数安全等级 安全系数(不应小于)安全系数验算整体滑动稳定性一级.二级.三级.圆弧滑动稳定性安全系数.坑底隆起稳定性一级.二级.三级.抗隆起安全系数.支护桩监测结果选取位于基坑中部的两个 光纤监测桩、进行分析 如图 所示桩的变形曲线为中间大两端小的形态最大位移的深度随着开挖面不断下移 监测桩的最大水平位移值为.其深度为 在 年 月 日与 月 日监测桩的位移整体明显增大随后位移速率趋于平稳 如图 所示监测桩的整体位移曲线和最大位移深度与 桩一致但在 年 月 日之前监测桩的变形较小之后出现了明显变形最大的水平位移值为.基坑的围护结构水平位移监测预警、报警值分别为 和 桩的最大水平位移值不足预警值的二分之一 此外基坑的安全系数如表 所示根据基坑整体滑动稳定性和坑底隆起稳定性分别划分为三个等级 针对基坑的安全系数进行验算当基坑开挖完成时整体滑动稳定性与坑底隆起稳定性的安全系数值分别为.和.均满足一级安全等级要求 综上所述在基坑施工期围护结构起到了良好的挡土作用基坑处于安全状态.支撑内力监测结果图 为 个 轴力计的监测数据其中轴力计的正负表示支撑力的方向轴力负值表示支撑受力压缩 开挖的初期横撑和斜撑的轴力均明显增大且曲线斜率相差较小 在 月 日后轴力的增大速率变小且不同位置的支撑所受的轴力不同 其中 处的支撑受力最大 处支撑受力最小并且除 处斜撑外其余斜撑所受应力均小于横撑 靠近斜撑的 较 轴力同样较小 支撑轴力的允许值为 支撑的轴力最大值为 略小于允许值其他支撑轴力明显小于允许值 因此各支撑均起到了良好的支撑作用并处于轴力的允许值内 讨论对比图 和图 可知 侧的围护桩最终的水平位移值小于 侧 对比两侧的地下水位变化情况可知 侧地下水位变化较小而 侧的地下水位在 月 日至 月 日间快速下降并且在水位下降后的一段时间 桩产生较为明显的变形 由于地下水位的下降会进一步使土体压缩随着基坑外侧土体的沉降作用在围护结构上的土压力使其发生较为明显的变形 此外由轴力计的监测结果可以明显看出基坑的横撑所提供的支撑力明显大于斜撑 由于斜撑与围护桩形成了一个三角支撑三角支撑的轴向受力小于横撑这同时使墙角处的围护桩更加稳定水 道 港 口第 卷第 期 桩 桩图 围护桩光纤监测结果.图 轴力计监测结果.结论本文基于光纤监测技术研究了临水基坑开挖过程中支护结构的变形规律并以马山泵基坑工程为例在围护桩以及支撑结构上安装了两种光纤传感器用于变形监测 通过分析监测结果得到以下结论:)基于光纤监测结果可知马山泵基坑工程围护桩的最大水平位移为.深度为 根据轴力计监测结果分析支撑结构最大轴力 小于允许值支撑均提供了有效的支撑力)基坑围护结构外侧的地下水位受开挖的影响发生变化当地下水位下降后土层发生沉降进而增大了围护桩的水平位移值 因此临河基坑开挖时应注意周围地下水的变动)基坑中部的横撑所受的力明显大于基坑边角处的斜撑所受的力这是由于斜撑与围护结构形成了三角撑 因此在类似基坑施工中应较多关注横撑的应力状态参考文献:司鹏飞.临水基坑围护结构的变形控制措施研究.人民黄河():.司鹏飞孙陆军田利勇.临水距离对基坑围护受力变形特性的影响研究.人民黄河():.王传霖.地下水位高度对深基坑稳定性的影响规律研究.工程与建设():.钱巍 梁荣光.南沙某临水软土深基坑变形过大原因分析及处理措施.中国水运:下半月():.李飞 朱鸿鹄 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