基于分布式光纤的桥梁深水桩基钢板桩围堰监测技术.pdf

桥隧工|程基于分布式光纤的桥梁深水桩基钢板桩围堰监测技术陈龙贵（柳州铁道职业技术学院，广西柳州摘要：文章基于分布式光纤监测手段，对桥梁深水基础钢板桩围堰进行受力和变形分析。结果表明：钢板桩桩身应力、应变、弯矩和挠度随着开挖深度的增加而逐渐增大，且在内支撑和开挖面附近出现转折点，峰值出现位置逐渐向桩身下面转移；围堰开挖施工完成后，应变、应力、弯矩和挠度峰值均没有超过规范允许或者材料允许的承受能力；分布式光纤可以为深水桩基围堰提供更加精确可靠的数据，确保施工过程安全。关键词：分布式光纤监测；深水桩基；钢板桩围堰；受力变形中图分类号：U443.16*2文献标识码：ADOl：10.132 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 4 9文章编号:16 7 3-4 8 7 4(2 0 2 3)0 8-0 15 4-0 30引言随着交通运输事业的蓬勃发展，我国已经完成或者正在进行许多大跨径桥梁的规划和建设。在大跨径桥梁的施工过程中，往往需要采用大量形式复杂且体积巨大的桥墩桩基础，在深水中进行桥墩基础建设则需要借助于一些特殊结构。当前大部分深水桥梁桩基础采用钢围堰作为辅助结构，该结构具有强度高、防水性好、经济效益好、可循环重复使用等优点，其中钢板桩围堰是最常用的一种型式1-4。由于钢板桩围堰特殊的施工环境，在水位变动频繁河道的施工安全稳定是比较难控制的，钢板桩围堰一旦出现安全事故，就会造成较大的人员伤亡和经济损失，因而需要做好桥梁桩基钢板桩围堰施工的全过程监测，但是我国对于钢围堰结构施工监测仍处于摸索阶段，当前常用的一些传统监测方法存在测量范围较小、耐久性和长期稳定性都较差等缺陷，对于深水钢板桩围堰这一长期工作量巨大、范围广、要求高和施工周期长的工程不是很适用，因而急需寻找一种更加可靠的监测手段来替代原有监测技术。分布式光纤传感技术作为一种新型传感技术，具有寿命高、精度好、灵敏度佳、耐久性好、抗干扰能力强等诸多优点，在交通、水利、建筑、油气、矿业等领域得到越来越广泛的应用5-7 刀。本文基于分布式光纤监测手段，对桥梁深水基础钢板桩围堰不同施工阶段进行受力变形监测分析，以期能为分布式光纤在深水桥梁桩基钢板桩围堰变形监测的应用提供借鉴。1工程概况某大桥6#墩承台顶标高为+0.5 m，承台底标高为-3.5 m，设计封底厚度为1.0 m。大桥跨越河道处正常水位为6.8 6 m,通航水位为4.0 9 9.2 3m。6#墩承台作者简介：陈龙贵（198 8 一），硕士，讲师，研究方向：桥梁与隧道工程。1545616)河河床底标高为2.5 m，钢板桩设计底标高为8.5 0 m。6#墩承台处岩层从上到下依次为细砂（混夹淤泥）、强风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩以及1微风化泥质粉砂岩，具体参数见表1。该工程施工的重难点在于：（1)6#墩所处地表层为砂石型码头，需进行清障处理，同时钢板桩桩长较长（18.5m)，下沉过程中的垂直度很难控制；(2)基坑开挖深度达到9.6 m，属于深水基坑工程，需要对基坑变形做周密的监测；(3)工程施工期处于汛期后端，受水文气象的影响较大，且围堰距岸线距离仅有19m，需做好开挖期间的各种监测和排水措施。在钢板桩围堰施工过程中很可能遇到部分桩不能顺利下沉、桩身偏差、已施工好的桩随后续打桩继续下沉、相邻钢板桩锁扣渗水等问题，因此，需要在钢板桩围堰施工过程中做好全过程监测。表1河床底岩层物理力学参数表厚度底面高程饱和重度浮重度内摩擦角粘聚力岩层(m)(m)细砂2.50（混夹淤泥）强风化泥质10.50 10.50粉砂岩强风化泥质18.00 28.50粉砂岩中风化泥质2.00 30.50 粉砂岩微风化泥质7.00 37.50粉砂岩(kN/m3)(kN/m3)017.920.018.618.618.6（)(kPa)8.05.0023.7010.07.0026.508.633.0022.008.633.0022.008.633.0022.00154西部交通科技 WwesiemncainsCommunications Science&Technology基于分布式光纤的桥梁深水桩基钢板桩围堰监测技术/陈龙贵(c)3号桩3.2监测仪器设备2钢板桩围堰设计分布式光纤信号采用瑞士产分布式光纤解调仪进6#墩承台尺寸为长15.1m宽9.5 m高4 m，钻行采集；传感器采用金属基索状应变感测光缆，每个监测孔桩桩径为2.2 m,钢护筒直径为2.4 m,围堰采用钢板点光缆长度为6 0 m，传感器接头采用APC接头，每个监桩结构型式，钢板桩顶、桩底标高分别为+9.0 m和测点2 个，采用日本产光纤熔接机对光纤进行熔接施工。-9.50m,围堰面积为17.9 0 m12.60m,围堰内共设置3.3监测方案4道支撑，第1道支撑为中空设计，间距为3.5 m，第2 道由于钢板桩围堰施工采用分步开挖方式，因此分布支撑为中空设计，间距为3.0 m，第3道支撑和第4 道支式光纤测试分为以下几个工况：工况1是在第12 层支撑间距增设中间对撑，间距分别为2.5 m和3.0 m，围堰撑完成和钢板桩围堰打设完成后，工况2 是在第3层内底采用厚度1m的C20混凝土进行干封底施工，整个承支撑和立柱安装后；工况3是在第4 层内支撑和立柱安台分为2 次浇筑，第1次厚度为1.5 m，第2 次厚度为装后；每个工况下各个监测点均进行10 次测试。2.5m。钢板桩围堰设计示意见图1。布里渊散射光时域反射仪的数据采样间距为0.2 5 m，钢板桩采用NSP型拉森钢板桩（有效高度和厚度分测试数据包括桩身应力、桩身应变、桩身弯矩和桩身扰别为0.6 m、0.2 1m 和1.8 cm），弹性模量为2 0 6 GPa，允度。数据监测完成后，先采用小波分析对原始数据进行许最大应力2 7 3MPa，允许最大剪应力15 6 MPa，允许最去噪处理，然后利用移动平均法对数据进行平滑处理，从大抵抗弯矩5 16 kNm。而得到钢板桩各种参数的变化趋势。12600V高程（m）+8.50第1道内支撑嫩身+5.00第2 道内支撑+2.00第3道内支撑+50承台顶面.4-4600V-0.50第4 道内支撑-2.50封底顶面3.50航底=8.50桂底2图1钢板桩围堰设计平面图（mm）3分布式光纤监测方案3.1监测桩点布设在钢板桩围堰施工过程中，选取3根钢板桩（编号1号桩、2 号桩、3号桩)进行分布式光纤安装和监测，监测点布设方案见图2。2.2002.7861666642.782号桩1号桩L检测桩点2.200.2.786-16641664.2.786.12.200图2 分布式光纤测点布设示意图(mm)4监测结果分析最高通航水位+9.2 34让筑水位+8.0最低通航水位+4.0 90土层参数+2.500细砂，混杂淤泥r=17.90.0c=5.05V9=23.7强风化泥质粉砂岩r=20.0c=7.09=26.4-10.50强风化泥质粉砂岩=18.6c=33.09=22.16003.400.323.00346644.1 桩身应变测试得到6#墩钢板桩在不同工况下的应变分布曲线见图3。由图3可知：1号、2 号和3号桩随着开挖深度的增加，应变峰值大小逐渐增大，而应变峰值位置在逐渐下移，钢板桩围堰水平支撑可以有效降低桩身的应变值，并且在支撑处会出现应变的突变情况；由于土体分布不均和每次监测时水体温度有所区别，因此造成应变曲线呈波动状态；当4 道支撑全部施工（工况3）完成后，1号桩、2 号桩以及3号桩的最大应变值分别为10 2 3ue、665 pue 和 8 0 0 pe。微应变（ue）030002004006008001000.12005工况！+工况2工况3长1015-20J3.3007.900微应变(ue)200400600800+工况15工况2工况3101520-(a)1号桩微应变（uE）-2002004006008001000+工况1工况23.3003.400600光纤光栅传感器(b)2号桩长10一工况31520J图3桩身应变测试结果曲线图4.2桩身应力测试得到6#墩钢板桩在不同工况下的应力分布曲线见下页图4。由图4 可知：当12 道支撑施工完成后，1号桩、2 号桩和3号桩的最大应力在2 0 30 MPa，最大应力出现在桩长约10 12 m处；当第3道支撑施工完成后，1号桩、2 号桩和3号桩的最大应力分别为10 5 MPa、80 MPa和7 0 MPa,最大应力出现在桩长12 16 m处；当第4 道支撑施工完成后，1号桩、2 号桩和3号桩的最大2023年第8 期总第19 3期15 5桥隧工程应力分别为2 0 5 MPa、130 MP a 和15 0 MPa，出现在桩长1214 m 处。当4 道支撑全部施工完成后，钢板桩的最大应力为2 0 5 MPa,273MPa,因此在钢板桩施工过程中均满足NSPIV型拉森钢板桩允许应力的要求，施工安全。应力(MPa)050ul51015-20J4.3桩身弯矩测试得到6#墩钢板桩在不同工况下的桩身弯矩分布曲线见图5。由图5 可知：在工况1下，1号桩、2 号桩和3号桩的最大弯矩分别为6 1kNm、32 k Nm和50kNm；在工况2 下，1号桩、2 号桩和3号桩的最大弯矩分别为15 6 kNm、12 2 k Nm和115 kNm;在工况3下，1号桩、2 号桩和3号桩的最大弯矩分别为380kNm、2 30 k Nm和2 6 5 kNm;在不同工况下,3根桩的最大弯矩均 5 16 kNm的抗弯矩要求，施工安全。弯矩转折点与实际支撑点位置基本重合，表明弯矩转折主要是由内支撑和基坑开挖面造成的；随着开挖深度的增加，桩身最大弯矩逐渐增大，弯矩峰值位置也逐渐下移，水平支撑处弯矩会出现明显的突变。弯矩（kN*m）0-200-1000100200300400500一工况15工况2工况315-20J4.4桩身挠度由于本工程桩基处于软土地层中，在基坑开挖过程中，钢板桩不可避免地会出现旋转现象，当进行内支撑施工时，桩身水平位移会受到限制，从而导致桩身挠度发生。监测得到的不同工况下桩身挠度分布曲线见图6。从图6 中可知：在工况1时，由于基坑开挖深度较小，此时各根桩的挠度均较小，且均 5 mm；当第3道支撑施工完成后，各根桩的挠度有较大幅度增加，1号桩、2 号桩100150200250工况1工况2一工况3(a)1号桩01520图4 桩身应力监测结果曲线图弯矩（kN*m）0十-2001520J(a)1号桩弯矩（kN*m）-200-10001520图5 桩身弯矩监测结果曲线图应力（MPa）0-50长101520J应力（MPa）50100150200工况1工况2工况3(c)3号桩-100(b)2号桩0100一工况1工况2工况3(c)3号桩0(b)2号桩0100工况1工况2工况320030050100一工况I工况2工况3200150300和3号桩的最大桩身最大挠度分别为17 mm、14.5 m m 和11.5mm；当第4 道支撑施工完成后，挠度进一步增加，1号桩、2 号桩和3号桩的最大桩身最大挠度分别为23 mm、16 m m 和2 1 mm。随着开挖深度的增加,桩身挠度逐渐增大，但是基坑全部完成后，最大挠度也未超过50 mm,因此本工程施工过程中挠度满足对应的施工规范。挠度（mm）510151520J5结语基于分布式光纤监测手段，对桥梁渗水桩基钢板桩围堰各个施工阶段进行了监测分析，得出如下结论：（1)随着开挖深度的增加，钢板桩的应变、应力、弯矩和挠度均逐渐增大，最大值出现位置逐渐向桩身下移。(2)内支撑和基坑开挖面会造成桩身受力变形出现转折点，合理的内支撑设置位置可以有效减小桩身的受力变形。(3)围堰施工完成后，应变、应力、弯矩和挠度最大值分别为10 2 3e、2 0 5 MP a、38 0 k Nm和2 3mm,均未超过施工或者材料允许值，施工过程安全。(4)分布式光纤监测受环境的影响更小，监测范围更广，耐久性更好，可为深水桩基围堰提供更加精确可靠的数据，可为相关类似工程提供经验借鉴。参考文献1王亭，林海峰，王序，等.芒稻河特大桥深水基础钢板桩及双壁钢围堰比选研究J.交通科技，2 0 2 0,2 99（2)：7-9,14.2王东，成宏永.2 7 m深水钢板桩围堰“逆作法”施工技术J.国防交通工程与技术，2 0 2 1,19（6)：5 4-5 6,39.挠度（mm）2025一工况！工况2+工况3(a)1号桩01520图6 桩身挠度监测结果曲线图001520J510挠度（mm）1520工况！工况2干况3(c)3号桩5(b)2号桩25（下转第17 9页）1015一工说！一工况2工况320156西部交通科技VemiemcainsCommunications Science&Technology富水砂岩夹泥岩不良地质铁路隧道施工技术/吴文富，张军平凝土施工，要制定相应的大体积混凝土施工控制措施。2404.5结构受力监测200施工后及时对围岩压力、接触压力、二衬混凝土应(uu)T160力进行测试。围岩压力测试采用双膜振弦式压力盒，量120程规格2.0 MPa,布置于围岩与初支间；接触压力测试采80用用双膜振弦式压力盒，量程规格2.0 MPa，布置于初支40与二衬防水板之间；二衬混凝土应力进行测试设置于二衬混凝土结构内。5施工效果5.1施工工效DK100+855DK100+980软弱围岩不良地质段于2022-07-20优化措施施工，于2 0 2 2 1 0-2 6 施工完成，工期99d,进度指标为37.9m/月，满足施工要求。隧道于2 0 2 2-1 1-2 0 安全顺利贯通。5.2安全性分析通过优化隧道施工的相应措施，DK100+855DK100+980软弱围岩不良地质段监控量测数据显示隧道变形趋于稳定。优化支护参数后施工段变形最大断面(DK100+975)拱顶沉降累计达到94.7 mm,收敛变化值累计1 1 0.1 mm，如图3、图4所示。监控量测数据均小于预留变形量2 0 0 mm,7 d平均变形速率 1 mm/d,优化施工参数后对隧道变形控制效果明显。200(uu)15010050图3DK100+975拱顶下沉曲线图实测数据07142128354249时间(d)图4DK100+915净空收敛曲线图6结语本文以某铁路隧道为例，研究通过选择相匹配的开挖方法、主动加固围岩、加强支护参数、有利的施工工艺等措施，解决隧道富水软弱围岩不良地质段初支变形大的难题，保证隧道施工安全及结构安全，可为类似项目提供参考。参考文献1 Q/CR 92 47-2 0 1 6,铁路隧道工程风险管理技术规范 S.2李迁.富水软弱夹层隧道涌水塌方风险识别及预防治研究 D.北京：北京交通大学，2 0 2 1.3马伟斌.铁路山岭隧道钻爆法关键技术发展及展望 J.北京：铁道学报，2 0 2 2,44(3)：6 4-8 5.收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 0一实测数据7142128354249时间(d)(上接第1 5 6 页）3钟祺，郑春雨，卫康，等.复杂地质深水环境中钢围堰类型比选及设计研究 J.公路，2 0 2 1,6 6（1 0）：210-215.4万华，赵定发，彭述权.内河深水坡码头双排钢板桩挡水围堰施工及数值模拟研究 J.湖南交通科技，2021,47(3):144-150.5胡杨，郭通达，龙万学，等.基于BOTDA分布式光纤传感技术的双排圆形桩变形特性及内力研究 J.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2 0 2 1,5 3（5）：692-699.6黄晓维，郑建国，于永堂，等.BOTDR分布式光纤传感技术在桩基测试中的应用研究 J.岩土工程技术，2021,35(5):281-285,293.7魏华,王劲松，尚刚，等.混凝土桥梁预埋分布式传感光缆应变监测研究 J.交通科技，2 0 1 9,2 97 6)：72-75.收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 52023年第8 期总第1 93期1 7 9