基于超弱光纤光栅技术的基坑开挖变形

欧薇; 曹鼎峰; 刘昱宏; 王宏宪; 郭成超; 王纯岩

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501743

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (3) :1205-1212 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501743

论文：建筑科学

基于超弱光纤光栅技术的基坑开挖变形

欧薇 ¹^,² ,
曹鼎峰 ¹^,²^,^* ,
刘昱宏 ¹^,² ,
王宏宪 ³ ,
郭成超 ¹^,² ,
王纯岩 ⁴

作者信息 +

Deformation of Foundation Pit Excavation Based on Ultra-weak Fiber Grating Technology

OU Wei ¹^,² ,
CAO Ding-feng ¹^,²^,^* ,
LIU Yu-hong ¹^,² ,
WANG Hong-xian ³ ,
GUO Cheng-chao ¹^,² ,
WANG Chun-yan ⁴

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摘要

基坑开挖过程其地下连续墙的水平位移是表征其稳定性的重要指标。为研究基坑开挖过程地下连续墙的内力分布和结构变形规律,以北京某基坑工程为例,采用超弱光纤光栅技术对基坑开挖过程地连墙变形进行监测,利用Comsol Multiphysics有限元软件对其变形进行模拟计算,确定其基坑地连墙的水平位移规律。结果表明, 超弱光纤光栅技术能够精准监测到地连墙微小变形,显示应变沿深度的分段变化特征;锚杆位置对地连墙变形竖向分布影响显著,会改变位移曲线形态,本案例中在第二道和第三道锚杆的应变约等于零,对应位移曲线凹凸性改变。

Abstract

The horizontal displacement of the diaphragm wall during the excavation of the foundation pit is an important indicator of its stability. The internal force distribution and structural deformation of diaphragm walls during the excavation of foundation pits is investigated in this paper. Taking a foundation pit project in Beijing as an example, the deformation of the diaphragm wall during the excavation process is monitored using ultra-weak fiber optic grating technology and numerical simulated through the Comsol Multiphysics finite element software. The results show that ultra-weak fiber grating technology can accurately monitor minute deformations of diaphragm walls, revealing the piecewise variation of strain along depth. The location of the anchor bolts has a significant impact on the vertical distribution of deformation of the diaphragm wall, and will change the shape of the displacement curve. In this case, the strain of the second and third anchor bolts is approximately zero, which corresponds to changes in the concavity and convexity of the displacement curve.

Graphical abstract

关键词

分布式监测 / 光纤监测 / 有限元 / 土体变形

Key words

Distributed monitoring / fiber optic sensing / finite element / soil deformation

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欧薇, 曹鼎峰, 刘昱宏, 王宏宪, 郭成超, 王纯岩. 基于超弱光纤光栅技术的基坑开挖变形[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(3): 1205-1212 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501743

OU Wei, CAO Ding-feng, LIU Yu-hong, WANG Hong-xian, GUO Cheng-chao, WANG Chun-yan. Deformation of Foundation Pit Excavation Based on Ultra-weak Fiber Grating Technology[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(3): 1205-1212 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501743

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为缓解地面空间压力,大规模开发利用地下空间成为必然选择,对相关理论知识和施工技术也提出了全新的高标准要求。近年来基坑工程有着向施工面积扩大、开挖深度加深、潜在风险增加等特点,因此,在基坑开挖过程对其变形进行有效监测,防患于未然很有必要。通过对基坑地下连续墙侧向变形进行施工全周期安全监测预警,可以有效评估其稳定性以及对周围环境影响,有利于在开挖过程控制结构形变,及时采取措施应对风险。

近年来,国内外众多学者围绕基坑开挖工程监测技术展开大量研究。常见的有全站仪、倾角仪、近景摄影测量、无人机、合成孔径雷达等。王甫强等^[1]针对全站仪监测的基坑坐标点需进一步换算为水平位移值的问题,提出虚拟中心点,根据基坑外轮廓线计算基坑水平位移值,提高了工作效率。Pei等^[2]基于光频域反射技术改进倾角仪,并结合Frenet-Serret方程优化边坡位移计算方法,实现二维到三维变形测量的转变。隋腾飞等^[3]采用近景摄影测量技术监测基坑变形,利用摄影设备获取基坑二维图像,经图像处理分析变形,具有非接触、测量范围广等特点。Wu等^[4]利用无人机采集基坑图像并转化为点云数据分析,把基坑边坡安全倾角作为安全监测指标,对基坑局部安全状态进行评价。代志宏等^[5]通过永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术长期监测南宁市地表形变情况,发现沉降突变区,进而定位灾害隐患点。

但是基坑常规技术依然有很多限制,测斜仪、全站仪、倾斜仪等,主要为点监测,容易漏检,存在较大误差,且易受施工现场影响,难以满足现代基坑施工监测要求^[6-7]。近景摄影测量技术监测精度不高,易受光照条件影响^[3]。无人机技术适用于开挖深度较小的平整基坑,应用于深大基坑可行性还需进一步工程验证^[4]。永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术受时间失相关、大气延迟效应、高层建筑遮挡影响显著^[8]。

分布式光纤传感技术(distributed fiber optic sensing, DFOS)是近年来随着光纤通信技术发展而兴起的一种在工程领域新型监测技术,主要包括准分布式的光纤光栅传感技术(fiber Bragg grating, FBG)和全分布式的基于布里渊散射的分布式光纤感测技术,后者主要包括布里渊光频域分析(Brillouin optical frequency domain analysis, BOFDA)、布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis, BOTDA)和布里渊光时域反射(Brillouin optical time domain reflectometer, BOTDR)^[9-11]。DFOS以其分布式、长距离、抗电磁干扰、耐腐蚀、高精度等优点,被广泛应用于岩土工程和地质工程安全监测^[12-14]。汤继新等^[15]基于光纤光栅传感和光电成像技术建立起实时监测系统,用于实时掌握基坑开挖过程中支护结构的变形情况,并提出,利用FBG技术测量墙体应变数据准确、可靠,可推广应用于基坑工程安全监测。王进等^[16]采用BOFDA技术进行地下连续墙变形的现场监测方法与技术研究,提出依据分布式光纤监测的应变数据换算地下连续墙位移的计算方法,并提出BOFDA技术能够很好地反映墙体变形的发展过程。胡杨等^[17]通过BOTDA技术对双排圆形桩在基坑开挖过程中的变形及内力响应进行测试,结果表明光纤监测推算的桩身扰度与相应位置的测斜监测的桩身侧向位移曲线规律基本一致。刘杰等^[18]通过室内物理模型试验证明BOTDR能很好地反映测斜管位移,并结合南京某基坑工程案例探明了BOTDR技术应用于深基坑土体水平位移监测的可行性。

然而,FBG属于准分布式光纤感测技术,本质上是一种点监测方法,可以监测的点位有限^[19];BOFDA、BOTDA和BOTDR使用的设备造价昂贵,成本高,监测精度低于FBG,且难以实现在线实时监测^[20-22]。因此,寻求集准分布式和分布式两者优点的技术方法很有必要。超弱光纤光栅(ultra-weak fiber Bragg grating, UWFBG)可以结合这两类方法的优点,实现高灵敏度、高精度、低成本监测。UWFBG的反射率低于1%,远小于FBG的反射率(通常在90%以上),这使得UWFBG的插入损耗小,更适合多点复用,而FBG可能因为高反射率导致信号衰减较大,复用数量受限^[23-24]。同时,UWFBG因反射率极低,对外界环境扰动(如弯曲、振动)更不敏感,适合复杂环境部署。UWFBG需高灵敏度解调技术(如相干检测或光频域反射仪)。大量学者已展开有关UWFBG的研究。Han等^[24]将UWFBG安装在废弃倾角仪,对三峡马家沟滑坡进行实时监测,结果显示UWFBG能识别滑坡的剪切变形带。Han等^[25]还将UWFBG应用于上海地铁18号线基坑项目,根据监测到的应变与开挖深度的关系判断塑性区,证明UWFBG对基坑风险预警起关键作用。罗志会等^[26]为了实时监测古建筑整体迁移过程中的应变和不均匀沉降,提出一种将钢绞索UWFBG传感光缆布设于托盘梁的方法,研究表明UWFBG测量精度高、监测范围广。童广勤等^[27]以三峡八字门滑坡为例,设计了一种基于超弱光纤光栅的多芯变形感知光缆,通过直接埋设的方式使滑坡中失效的测斜管能够再次利用。

现结合北京某基坑工程实例,介绍基于UWFBG技术监测基坑水平位移的原理,依据分布式光纤监测获取的应变数据计算出地连墙变形值,利用有限元软件Comsol Multiphysics建立数值模型对开挖过程进行仿真模拟,并与UWFBG监测结果进行对比分析。

1 UWFBG监测原理

1.1 UWFBG技术原理

UWFBG是一种具有极低反射率的特殊光纤光栅,其峰值反射率低于-20 dB,使其在有高灵敏度和高精度监测要求的场合表现良好,能够满足基坑变形远距离、分布式、实时监测的要求。该技术通过可调谐激光器输出波长不同的连续光,经过电光调制器(electro-optic modulator, EOM)调制和掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier, EDFA)放大后进入UWFBG,利用时分复用技术收集每个光栅点的反射光,并通过检测反射光中心波长的偏移来监测应变或温度的变化。在消除温度影响后,可以准确得到应变值。波长与应变、温度的关系式为

(1)Δλ=K_εε+K_TΔT

式(1)中:Δλ 为布拉格波长偏移,nm;K_ε为应变系数;ε为应变量;K_T为温度系数;ΔT为温度变化量,℃。

1.2 基于UWFBG的地下连续墙位移计算

由于通过UWFBG技术监测到的是基坑应变数据,变形分析过程需要将其转化为位移数据。计算原理如图1所示,假设地连墙均质弹性,取一小段墙体进行分析,在距中性轴y处,应变ε为

(2)ε=

y ρ

式(2)中:ρ为曲率半径,m。曲率与曲线方程导数间的关系为

(3)

1 ρ

w ″ (z) 1 w' (z)] 32

式(3)中:w(z) 为深度z处墙体水平位移。联立式(2)和式(3)并经过两次积分得

(4)w(z)=

∫ 0 z ∫ 0 z ε (z) y

dz²+C₁z+C₂

式(4)中:积分常数C₁ 和C₂ 为两个未知参数,可由地下连续墙的边界条件确定。通过二阶差分法,位移与应变的关系可表示为

(5)

w i + 1 - 2 w i + w i - 1 h 2

ε i y

式(5)中:h为光纤测点间距,m;ε_i为第i个光纤测点测得的应变;w_i 为与ε_i 相对应的位移,据此可进一步表示为

(6)$\frac{y}{h^{2}}\left[\begin{array}{cccccc}1 & -2 & 1 & 0 & \cdots & 0 \\0 & 1 & -2 & 1 & \cdots & 0 \\\vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\0 & 0 & 0 & 1 & -2 & 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}w_{0} \\w_{1} \\\vdots \\w_{n+1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\varepsilon_{1} \\\varepsilon_{2} \\\vdots \\\varepsilon_{n}\end{array}\right]$

若地下连续墙的顶部存在约束,底部嵌固在地基中,可将其视为简支梁模型,即墙体顶部和底部的位移视为0。

2 基于UWFBG的位移监测及分析

2.1 工程概况

以北京某基坑工程作为研究对象。基坑剖面图如图2所示,总体平面面积约59 hm²,地上设置3座塔楼,地下设置2、3层地下室,采取桩筏基础。基坑深度12.2~18.1 m,宽度50.74~162.80 m。基坑主要采用土钉墙+地连墙+锚索或二级土钉墙的支护形式。各地层参数如表1所示。

2.2 光缆布设监测方案

地下连续墙水平位移监测采用的高密度定点密集分布式传感光缆直径为7.2 mm,串联光栅最多可达4 000个,可以在20 000 με量程内实现高精度测量。实际施工过程中,光缆以钢筋笼为载体,沿钢筋笼主筋方向进行铺设,为确保光缆成活率,光缆形成U形回路,以扎带绑扎的方法等间距固定,在桩头位置还需套管保护,避免光缆折断。

现将地质环境复杂的W-02号墙和W-05号墙作为监测对象。W-02号墙和W-05号墙锚杆长度、倾角、预应力等设计条件相同,其中W-02号墙位于基坑拐角,W-05号墙周围荷载情况更为复杂,既处于基坑拐角,也处于基坑中段,且接近基坑底存在小区域放坡开挖,两墙应力状况不同,故将两者进行对比分析。对应测点为W2和W5,W2监测深度为17 m,W5监测深度为16 m,各监测点传感器间距为1 m。记录了2024年1月5日—3月7日之间应变随深度变化的数据。

2.3 监测结果分析

如图3所示为测点W2与W5的应变-深度曲线。监测结果显示,应变在不同深度处呈现出明显的分段变化特征。在锚杆附近,应变分布较为均匀,表明锚杆发挥作用,对墙身施加约束力,限制其变形。在基坑底部以下的区域,应变值通常会达到峰值后逐渐减小。这是因为墙体在基坑底部以下受到的土体侧压力达到最大值,随后由于墙体的嵌固作用,变形逐渐受到限制。对比两个测点,W2随着深度增加,应变值从正值转为负值再转为正,在墙底收敛于零,对应墙体由向基坑外侧,即向土体位移变为向基坑内侧,即向临空面位移再变为向基坑外移动,底部由于土体的嵌固作用,应变值基本为零。在第二道锚杆和基坑底附近存在应变值正负变化的转折点。W5应变值总体为负值,在第三道锚杆附近出现正值,对应墙体整体向坑内移动,在第三道锚杆处有向坑外移动的趋势。在第二道锚杆和第三道锚杆之间存在转折点。在相同深度处,W2的应变值普遍高于W5,W2最小应变值为-51.545 με,最大值为43.518 με,W5最小应变值为-43.518 με,最大值为24.505 με,且前者应变变化幅度大于后者,原因是W5处基坑结构相当于沿墙体变形方向设置支撑,阻挡墙体进一步形变。此外,W2地连墙后地层主要为细中砂和粉细砂,W5除此之外还存在占一定比重的黏土,黏土对变形有一定的抵抗能力,使W5应变值减小。

如图4所示为第二和第三道锚杆附近,即基坑深度为3 m和6 m处应变随时间变化的曲线。3 m和6 m曲线整体趋势相同,在1月23日出现峰值,原因是1月16—27日进行第三层土体开挖,墙体经过一段时间应变逐渐达到峰值,后期受到锚杆锚固作用限制使其变形减小。W2在监测初期3 m处应变绝对值大于6 m处,后期小于6 m处,两条深度曲线总体呈下降趋势,原因是随着开挖进程,土体卸荷作用减少了对地连墙的约束作用,且沿开挖深度约束作用越小;W5在3 m处应变值总体大于6 m处,6 m处应变值在锚杆作用下在零点附近波动。

如图5所示为由式(6)计算的UWFBG位移值示意图,位移-深度曲线随着深度增加总体呈先增大后减小的趋势,在基坑中部出现最大值,且曲线的拐点与应变-深度曲线中转折点出现的位置基本对应。

W2曲线为“上凹下凹型”,这是由于基坑下部区域基本为刚度较大的砂土;W5曲线为“上下无凹型”,这是由于基坑上部存在刚度较小的黏土,符合易顺等^[28]提出的基坑水平变形特征。W2最大位移为70.362 mm,最小位移为-52.993 mm,W5最大位移为112.683 mm,最小位移为0 mm,W2整体位移值小于W5,这是因为W2基坑底下土层强度大于W5,使得墙体上部分向坑内压,下部分反而向坑外凸起,从而使整体位移值减小。

3 有限元分析

3.1 有限元数值建模

为了评估将UWFBG监测到的应变值转换为水平位移值的准确性,使用有限元模拟对比验证。由圣维南原理可知,基坑开挖引起的土层扰动会对附近一定范围内的土体应力分布产生影响,超过一定范围,其在计算实际工程变形时导致的误差将显著降低。根据文献[29-30]中推荐,取一半基坑为研究对象,研究区域约为3倍基坑开挖深度,模型长60 m、高30 m。假设土层为平坦、均质、各向同性的弹塑性材料,开挖过程无地下水渗流。底边设置固定约束,两侧边界无水平位移,规定地连墙在水平和竖直方向上只能进行平行于该方向的变形。土体和地连墙采用固体力学物理接口,锚杆采用桁架物理接口,锚杆横截面积为420 mm²,使用稳态模型。网格划分如图6所示。

3.2 水平位移分析

如图7所示为W2和W5通过数值模拟得到的基坑水平方向位移模拟值与根据UWFBG获得的实测值对比。可以看出,两测点在基坑上部区域模拟值大于UWFBG实测值,W2中下部区域模拟值小于实测值,W5中下部区域模拟值与实测值差距较小,其原因是模拟时将地层简化分析,假设的地层强度不能完全符合实际值,使模拟值与实测值出现差距;数值模拟中出现最大位移的深度小于实测值,原因是数值分析难以完全考虑到开挖过程中现场施工条件、车辆荷载、地层变化等因素的影响,使得结果产生偏差。整体来看,二者变化趋势大致相同,误差最大约为20 mm,说明数值模拟可以应用于基坑位移分析。UWFBG能够体现小区域内结构变形特征,数值分析可以预测未布置测点区域的变形趋势,有效模拟基坑的开挖过程。

综上所述,UWFBG监测环境与实际情况一致,在监测基坑开挖变形过程中表现效果良好,能够灵敏体现小范围内基坑变形规律。有限元模拟未能完全考虑施工过程土壤类型、降水情况、工程进度等情况,故模拟效果与实际监测存在一定差距,但数值模拟可以不受监测点布置的局限性影响。

4 结论

分析了根据UWFBG获得的基坑应变值转换为位移值的过程,建立了基坑开挖有限元模型,对比UWFBG和有限元模拟在监测基坑施工过程的适用性。

(1)UWFBG可获取到基坑开挖过程支护结构水平向位移及随着深度的分布规律,应变在不同深度处呈现出明显的分段变化特征,其分段受土性控制。砂性土刚度大,地连墙插入其中时可作为固定支座(不可旋转),而黏性土刚度小可作为绞支座(可旋转)。

(2)锚杆作用显著,其安装位置决定着地连墙应变曲线空间形态,一般在锚杆位置对应最小的地连墙水平位移。

(3)位移-深度曲线随着深度增加总体呈先增大后减小的趋势,在基坑中部出现最大值。

(4)数值模拟与UWFBG实际监测水平位移曲线形态一致,但大小略有偏差,最大误差为20 mm,其原因是数值建模过程难以完全考虑土层不均匀性、含水量影响以及锚杆作用。

总之,采用UWFBG技术能较好实现基坑施工全周期高精度位移监测,为复杂基坑安全监测提供良好的技术支撑,同时采用数值分析可以起到数据补充作用,并为优化设计与施工方案提供参考。此外,地下连续墙的水平位移在基坑开挖中部达到最大值,应在此处强化支护结构,以此保障基坑支护结构的安全与稳定,为基坑施工的顺利进行奠定坚实基础,减少因支护结构不合理而引发的潜在风险,提高整个基坑工程的可靠性和安全性。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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