光纖傳感器在巖土工程中的應用

摘要：光纖傳感器作為傳感器家族的后起之秀，憑借其優(yōu)異的性能近年來在很多領域獲得了廣泛應用和快速發(fā)展。文章介紹了光纖傳感器的工作原理，并以巖土測量和邊坡支護為例介紹了光纖傳感器在巖土工程中的應用，并對光纖傳感器的發(fā)展趨勢進行了簡單分析。

關鍵詞：光纖傳感器；巖土工程；巖土監(jiān)測；隧道監(jiān)測

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）13-0136-03

1光纖傳感器的工作原理

在信息時代，各領域對信息的準確度和可靠性提出了更高的要求，被稱為“電五官”的光纖傳感器在獲取信息方面發(fā)揮了重要作用。光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。隨著技術的進步，傳感器不斷向智能化和精確化的方向發(fā)展，光纖傳感器正是其發(fā)展成果之一。光纖具有良好的物理和化學特性，并具備出色的傳感和傳導性能，還能超越人的生理承受范圍，到達人無法到達的環(huán)境獲取人的感官不能獲取的信息。光纖傳感器作為傳感器家族的后起之秀，憑借其優(yōu)異的性能近年來在很多領域獲得了廣泛應用和快速發(fā)展。

如圖1所示，光纖由高折射率的纖芯和包層兩部分組成，纖芯的折射率大于包層的折射率，包層直徑大致為0.1～0.2mm。光線通過端面透入纖芯，在與包層的交界面處發(fā)生光線的完全內反射，光線反射至纖芯層，經過不斷反射，光線沿著纖芯向前傳播。

光纖傳感系統(tǒng)由光源、光導纖維、光傳感元件，光調制元件和信號處理五部分組成。其工作原理如圖2所示。光源發(fā)出的光經過光導纖維進入光傳感元件，而在光傳感元件中受到周圍環(huán)境場的影響而發(fā)生變化的光再進入光調制機構，由其將傳感元件測量的參數(shù)調制成幅度、相位、偏振等信息，最后利用微處理器進行信號分析。

2光纖傳感器與巖土監(jiān)測需要的契合

隨著社會的進步，巖土工程的難度加大，對技術的要求也越來越高。巖土工程具有不確定性，同時由于設計的復雜性，項目目標往往很難達成。為了盡可能地控制好施工過程，必須充分掌握和利用各種信息，因此我們積極提倡信息化施工。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方，起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖傳感器因其具有不受電磁干擾，信息量大，體積小，重量輕，抗輻射和防潮能力強，靈敏度高，易于與計算機應用相結合等眾多優(yōu)點，成為巖土工程檢測的重要手段。在巖土工程中，通過光纖傳感器檢測技術可以對施工中出現(xiàn)的問題進行及時分析，通過獲得的準確數(shù)據對設計方案進行調整，使效益最大化，能夠實現(xiàn)對大型建筑物的在線實時監(jiān)測，在防止安全事故方面具有重要意義。

3光纖傳感器在巖土測量中的應用

巖土工程主要包括巖土測量、基坑支護、邊坡支護、地下硐室、地基處理和樁基礎等內容。本文以巖土測量和邊坡支護為例探討光纖傳感器在巖土工程中的應用。

3.1光纖傳感器在隧道監(jiān)測中的應用

光纖傳感器在隧道上應用比較成熟，例如武漢的天興洲大橋上有成百上千個光纖傳感測點，時時監(jiān)控橋梁的結構、受力和振動等情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，管理機構就能立即采取措施。以某湖底隧道為例，施工地質條件不理想，難度大，尤其是湖區(qū)沙層分布廣泛，厚度大，對隧道結構采用了分布式BOTDR光纖檢測系統(tǒng)，沿隧道軸向敷設4根光纖，其中兩根全面接著（監(jiān)測隧道整體變形），兩根定點接著（監(jiān)測變形縫和潛在變形處的變形情況）。通過采用光纖傳感器對隧道進行監(jiān)測，實時監(jiān)測隧道變形情況，能夠獲得可靠的數(shù)據，可分析出正確結果，反映隧道實際受力情況，起到隧道的健康監(jiān)測、預防保護作用；能夠體現(xiàn)出光纖光柵傳感器的強大優(yōu)勢，保證了施工的順利進行，提升了施工質量。光纖傳感器在橋梁隧道監(jiān)測方面的應用主要有以下三個方面：對采用新型復合材料的橋梁結構進行監(jiān)測，掌握材料和結構的工作性能；對交通樞紐或具有重大意義的大型橋梁進行健康監(jiān)測，掌握橋梁的正常運行狀態(tài)；對有一定損傷的舊橋進行監(jiān)測，從而了解其健康狀況并采取針對性的維護和加固措施。如圖3所示：

3.2光纖傳感器在邊坡監(jiān)測中的應用

邊坡一般地形地貌復雜，容易受地震、降雨等因素的影響，坡體易發(fā)生變形，容易引發(fā)地質災害，對其長期監(jiān)測是非常必要的。光纖傳感器的引入能夠實現(xiàn)對易滑坡區(qū)段的實時監(jiān)測，及時發(fā)出警報，為邊坡加固和維持穩(wěn)定提供依據。以某工程為例，其所處地區(qū)地形地貌復雜，降水量大，地下水位較高，巖土風化嚴重。公路邊坡長51米，高10米，坡角35°。為了對邊坡進行長期穩(wěn)定監(jiān)測，該現(xiàn)場安裝了近百個光纖傳感器，組成了一個監(jiān)測和預警系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)的布設主要包括以下幾個部分：FBG監(jiān)測抗滑樁、FBG測斜儀、FBG監(jiān)測土釘、多通道擴展模塊、光纖光柵解調儀和數(shù)據采集計算機，數(shù)據處理計算機。

為了監(jiān)測土釘?shù)氖芰顟B(tài)，特選取一根14米的土釘將若干個光纖光柵應變傳感器布設在鋼筋上下表面上，還布設了10個光纖光柵溫度傳感器進行溫度補償，利用土釘應變數(shù)據來計算土釘?shù)妮S力和彎矩沿土釘長度的分布曲線。此外，選取了兩根抗滑樁，在每根H型鋼的兩翼緣板上布設了18個光纖光柵應變傳感器和9個光纖光柵溫度傳感器，并沿樁長用PVC線槽保護傳輸光纖。根據光纖檢測資料，可以判斷坡體下滑力和抗滑力的變化情況。最后，基于網絡和基于Labview平臺的采集和數(shù)據處理軟件，利用計算機對監(jiān)測數(shù)據進行分析，得出邊坡坡表變形和抗滑樁的整體健康狀況。

我國地域廣大，地形復雜，泥石流和山體滑坡是常見地質災害，加之人為因素的影響，使得坡體滑坡事故多發(fā)，因此邊坡穩(wěn)定的檢測非常必要。光纖傳感器在邊坡支護中的應用技術有待于進一步開發(fā)和研究，以發(fā)揮更大作用。

4結語

光纖傳感器以其強大的功能得到了廣泛的應用，幾乎涉及所有重要領域，它能夠代替人類深入很多惡劣環(huán)境使用，解決了許多行業(yè)難題，其目前的發(fā)展趨勢有四個，即全光纖微型化，多參量實時化，高精度實用化和陣列化、網絡化等。隨著技術的進步，光纖傳感器必將擴展到更廣闊的領域，發(fā)揮更大的作用。作為巖土工程工作者，我們要不斷探索和學習傳感器的應用知識，提高工作效率，確保工程質量。

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作者簡介：徐壽龍（1968-），男，江西樂平人，江西江匯地質工程勘察院巖土工程助理工程師。

（責任編輯：趙秀娟）