光纖傳感技術在房屋監測中的應用探索

■ 李 超 Li Chao

光纖傳感技術在房屋監測中的應用探索

■ 李 超 Li Chao

為探索光纖傳感技術在房屋監測中的應用效果，同時采用光纖傳感技術和傳統人工測量技術兩種方式，對房屋的相對沉降、傾斜和裂縫發展三方面信息進行了監測，并對兩種測量方式的結果進行了對比分析，結果表明光纖傳感技術與傳統人工技術測量結果基本接近。

光纖傳感技術；相對沉降；傾斜；裂縫發展

0 引言

光纖傳感技術是通過對光纖內傳輸光某些參數（如強度、相位、頻率、偏振態等）變化的測量，實現對環境參數的測量。按照折射率的分布，光纖光柵可以分為周期光纖光柵與非周期光纖光柵，其中周期光纖光柵是最普通和常用的。若按照折射率變化的周期長短，光纖光柵可以分作長周期光柵和短周期光柵兩類。短周期光柵又被稱作布拉格光柵（簡稱FBG），光柵的周期一般小于1μm；長周期光柵又被稱作傳輸光柵（簡稱LPG），光柵的周期大于1μm。布拉格光柵是一種在光纖中制成的折射率周期變化的光柵，其周期不同，反射光的波長也不同。當這種帶有布拉格光柵的光纖受到拉伸或壓縮以及所處溫度發生變化時，其周期發生變化，從而反射光的波長也改變，通過測量反射光波長的變化即可得知光纖所受的應變或所處的溫度值[1]。

光纖傳感技術作為工程領域的一項高新前沿技術，在軌道交通、橋梁、軟土地基、滑坡監測等方面已有較多應用[1-3]，既有短期的檢測測量，也有長期的動態監測。目前工程上采用的光纖傳感器測量系統主要由4部分組成：光源、光信號傳輸、傳感頭、光電轉換及信號處理。同傳統的電傳感器相比，光纖光柵傳感器在傳感網絡應用中具有非常明顯的技術優勢。光纖傳感技術也存在不成熟之處，如成本價格相對較高、易受到外部環境影響（溫度、濕度等）、材質脆弱等缺點。

目前在既有房屋監測領域，間斷性測量是常用的方法，多采用水準儀、經緯儀、裂縫刻度儀等儀器人工監測房屋的沉降、傾斜、裂縫。傳統房屋監測儀器存在一定的局限性，如安裝困難、監測范圍小、長期穩定性差、不能及時準確地傳遞給建設、管理和維修等部門所需要的信息。因價格昂貴等原因，雖然目前光纖傳感技術在房屋監測中已有少量應用，但主要用于保護建筑等重要建筑物。為探索如何在既有房屋監測中應用光纖傳感技術，本文通過上海市某基坑施工影響周邊房屋監測項目，采用傳統人工測量技術和光纖傳感技術（FBG）對房屋進行施工影響監測，以對比研究光纖傳感技術（FBG）在房屋監測中的應用方法和實際效果。

1 工程概況

上海某項目，擬建地上建筑1棟局部17層塔樓的高層建筑，塔樓高度不超過82m，設有4層裙房和2層地下室。該項目總建筑面積25 344m2，其中地上面積18 806m2，地下面積6 538m2。項目基坑面積3 057m2，基坑延長220.6m，基坑開挖深度約11m。位于基坑施工影響范圍內的房屋共有9幢，本次選取對其中的4#建筑物沉降、傾斜及裂縫發展進行監測。

4#建筑物由2個4層混凝土框架結構組合而成，中間設置伸縮縫。南側的建筑物為4-1#，北側為4-2#建筑物。其中4-1#建筑物總高12.8m，為兩跨5開間的混凝土框架結構，開間間距為4m，兩跨跨度均為6m，建筑物總寬12m，總長20m。4-1#建筑物與基坑施工的最近距離為10.3m（圖1、2）。

圖1 4#建筑物與基坑施工的平面關系

圖2 4#建筑物與基坑施工的剖面關系

2 監測方案

在本次監測中，同時采用光纖傳感技術和人工測量技術對房屋進行監測，在相同位置設置相應的監測點進行監測和對比。

在光纖傳感監測系統中，光纖傳感器兩端均為聯絡通信線，光纖傳感器的信號可以通過兩端連接到主機。本次現場共使用5個傳感器，因數量較少，可直接通過部分串聯的形式將所有傳感器連接到主機上，其中Q-1與C-1串聯，L-1與L-2串聯，C-2單獨一根網線，上述3根光纜連接到控制主機上。主機內部設置無線模塊，無線模塊通過Internet網與控制端進行連接，控制端設置在室內辦公地點。

2.1 傾斜監測

2.2 沉降監測

圖3 監測點布置圖

圖4 現場安裝好的光纖傾斜計

圖5 現場安裝好的光纖水準儀

2.3 裂縫監測

根據前期墻體觀測的情況，選取4-1#樓與4-2#樓伸縮縫處較明顯的裂縫（此處沒有結構上的意義，本文主要為探索性的對比分析，具體位置見圖3），監測該處的兩條裂縫寬度。其中一條為伸縮縫形成的裂縫，定義此裂縫編號為L-1，位于4-1#和4-2#建筑物中間；另外一條位于4-1#建筑物圍護墻體上的裂縫，定義此裂縫編號為L-2（圖6、7）。光纖傳感監測中，裂縫寬度采用光纖裂縫計，從一道支撐拆除開始，到二道支撐拆除為止，全過程進行測量和數據采集。光纖傳感監測中，需要通過溫度傳感器進行溫度修正，分別在L-1、L-2監測點安裝溫度傳感器。人工測量方案中，采用裂縫刻度儀進行裂縫監測。

3 監測結果分析

采用光纖傳感技術和人工測量技術兩種方式，本次監測共進行了26d，采集了2個監測點相對沉降值、2個監測點裂縫寬度值和1個監測點傾斜值。光纖傳感采集頻率為1hz，每分鐘產生60個數據，數據量龐大，本文列出的為每隔1h的數據。

以C-2處監測點數據為例，兩種方式所監測的相對沉降值對比分析見圖8。對于相對沉降值，光纖傳感監測和傳統人工測量結果的發展趨勢相同，數值雖存在一定的差異但數值大致接近。光纖傳感監測中日內相對沉降值出現周期性波動，可見光纖傳感器測量相對沉降時受環境溫度影響較大，但總體上能夠反映房屋相對沉降的變化趨勢。

兩種方式所監測的傾斜率對比分析見圖9。因本次監測的建筑物在監測期間的傾斜變化較小，導致利用兩種監測方式所采集的數據在一個較小范圍內波動，兩者之間的對比結果不明顯。

圖6 L-1處現場安裝的裂縫計

圖7 L-2處現場安裝的裂縫計

圖8 兩種測量方法中C-2處相對沉降對比圖

兩種方式所監測的L-1處裂縫寬度值對比分析數據見圖10。兩種方式所監測的裂縫寬度發展趨勢相同，裂縫寬度數值基本接近。本次對比結果說明對于存在寬度的一定裂縫，傳統人工測量和光纖傳感技術測量效果都較好，數據較為可信，但光纖傳感技術可以不間斷、實時監測裂縫發展情況。因L-2監測點處裂縫寬度太小，無法通過傳統人工測量方式進行測量，故對比結果不再給出。

從對相對沉降、傾斜和裂縫發展的監測結果看，光纖傳感器可以24h不間斷測量，彌補了人工測量的缺點，利用光纖傳感技術可以實時掌握相對沉降、傾斜和裂縫的發展趨勢，基本滿足房屋實時監測的需要。在本次監測中，雖然通過溫度傳感器對溫度進行了線性修正，但光纖傳感器受溫度等環境因素的影響仍然比較大，因此在應用光纖傳感技術進行房屋監測時，應注意盡可能消除環境所帶來的影響。

圖9 兩種測量方法傾斜對比圖

圖10 兩種測量方法中L-1處裂縫寬度發展對比圖

4 結語

光纖傳感技術作為一種前沿的自動化監測信息技術，可以自動采集監測信息且不受人工影響，在應用于房屋監測領域時能夠24h不間斷監測房屋沉降、傾斜和裂縫等信息，可以實時掌握房屋沉降、傾斜和裂縫的發展趨勢，為房屋監測提供了有效的技術手段，特別是在房屋安全預警等方面具有較好的應用價值。實際工程中，可以根據項目自身特點，將光纖傳感技術與其他測量技術結合使用，發揮各種監測技術的優勢，取長補短，以更有效地開展房屋監測工作。

[1]史彥新,張青,孟憲瑋.分布式光纖傳感技術在滑坡監測中的應用[J].吉林大學學報(地球科學版),2008, 38(5):820-824.

[2]莊一兵, 詹龍喜,許準,丁勇.基于光纖光柵技術的地鐵隧道沉降監測[J].上海國土資源,2012,33(3):76-78.

[3]王建平.光纖光柵傳感器在土木工程結構健康監測中的應用[J].貴州工業大學學報(自然科學版),2004,,33(1):77-80.

Exploration of Application of Optical Fiber Sensing Technology in House Monitoring

In order to explore the effect of applying optical fiber sensing technology in house monitoring, it monitored data of relative settlement, inclination and crack development of house with both optical f i ber sensing technology and traditional manual measuring technology, and carried out comparative analysis to results obtained from such two measuring methods. The results show that the optical f i ber sensing technology is basically close to traditional manual measuring.

optical f i ber sensing technology, relative settlement, inclination, crack development

2016-03-31）

李超，上海市房屋安全監察所工程師。