光纖檢測技術及其在巖土工程中的應用分析

石勝江　馮勇

摘 要：光纖具有損耗低頻帶寬傳送信息量大、線徑細、重量輕、可繞性好、無感應節省資源等特點，光纖能集信息傳輸與傳感于一體，由它構成的傳感器只需一光源和一探測線路就可以對沿光纖傳輸路徑上長達數千米甚至數十千米的信息（如應力溫度損傷狀況等）進行測量與監控。目前已在通訊水利工程計算機自動控制生物醫學計量測試交通運輸國防軍工以及家用電器等許多領域獲得了廣泛的應用，本文主要針對其在巖土工程領域的應用現狀加以介紹，并結合現狀對光纖檢測技術在該領域的發展前景做一定的展望。

關鍵詞：光纖檢測技術 巖土工程 應用分析

引 言

作為一種新興的檢測技術，光纖檢測技術的理論研究仍在進行，以后的發展趨勢應該在于，能夠在實際工程中普遍應用的，且滿足工程檢測要求的傳感器的制造方面。而且，對于光纖及傳感器的埋設方式，也需要進一步的研究，在這些方面，具有較大的發展空間。光纖在檢測技術方面也有很寬的應用范圍，例如，利用其低損耗、無感應性進行檢測數據傳送和以前的光檢測，利用光纖的細線徑、柔軟性、電絕緣性等特長的檢測，以及用光纖做傳感器的檢測等。光纖光柵傳感器主要用Bragg光纖光柵或其它類型光纖光柵（如長周期光纖光柵、啁啾光纖光柵等），但真正適合應用于巖土工程中的光纖檢測技術卻是很有限的，光纖檢測技術以其獨特的優勢在檢測界備受青睞，引入我國僅僅幾年時間就在多個領域得到推廣應用。

一、巖土工程中信息化施工的重要性

信息化施工是指在施工過程中，通過設置各種測量元件及儀器，及時采集現場實際數據并且加以分析，然后根據分析結果對原設計和施工方案進行必要的調整，并反饋到下一階段的施工過程當中，對下一施工過程進行分析和預測，從而保證工程施工安全、經濟地運行。隨著社會經濟與科學技術的不斷發展，巖土工程項目越來越向大規模、高技術、高難度的方向發展。人們對工程質量以及工程的進度、成本、安全可靠性也提出了越來越高的要求。可是由于巖土工程的復雜性和不確定性使得這些要求難以得到實現。同時由于影響設計的因素眾多復雜、設計參數難以準確確定、設計方法不夠完善等原因，經常使得設計計算結果與實際工程狀況有較大的差異。傳統的“設計-施工”模式往往難以確保項目目標的實現，因此我們必須充分利用施工過程中所獲得的信息，對設計和施工進行動態調整、控制，使巖土工程項目施工可以安全順利地完成，還可以節省投資，從而收到更好的經濟效益和社會效益。

二、信息化施工條件與傳感器的選擇

要進行信息化施工，必須具備一定的條件：首先，要有合適的測量元件及儀器;其次，要進行實時監測從而可以及時獲得工程現場實際信息;第三，要有相應的分析預測模型與方法;第四，應用計算機。很顯然，傳統的巖土工程檢測技術很難滿足以上要求。而光纖傳感與檢測技術卻完全可以勝任這一角色，相對于傳統的傳感器如應變片、壓電晶體等電類傳感器以及射線、聲發射、超聲波等無損檢測儀器，光纖傳感器具有以下優點：

（1）光纖傳感器超高電絕緣，不受環境的電磁干擾;

（2）光纖傳感器頻帶寬，信息量大，并可基于復用技術將許多傳感器接到一根光纖上，也可以在一條光纖上布置多個相同或不同物理量的測點，從而降低了單個傳感器或測點的成本;

（3）光纖傳感器體積小、重量輕、柔韌、易于布置、耐腐蝕、抗輻射、可埋入性好，可用于水下、潮濕、易燃易爆、高能輻射等環境，無需任何防護進行長期監測;

（4）光纖極細，可塑性好，一般總直徑約為100～200μm，可放置在小孔和縫隙等被測場點，而且對被測場點擾動小，不會改變結構的受力狀態;

（5）光纖能實現長距離檢測與信號傳輸;

（6）光纖傳感技術可進行干涉測量從而提高檢測靈敏度;

（7）光纖可以實現網絡式布置;

（8）光纖傳感技術更容易與計算機的應用結合起來，從而可以更快速更全面地反映工程實際情況。可見，光纖檢測技術比傳統的檢測技術有著更大的優勢，在巖土工程檢測中有著更廣闊的應用前景。

三、光纖檢測在巖土工程施工中的應用

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。巖土工程包括基坑支護、邊坡支護、地下峒室、地基處理與樁基礎等多方面的工程內容，特別是對于一些重大工程，需要保證施工過程有很高的安全度，又要盡量節約造價這就必須增加監測力度及監測范圍。傳統的電磁傳感檢測技術如應變片等，相比于光纖檢測來說主要有以下不足之處：

（1）不夠精確，現場用電設備多，易造成電磁干擾，而光纖檢測不受電磁干擾;而且傳統的電磁傳感元件容易受到地下水或混凝土中一些化學物質的腐蝕，但光纖主要成分是二氧化硅，極不易受到腐蝕。因此光纖檢測受干擾小，結果更真實。

（2）傳統的電磁傳感檢測技術數據收集難度大，特別是測點多的時候，信息反饋速度慢，數據處理過程繁復。而在光纖檢測技術中，可利用多路復用技術及分布式傳感技術，將各測點用單芯光纜聯至一大光纜（這些都埋于地下），延伸至檢測中心的一臺微機上。這樣就實現了數據信息的實時收集。然后在電腦中用相關程序對數據進行及時處理，當處理結果超過預設的報警值時就及時發出報警信號。從而可以及時修改設計，增加或減少相關測點處的土釘數量或及時采取其它應急措施，保證工程在盡可能節約造價的同時達到安全施工的目的。

（3）光纖傳感檢測技術在對錨桿支護時錨桿的預應力變化，對地下連續墻圍護結構中（包括支撐）的應力、應變和位移、撓度變化，以及對邊坡或巖體深部滑動面的位置和滑距變化或對大壩內部裂縫的產生與發展過程的實時監測，同樣能得到很好的應用。此外，光纖傳感器在隧道上應用比較成熟，通過采用光纖傳感器對隧道進行監測，實時監測隧道變形情況，能夠獲得可靠的數據，可分析出正確結果，反映隧道實際受力情況，起到隧道的健康監測、預防保護作用;能夠體現出光纖光柵傳感器的強大優勢，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測，掌握橋梁的正常運行狀態;對有一定損傷的舊橋進行監測，從而了解其健康狀況并采取針對性的維護和加固措施。

總 結

巖土工程作為建筑工程的基礎施工工程，巖土工程施工質量的好壞直接關系到整個建筑工程的安全性、穩定性、耐久性、適應性等，從而影響到整個建筑工程的質量。隨著信息化時代的到來，巖土工程施工信息化也將會變成今后巖土工程施工的主要發展方向，而且將光線檢測技術運用到巖土工程上可以更加快速、準確的檢測出巖土工程施工現場的環境及其他數據，更加有效的提高巖土工程施工質量。

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