由于城市建设和经济发展的要求, 越来越多的城市开始地铁建设, 而地铁在地质条件复杂和人口稠密地区兴建, 地铁车站基坑的安全和稳定性日益得到工程界的高度重视, 其中围护结构体系的变形对深基坑的安全发挥着重要作用。基坑围护结构一般选用地下连续墙, 因此进行地下连续墙的应力、应变监测, 控制地下连续墙的变形成为工程研究的重点^[1,2]。

地下连续墙的应力、应变监测大多通过埋入在混凝土中的仪器进行^[3,4,5]。常用仪器有振弦式和差阻式两种类型, 振弦式仪器比较适合监测工程结构物表面, 而不大适用于混凝土埋入式环境。差阻式仪器能很好地适应混凝土内湿度环境, 但仪器电缆和电缆接头是差阻式仪器的薄弱环节^[6,7]。地下连续墙水平变形监测大多采用测斜仪进行人工测量, 而采用测斜仪进行水平变形监测面临一些诸如在埋设过程中易破坏及局部变形过大测斜仪探头难以下放从而导致监测点失效难以保证监测的准确性等问题;对于深度较大的基坑, 使用测斜仪监测效率不高, 难以满足对监测信息量的需求;对于超深超大基坑, 获取深部地下连续墙的变形数据非常困难。

对于上述监测存在的问题, 利用光纤光栅传感器能较好地解决, 已成为国内外混凝土结构监测研究领域的热点。本文以武汉地铁4号线武昌风井的超深地下连续墙为背景, 利用新型光纤光栅传感器, 对地下连续墙的应力、应变进行监测, 再通过系列措施, 保证监测的有效性和可靠性, 为后续的监测方法提供经验和参考。

武昌风井处在武汉市轨道交通4号线越江隧道北侧, 地面标高约26.270m, 外包尺寸为11.4m×27.7m (含围护墙厚) , 基坑开挖深度47.987m, 围护结构采用1.5m厚地下连续墙, 墙深约70m, 混凝土为C35防水混凝土, 抗渗等级为P12。根据地下连续墙不同幅的特点, 将其分幅为N1, N2, N3 3种类型:N1类型有N1-1, N1-2, N1-3, N1-4共计4幅;N2类型有N2-1, N2-2, N2-3, N2-4, N2-5, N2-6, N2-7, N2-8共计8幅;N3类型为转角幅, 有N3-1, N3-2, N3-3, N3-4共计4幅, 地下连续墙分幅布置如图1所示。

场区内覆盖层主要为第四系冲洪积相地层, 基岩为志留系坟头组沉积岩, 岩性为泥岩, 岩质较软。场区地层自上而下情况为:杂填土, 年限在15年以上;粉质黏土, 中间夹5~20cm厚的粉砂、粉土, 厚度为1.2~8.0m;粉质黏土与粉细砂、粉土互层, 粉质黏土单层厚度为3~20cm, 粉细砂及粉土单层厚2~30cm, 厚度为10.3~18.9m;粉砂土, 层状分布, 厚度为5.1~12.1m, 局部夹可塑状粉质黏土;粉质黏土, 灰色、软塑为主, 夹薄层细砂, 透镜体分布;粉细砂, 局部含少量砾石, 层状分布, 厚度为13.8~21.9m;圆砾土, 中密-密实状, 厚度为5.1~10.4m;强风化泥岩, 岩层呈坚硬土夹碎块状, 岩质极软。

由于本工程监测对象为超深地下连续墙, 采取传统监测仪器效率不高, 难以满足对监测信息量的需求且获取深部地下连续墙的变形数据往往非常困难, 而采用光纤光栅传感器具有测量地下连续墙应力、应变的功能, 具有一些新特性:如耐腐蚀、耐久性好;体积小对基体材料几乎无影响;能避免电磁场的干扰;灵敏度与精度高;信号可多路传输, 易实现分布式测量, 且易组成工程自动化监测网络, 适用于对大型工程和危险工程的大范围监控和遥测, 是实现“光纤灵巧结构”的理想器件^[8,9]。本系统选用BGK-FBG-4911光纤光栅式钢筋应力计和BGK-FBG-4200光纤光栅埋入式应变计。

考虑到成本及施工便利等因素, 本监测项目选择1幅进行地下连续墙监测, 在监测地下连续墙中布置1组传感器。因混凝土应力、应变在跨中变化最大, 故选择N2-5监测地下连续墙。如图2所示。

考虑地下连续墙在开挖中受力状态的同时, 由于地下连续墙深度较大, 吊装钢筋笼时需分3节进行, 还需考虑传感器在不同钢筋笼上的位置。安装方式为在钢筋笼背土侧和向土侧主筋上指定位置对称安装1对光纤光栅钢筋应力传感器, 在钢筋笼内部中间指定位置安装1个光纤光栅混凝土应变传感器。

钢筋应力计的立面布置。根据结构计算及实际施工的要求, 传感器的竖向布置方案如图3a所示。具体布设方案为:冠梁下2m布置1组, 弯矩最大处布置1组 (根据结构计算, 在地面以下20~21m) , 钢筋接头处布置1组传感器 (冠梁下23m) , 基坑底板处布置1组 (冠梁下46.5m) , 反弯点布置1组 (冠梁下50.5m) , 地下连续墙最深处布置1组 (冠梁下65m) , 共计6组。

混凝土应变计立面布置。根据上述要求, 同理, 混凝土应变计竖向布置如图3b所示。具体布置方案为:冠梁下2m处布置1组, 弯矩最大处布置1组 (根据结构计算, 在地面以下20~21m) , 在基坑底板处布置1组 (距地面约48m) , 反弯点处布置1组 (根据结构计算, 在地面以下约52m) , 连续墙最深处布置1组 (距地面70m) , 共计5组。

安装传感器前, 将中心波长相近但不相等的传感器分为不同组别, 使每组传感器的中心波长都在光纤光栅解调装置不同的扫描区间内, 便于后期进行传感器的调试和数据输出。部分传感器的编组信息如表1所示。

对于应力、应变传感器的安装, 主要有以下6个步骤。

安装开始前, 主要检查光缆是否中断、接头是否完好、解调仪器通讯连接是否正常、光谱视图是否正常等, 同时记录波长数值与微应变 (或荷载) 间的关系及初始无荷载零读数。

按照监测方案的设计尺寸要求, 从顶部开始确定传感器的尺寸。

将钢筋应力计焊接在钢筋笼主筋上, 将混凝土应变计用扎带绑扎在钢筋笼的架立筋上, 同时注明所有传感器的位置和编号。

传感器的光缆采用串接方式用扎带每隔1m绑扎好, 同时线路不能弯折, 以免影响信号传输。

将2个接头固定连接, 采用适当长度的锡纸完整包裹起来, 在锡纸的外层用电工胶布再包裹一层并涂上一层硅胶, 再在电工胶布的外层包裹一层锡纸。

将保护盒套入预埋管, 线路从预埋管穿出后, 将接头用锡纸包裹并用电工胶布加固, 完整包裹后再将线路放置在保护盒中, 最后将保护盒用塑料薄膜密封。

完成线路的布置和保护后, 将线路连接到解调仪, 并进行传感器通道联测和系统调试。

传感器连接完成后, 对每组传感器进行串联联测。联测过程中, 会出现部分仪器波长无法显示的现象, 连接无问题的情况下, 可以重启仪器进行多次测量, 一般可得到结果。

联测完成后, 将每条通道线路的接头与解调仪的通道一一对应, 进行调试, 主要分为以下3个步骤:①步骤1选取频率为2Hz, 每隔1h保存一次, 将数据文件保存于指定的文件夹。②步骤2动态曲线视图设置。根据波长值, 在y轴范围设置栏中合理设置y轴的范围。③步骤3光参数及光谱视图的设置。将最高峰功率定为63W, 最低峰阈值参数值为-59.8W, 最高峰的带宽个数定为默认的3个。

根据调试完成后部分通道显示结果可知:当前的通道3波长为1 562.805 5nm, 通道6的2个波长为1 528.876 5nm和1 532.154 3nm, 通道7的波长为1 532.154 3nm, 通道8的波长为1 544.368 2nm。

武汉地铁4号线自2013-07-17开始进行基坑的土方开挖及主体结构施工, 于2014年2月主体结构完工。通过对超深地下连续墙布置的传感器进行监测, 监测频率为1h/次, 部分应力传感器数据如表2所示。

根据光纤光栅的传感原理, 可利用拉力计算公式将波长转化成传感器的受力, 受力计算公式如式 (1) 所示:

式中:F为钢筋计的受力变化值 (k N) ;K为钢筋计拉力系数 (k N/nm) ;R₁为应变光栅当前波长值 (nm) ;R₀为应变光栅初始波长值 (nm) ;λ_t1为温补光栅当前波长值 (nm) ;λ_t0为温补光栅初始波长值 (nm) 。

利用应变计算公式, 计算传感器由温度和温度变化引起的应变, 应变计算公式如式 (2) 所示:

式中:ε为应变量 (με) ;K为应变系数, 取正值 (με/nm) ;B为温度修正系数, 出厂时直接给定数值, B=1 000-2.3K (με/nm) ;λ₁为应变栅当前的波长值, (nm) ;λ₀为应变栅初始的波长值 (nm) ;λ_t1为温补光栅当前波长值 (nm) ;λ_t0为温补光栅初始波长值 (nm) 。

根据表2数据, 截取2013-08-01—2013-11-0190d的监测数据, 并对每天输出的实时监测波长取平均值, 通过式 (1) , (2) 计算得到每日的应力、应变值, 如图4所示。

由图4可知, 运用光纤光栅传感器监测的应力变化值轨迹清晰, 稳定连续, 且将图4a应力及应变的变化轨迹与设计值对比, 均处在较小误差内, 具体误差如表3所示。

本文采用新型光纤光栅应力计、应变计对武汉轨道交通4号线越江隧道北侧的武昌风井施工过程进行监测, 监测内容包括地下连续墙的钢筋应力和混凝土应变。在实际工程中体现以下优点。

采用的应力计、应变计埋入到地下连续墙内部, 利用光纤光栅原理能较准确地获得应力应变数据, 同时实现了数据实时采集, 减少了数据的损失。

所获取的数据方便快捷、中断点少, 为后期研究地下连续墙变形分析提供了数据支持。

利用光纤光栅解调仪, 实现了地下连续墙应力、应变数据实时可视化显示, 为施工作业人员提供了实时地下连续墙变形信息。