1浙江宁波市轨道交通集团有限公司，冯立力1 郦亮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， 叶挺2 311122
摘要：通过介绍布拉格光纤光栅的制作方法、测试原理及其在测斜管中的埋设方式，将布拉格光纤光栅应用到基坑墙体深层水平位移自动化监测项目。某基坑开挖至底板浇筑过程的监测结果显示，自动化监测与人工监测数据对比：布拉格光纤光栅稳定性好，监测数据变化趋势与理论相符合，与人工监测数据较吻合，能及时反映基坑地下连续墙变形情况，能较好的应用于深基坑墙体深层水平位移测量中。
关键词：Bragg光纤光栅 测斜管 墙体深层水平位移
中图分类号：TU752 文献标识码：B
1.引言
近年来，我国地铁基坑施工过程中出现多次重大事故，如2006年广州地铁3号线石碑桥站基坑坍塌，2007年北京地铁10号线苏州街车站出入口坍塌，2008年杭州地铁1号线湘湖站北2基坑坍塌，2012年武汉地铁3号线王家湾站基坑垮塌。该类事故不仅造成了人员伤亡、经济损失，而且对社会产生极大负面影响，因此如何降低施工风险成了基坑工程首要任务。
围护结构变形速率及累计变形量是判断基坑安全状态的重要指标，传统测斜仪对围护结构变形敏感度低，数据采集处理过程较长，无法做到实时监控，期间围护结构可能发生突变从而错过最佳抢险时期。此外，传统测斜精度受仪器和测量人员的影响较大，测量数据往往存在一定的偏差。因此寻找一种快捷、准确的墙体深层水平位移监测方法代替传统测斜方法至关重要。本文介绍了光纤光栅在墙体深层水平位移自动化监测中的应用。
2.光纤光栅工作原理
2.1光纤光栅传感器发展史
1978年，K.O.Hin等人采用驻波法制成了世界上第一只光纤光栅 ，为光纤光栅的发展奠定了基础[1]。1989年，美国联合技术研究中心发明了UV激光侧面写入技术，使光纤光栅技术的制作技术有了质的飞跃[2]。同年，美国布朗大学门德斯教授首次提出将光纤传感器埋入结构材料中进行安全监控，为光纤光栅在工程应用提供了新思路[3]。
相对于传统的电测传感器，光纤光栅传感器具有更大的优势[4]：①光纤几何形状具有的多面性及可塑性，对被测场点挠动小；②受电磁干扰影响较小；③具有优良的可埋入性，对材料强度影响小；④.灵敏度高；⑤可在高温及有害环境；⑥在共同的基础上可以制成传感不同物理量的传感器；⑦信息损耗小，可远程监控；⑧使用寿命长，可长期在线监控；⑨信息传输量大。
2.2光纤光栅组成
光纤光栅传感系统由3部分组成：①传感头；②光源；③波长探测装置。其工作原理是通过波长漂移(Δλ)对待测量探测光束波长进行调制。光源将宽频光射入光纤一端，由于折射率周期性变化，光纤中向前和向后传输的光波相互耦合,当相互耦合满足布拉格条件时，波长为λB的光功率耦合到向后传输波中，在反射谱中形成λB的峰值，没有反射的透射光谱中则这段光谱，形成λB处的凹陷[5,6]。光纤光栅的基本结构如下（图2.1）：
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图2.1 光纤光栅基本结构
2.3布拉格光纤光栅光谱特性
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3.Bragg光纤光栅工程应用
3.1工程简介
某基坑净宽24.3~25.3m，净长223m。南、北端头井基坑深分别为17.97m、18.42m；标准段基坑深约16.18~16.53m。围护结构为800mm厚地下连续墙，支撑采用钢筋砼支撑＋钢支撑的型式。其中第一道采用钢筋砼支撑，其余四道均采用Φ609钢支撑。基坑采用分段明挖顺作法施工。
本次光纤光栅智能测斜管埋设在标准段21轴附近，测斜管内每根光纤间隔0.5m制作具有不同栅距的Bragg光栅。基坑开挖期间地下连续墙墙底位移水平位移可忽略，即视测斜管管底固定。
3.2数据对比分析
现场根据施工进度同步开展人工、自动化监测作业，自动化监测频率为0.5小时/次，人工监测频率为1天/次。由于光纤光栅灵敏度高，管口位置数据易受施工扰动而产生波动误差，因此本次实验除去管口4m的扰动影响区，其结果如图3.1、图3.2所示。
图3.1为自动化监测下的墙体变形规律：①.随着基坑开挖深度的增加，墙体深层水平位移量随之增大；②支撑架设完成后，地下连续墙上部水平位移发生略微回弹；③地下连续墙体水平位移累计最大值位置在开挖面附近，变化速率最大位置在开挖面以下3~5m处。该变形规律符合软土地区基坑开挖围护结构变形特点。
其中第三层土方开挖期间，测斜管口处变形明显异常，但随后变形恢复正常。结合现场工况，产生该现象的原因为光纤光栅灵敏度高，受施工影响大，随着监测环境的稳定，其变形恢复正常。该结果表明光纤光栅的变形是可逆的，减少施工扰动可消除光纤光栅测量误差。
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图3.2不同工况下自动化监测与人工监测墙体深层水平位移对比曲线：①.人工监测与自动化监测墙体水平位移曲线基本吻合；②.自动化监测显示墙体变形为光滑连续曲线，人工监测显示随着地墙变形增大，墙体单点存在突变现象；③.相对于自动化监测，人工监测管口处数据更为稳定。造成以上差异的主要原因有以下三点：①.人工监测主要依靠探头内的重垂器与电位器角度改变来确定探头的倾角，倾角与探头长度来确定水平位移，其两点间的位移不具有连续性，布拉格光纤光栅两点应变的积分方程计算得到水平位移，因此其位移曲线更具有连续性。②.人工监测与自动化监测数据存在差异的主要原因是测斜仪敏感元件存在零偏，因此其测量结果具有误差；③.光纤光栅灵敏度高，管口处易受到坑边重型机械动荷载、支撑轴力附加以及其他路面施工因素影响，因此管口处误差较大。
4.结论
相对于传统的监测方法，布拉格光纤光栅监测具有以下优势：①数据时效性强，可以随时监测基坑墙体水平位移，从而有效控制风险；②墙体最大水平位移量数据准确，可以有效反应基坑安全状态；③实现自动化监测，可节约人力资源。同时布拉格光纤还需解决以下问题：①监测期间若布拉格光纤光栅发生损伤无法修复；②光栅位置有待优化，由于支撑处地下连续墙受到集中力的影响，该处应变与拟合方程的值相差较大。
参考文献
[1]Yu Youlong,Liu Shenchun,Hwayaw Tam et al.“Time-domain addressing technique for fiber Brgag grating sensor system wihth the function of real time monitoring”[J].Acta OPtica Sinica,25(2005),865-868.
[2]和强.基于布拉格光纤传感器的光纤测温系统的研究[D].北京：北京邮电大学,2011.
[3]赵廷超,黄尚廉,陈伟民等.光纤传感器在混凝土结构内应力检测中的应用[J].压电与声光,1996,18(6):394-399.
[4]姜德生,RichardO Claus.智能材料器件结构与应用[M].武汉:武汉工业大学出版社,2000.
[5]田石柱,赵雪峰,杨卫东.布拉格光栅传感器在土木工程中的应用[J].世界地震工程,2002;18(3):146~151.
[6]徐壮涛,薛伟辰,李杰.光导纤维应变传感器应用技术初探[A].第十届全国纤维混凝土学术会议论文集[C],2003.