柯 磊 李 紅 劉 坤 陳明銀

（1.中鐵五局集團第五工程有限責任公司，湖南郴州 423000；2.蘇州南智傳感科技有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

隨著我國城市化的不斷發(fā)展，多數城市開始對地下空間進行開發(fā)和利用[1-3]。保障城市軌道交通、深基坑以及地下綜合管廊等地下工程的安全施工成為新的挑戰(zhàn)。地鐵作為城市地下工程的核心基礎設施，其穩(wěn)定性評價尤為重要。由于城市地鐵工程建設一般緊鄰既有道路、隧道、管線等，施工工況較為復雜。地鐵車站基坑的開挖將不可避免地影響周圍結構的穩(wěn)定性[4]。此外，地鐵的建設也常常面臨著復雜的不良地質條件，例如軟土、濕陷性黃土、巖溶、軟硬巖共存等[5-6]。這對車站與隧道的支護結構和地鐵的主體結構變形量控制與評價提出了嚴格的要求。

結構變形的評價方法可以分為數值模擬[7-8]和現場監(jiān)測[9]。數值模擬方法可較為直觀、全面地了解結構在各種荷載作用下的變形。例如，白曉宇等[10]基于有限元模擬研究了土-巖組合地層深基坑圍護結構的變形規(guī)律。朱彥鵬等[11]通過數值模擬方法建立深基坑結構的變形和滲流三維模型，對開挖過程中的支護結構的變形進行了評價。江中華[12]針對地下車站主體結構在運營期不同荷載條件下的力學響應進行三維全尺寸的精細化數值分析。數值模擬的準確度取決于模型預設的參數與土體和結構的實際參數差異大小。然而在復雜的地質條件和工況下通常難以準確獲得土體的真實物理力學參數，因此，模擬結果與實際結果存在差異。通過對車站施工過程中的結構變形進行監(jiān)測可以準確地獲取其變形信息，進一步分析結構的穩(wěn)定性。鮑樹峰等[13]提出根據圍護墻水平位移最大值、水平位移最大值的變化率等組合基坑安全風險預警指標特征參數，并根據實際監(jiān)測數據對基坑的安全狀態(tài)進行評價和預警。商大勇[14]對地鐵車站的基坑支護體系下陽角部位的結構變形和土體沉降進行監(jiān)測，并分析了變形規(guī)律。張 楠[15]基于兩個典型巖-土地基深基坑工程案例的監(jiān)測數據，分析了巖-土地基基坑的變形特點。在復雜地質條件下通過對結構或周圍土體的監(jiān)測是一種高效可行的方法。然而，目前的研究多針對地鐵施工過程中或地鐵運營期的監(jiān)測與評價，車站施工間歇期的結構變形規(guī)律的研究較為匱乏。特別處于軟土-巖石地基的條件下，由于軟土的承載力較低，車站的主體結構完工后，地基仍有可能產生較大的壓縮變形。車站的主體結構發(fā)生的差異性沉降將影響地鐵的安全運營，甚至誘發(fā)結構產生局部的裂隙。因此，軟土-基巖條件下地鐵車站施工間歇期的結構變形監(jiān)測研究對于地鐵的安全運營以及類似工程的設計具有重要的意義。

本文將布拉格光纖光柵（FBG）傳感技術應用于軟土-基巖條件下地鐵施工間歇期的車站主體結構監(jiān)測。多個FBG 傳感器被布設于車站的頂板、底板以及墻柱結構中。為了對比不同地基條件下結構的變形規(guī)律，本文選擇位于軟土-巖石地基和巖石地基兩個典型的監(jiān)測剖面進行研究，并針對結構變形的差異性進行了分析。

1 監(jiān)測原理

1.1 光纖布拉格光柵（FBG）感測技術

布拉格光纖光柵（FBG）是纖芯折射率沿軸向呈周期性變化的光柵。當入射激光波長與FBG 的周期滿足布拉格條件時，光柵處的溫度或應變的改變將引起光柵周期的變化[16]。光纖芯層和包層半徑同時變小，通過光彈性效應改變了光纖的折射率，從而引起光柵波長偏移[17-18]?；趹兣c光柵波長偏移量的線性關系，被測結構應變或者溫度可通過計算得出[19]。布拉格光纖光柵具體傳感原理見圖1，相關計算公式見式（1）。

圖1 FBG 傳感原理

式中：λB為 光纖光柵的中心波長；neff為光柵折射率；Λ為光柵周期。

由式（1）可知，FBG 反射的波長 λB與柵格間距及光纖折射率相關，當光纖發(fā)生軸向變形及溫度變化時即可引起柵格間距及折射率的漂移，從而反射波長也發(fā)生相應漂移，即通過測量 λB漂移量，即可得光纖的變形量或溫度變化量。

應變和溫度與中心波長λB的 均為線性關系，其關聯公式如式（2）所示：

式中：α?為光纖光柵應變靈敏系數；αT光纖光柵的溫度靈敏度系數；ΔT為溫度變化值；?為應變。

1.2 FBG 應變計

FBG 埋入式應變計如圖2 所示，FBG 埋入式應變計利用光纖光柵作為微測力元件。當傳感器受到軸向拉伸或壓縮時，傳感器的彈性敏感元件所受的作用力發(fā)生改變。同時光纖光柵波長發(fā)生相應的變化。在室內標定試驗確定傳感器的應變與光柵波長的線性系數后，FBG 傳感器可以對結構的變形量進行監(jiān)測。此外，FBG 埋入式應變計通過增加溫度參考光柵實現溫度的自補償功能，可以有效剔除溫度變化對應變測量引起的誤差。光纖光柵埋入式應變計常被應用于結構內部應變監(jiān)測，其靈敏度高，穩(wěn)定性好。傳感器參數見表1。

表1 FBG 埋入式應變計參數

圖2 FBG 埋入式應變計

2 案例分析

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域概況和地鐵車站傳感器布設如圖3 所示，研究區(qū)域位于廣東省深圳市軌道交通14 號線的坳背站，建筑總面積約為40928 m2。區(qū)域周圍存在較多的既有建筑，基坑開挖深度約為19 m，因此，車站的監(jiān)測工作尤為重要?；娱_挖范圍內的土層淺部主要為素填土和粉質黏土，在8.8 m 深度以下存在微風化碎屑灰?guī)r，其中不均勻分布溶洞。軟土地基區(qū)域主要由黏土、粉質黏土、粉土組成。表2 為軟土地基土層的基本物理力學指標。本文的研究內容是在車站主體結構完工以及上覆回填土覆蓋完成后的主體結構變形規(guī)律。因此，相比于不同深度的地層差異性，橫縱向的軟硬土的分布差異性對本文的研究更為重要。如圖3（a）所示，根據前期勘測結果，確定了軟土-巖石的潛在分界面。以基坑的兩個典型剖面A0-A1、B0-B1為例，本文將分析軟硬分布不均條件下的車站主體結構變形特點。

表2 軟土地基地層基本物理力學參數

圖3 研究區(qū)域概況與地鐵車站傳感器布設圖

坳背站為地下二層雙島式站臺車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。車站頂板埋深為5.4 m，中板埋深為11.45 m，底板埋深為19.65 m。為確?；邮┕ぐ踩偷叵陆Y構運營安全，結合本地下站的工程特點及技術條件，項目重點監(jiān)測了巖溶發(fā)育區(qū)的軟土-巖石界面車站底板、頂板、柱體等結構。采用FBG 傳感器監(jiān)測結構變形，FBG 傳感器的布設示意圖如圖3（b）所示。同時為了對比軟土-巖石地基與巖石地基車站結構變形差異性，B0-B1剖面的主體結構上被布設與A0-A1相同的傳感器。

2.2 傳感器布設

FBG 埋入式應變計在混凝土澆筑前綁扎于鋼筋骨架上（見圖4（a）、圖4（b））。傳感器兩端的引線根部采用扎絲或扎帶將其固定至鋼筋上，隨混凝土澆筑即可實現埋入式應變計的植入。傳感器安裝完成后采用便攜式FBG 解調儀檢測傳感器的存活率并記錄傳感器的初始波長（見圖4（c））。FBG 埋入式應變計采用專用光纜引線接續(xù)，并固定至鋼筋上沿鋼筋引出（見圖4（d））。其中，引線的過彎處需要以大于5 cm 的彎曲半徑引出。引線在穿過鋼筋混凝土結構時須穿套保護管過渡保護。最后，線路被集成至FBG 無線解調儀上，解調儀參數見表3。

表3 光纖光柵解調儀性能參數

圖4 光纖光柵傳感器埋設保護現場照片

2.3 監(jiān)測結果

（1）A0-A1剖面結構監(jiān)測結果

A0-A1車站板結構FBG 監(jiān)測結果如圖5 所示。如圖5（a）所示，針對車站頂板和底板布設的傳感器進行編號，從A0至A1，傳感器編號分別為Li-j（i=1,2,3;j=1,2,…,6,i表示樓層，j表示每層傳感器編號）。軟土-巖石的潛在分界面約位于車站剖面的中間。如圖5（b）所示,車站頂板的中部應變具有不斷增大的趨勢，最大值為25.3 μ?。而車站兩側應變則不斷地減少，最小值為-28.6 μ?。頂板的應變變化范圍較小，且車站兩側變形較為對稱。如圖5（c）所示,車站底板整體變形不斷增大，并呈現不均一性。L3-2 和L3-4 處的應變在11 月6 日之后快速增大，最大值分別為61.6 μ?和47.9 μ?。位于巖石地基范圍內的結構變形較大，而位于軟土范圍內的結構變形較小。

A0-A1車站墻柱結構FBG 監(jiān)測結果如圖6 所示。車站地下二層的墻柱結構具有明顯的壓應變，且不斷增大，最大壓應變約為249 μ?。不同位置處的墻柱應變呈現中心大兩側小的趨勢，整體曲線為倒U 型。車站中部整體應變分布在150～250 μ?范圍內。同一根墻柱的上下兩個位置的FBG 應變傳感器呈現了不同的應變值。其中，L2-4 與L1-4 處傳感器數值相差較大，應變差值為114 μ?，并且該位置位于軟土-巖石交界面附近。

圖6 A0-A1 車站墻柱結構FBG 監(jiān)測結果

（2）B0-B1剖面結構監(jiān)測結果

B0-B1車站板結構FBG 監(jiān)測結果如圖7 所示，軟土-巖石潛在分界面位于B1側的車站邊界附近。該剖面布設了三層板結構的監(jiān)測點位，其編號規(guī)律與A0-A1類似。如圖7（b）所示，頂板整體應變變化較小，應變范圍在-20～+15 μ?之內。而車站中板的應變則較為復雜，從B0側開始，應變的增大和減小趨勢交替出現，即L2-1 與L2-4 應變明顯增大，L2-3 與L2-5 應變明顯減小。并且在12 月28 日時，L2-1 的應變比L2-4 處大22 μ?，L2-3 處的應變比L2-5 處大13 μ?。這表明車站中板整體呈現B0側變形值大于B1側（見圖7（c））。如圖7（d）所示，車站的底板變形規(guī)律較為明顯，除位于軟土附近的板結構具有明顯的變形，其余均表現較為一致的微弱變形。

圖7 B0-B1 車站板結構FBG 監(jiān)測結果

B0-B1車站墻柱結構監(jiān)測結果如圖8 所示，L1-3和L2-3 處的應變最大值分別為35.6 μ?和34.2 μ?，L1-3 和L2-3 處的壓應變最大值分別為-52 μ?和-64 μ?。同一根墻柱的不同位置的應變近似相等。且變化規(guī)律較為一致，在靠近軟土地基處的墻柱出現應變增大，其余墻柱均表現為不同程度的應變減小的趨勢。且與圖6 中的監(jiān)測結果相比，B0-B1剖面處墻柱變形較小，壓應變最大值約為A0-A1剖面處墻柱壓應變最大值的1/4。

圖8 B0-B1 車站墻柱結構FBG 監(jiān)測結果

3 討論

對比不同地基條件下的車站主體結構的變形可以發(fā)現，巖石地基條件下的車站主體結構整體變形明顯小于軟土-巖石地基條件下，且變形較為均一，僅在靠近軟土的結構出現了較為明顯的變形。墻柱的不同位置的變形規(guī)律和變形量較為一致。而軟土-巖石地基條件下，底板位于巖石部分出現了較為明顯的變形，位于軟土部分的結構變形量相對較小。

不同地基條件下車站底板變形差異示意圖如圖9（a）所示。軟土-巖石交界面可以被視為一個等效支點，位于軟土部分的板結構由于底部承載力不足隨著軟土的壓縮整體向下移動。這將導致位于軟土部分的結構的彎曲變形較小，而由于等效支點的支撐作用，位于巖石部分的板結構將呈現中部隆起的變形特點，即具有明顯的彎曲變形。因此，底板在等效支點附近和巖石地基范圍內具有較為明顯的彎曲變形。如圖9（b）所示，由于B0-B1處的土-巖分界面位于結構邊緣處，因此只有靠近軟土地基的結構存在較小的彎曲變形。

此外，圖6 中同一墻柱的不同位置存在變形差異較大的現象。不同地基條件下車站墻柱變形差異如圖10（a）所示。車站地下二層的板與墻柱結構可以視為矩形結構，當該結構全部位于軟土或全部位于巖石地基時，相鄰的墻柱的變形量相差較小。因此，矩形結構表現整體的壓縮變形，同一墻柱結構的不同位置的應變相差較小。而位于軟土-巖石交界面附近的矩形結構，底板的變形差異性導致相鄰的墻柱結構變形明顯不同。在底板和中板的作用下，墻柱不但受到壓縮變形還承受一定的剪切變形，因此表現為同一墻柱的不同位移的變形相差較大。而對于結構全處于巖石地基條件下，其墻柱的整體變形也相應的較為均一（見圖10（b））。

圖10 不同地基條件下車站墻柱變形差異示意圖

4 結論

本文以深圳地鐵坳背站為研究案例，采用FBG應變計對不同地基條件下的車站主體結構的變形進行自動化監(jiān)測?；诒O(jiān)測結果對軟土-基巖條件下的車站施工間歇期的結構變形進行分析，得到以下結論：

（1）軟土-基巖地基的車站結構變形明顯大于位于巖石地基處結構的變形。車站底板的最大應變值為62 μ?，車站地下二層的墻柱結構最大變形為249 μ?。

（2）軟土-基巖條件下的車站結構變形顯示明顯的差異性。車站的底板位于軟土部分的彎曲變形小，而位于巖土交界面和基巖部分出現明顯的彎曲變形。這是由于巖土分界面起到了等效支點的作用，隨著軟土的壓縮變形，位于軟土部分的結構整體下移，而位于巖石部分的結構在等效支點的作用下出現了彎曲變形。

（3）位于巖土分界面附近的車站墻柱結構的變形具有明顯的差異性。這是由于巖土分界面附近的相鄰墻柱的差異性沉降導致車站的板結構將剪切力作用傳至墻柱上。因此位于巖土分界面附近的墻柱結構同時承受著壓縮和剪切變形。