光纖測量技術在巖土工程中的應用

唐世鑫

摘要：光纖測量技術優勢明顯，在巖土工程中的應用越來越廣泛，其中光纖可實現傳輸與傳感雙重作用，作為巖土工程測量的主要技術，在分析邊坡變形位移量等巖土工程測量應用中具有重要作用，基于此，本文以文獻對比法和理論分析法，首先對光纖傳感器與光纖傳感系統進行分析，重點對巖土工程量測與光纖傳感器的應用進行闡述，最后介紹了超長距全分布式光纖量測系統，旨在為提升巖土工程測量技術的創新應用奠定堅實基礎。

關鍵詞：光纖測量技術;巖土工程;傳感器

近幾年在各大類型基建施工過程中，都發生過較大的現場安全事故，如自然災害引起，如工程施工技術不到位引起，不僅造成人員傷亡，同時也造成經濟損失，尤其是巖土工程施工領域，由于巖土地層結構復雜，地下環境惡劣，給施工技術應用造成很大阻擾，因此如何通過先進的巖土工程測量技術，實現對巖土工程的安全監測，促進和保障巖土工程施工災害的準確預報成為當前巖土工程施工的關鍵，在此背景下，提出了光纖測量技術，

1 光纖傳感器與光纖傳感系統

1.1 光纖傳感器的主要類型

1.1.1 基于微彎原理的光纖測量技術

在施工現場中，光纖會受到外力的壓迫而產生微小位移，光纖纖中的傳導模結構就會溢出，進而造成光纖傳輸能力有所下降。在光強、光纖產生的微小彎曲間的位移量發生較大變化時，應確定位移量與外部荷載之前的函數關系，在光纖微彎產生的位移量及對應外力進行確定的過程中，可通過測量和接收光強的形式確定，由于光強與產生的小位移之間的關系屬非線性，因此對應的量程較小，而光強與產生的大位移之間關系是線性的，因此對應量程一般較大。

1.1.2 光纖壓力傳感器

光纖壓力傳感器主要包含以下幾種：反射式光纖壓力傳感器、偏振調制式光纖壓力傳感器兩大類。其中反射式光纖壓力傳感器主要是借助于內置膜片，在受壓彎曲的狀態下，使得反射表面結構易產生彎曲而制作形成。在實際的應用過程中，膜片的選材至關重要，常用的材料為熱穩定性較好的石英膜片。

1.1.3 光纖應變傳感器

此技術的原理主要是當光纖在外力作用下受壓變形，導致光的傳輸特性發生較大變化，一般情況需要借助探測器進行測量，由于外力造成光纖變形的示意圖如下圖1所示。

1.2 光纖傳感系統

1.2.1 單點式

此系統模式在應用過程中具有精確度高、對溫度變化不敏感等特性，主要用于對局部敏感或者特征點的測量，如隧道伸縮縫、壩體結構裂縫等。

1.2.2 準分布式

準分布式系統主要以單點傳感系統為主，結合一定的空間分布特征，針對不同耦合調制類型，針對一根和多根光纖總線的傳播，實現對頻分復用技術的多點測量。與單點式傳感系統相比，主要適應大型基礎的多點監測，如邊坡、隧道、地鐵及對應大壩變形處的關鍵位置。

1.2.3 分布式

分布式系統主要以多根特殊性質的光纖作為基礎傳感元器件，對于所有的光纖來說，任何位置區間的光纖都為固定的傳感單元，且可有效的獲取被測對象沿著光纖空間及時間變化的相關特征參數，并可應用于大型工程體系的整體應變，實現對溫度應變的檢測與分析。

1.2.4 混合式光纖傳感系統

此類系統在應用的過程中，結合了分布式、分布光纖傳感系統的相關優勢，其結構示意圖中，主要利用耦合器、光電探測器等對光源進行吸收，同時進行信號處理，通過傳感光纖、傳感器等提高測量的精確度，進而實現靈活布設、科學控制。

2 巖土工程量測與光纖傳感技術應用

2.1 巖土工程量測

巖土工程量測的主要內容包含有巖土結構性狀、周邊地質環境、相鄰結構及其設施，如壓力、位移、溫度等，在實際的施工過程中，通常可根據布置監測獲取有關變量的變化，對巖土結構的受力狀態、變形影響因素等進行穩定性評價，從而能夠有效的進行風險評估。

2.2 現場量測的基本原則和技術要求

為保障巖土工程的安全施工，提高巖土工程現場施工環境，需要將巖土工程量測納入到整個項目的施工管理體系中，并充分的結合設計量測點及其對應的施測方法，對相關的配置進行管理，以提高施測的精準度。其次，在施測的過程中，要遵循專業器材、測量單元的元件獲取進行定量數據的測量，其中量測的周期及對應的頻率必須要符合規范的要求。

2.3 邊坡變形量測

2.3.1 邊坡變形位移量測點的布設原則

邊坡變形的主要外在體現即位移的變化，其是評價和分析邊坡失穩破壞的主要參數，需要根據邊坡失穩理論，當邊坡位移量、位移速率達到一定使用程度后，實現對邊坡失穩破壞的可能性預測。

2.3.2 巖土體變形光纖位移傳感器

在巖土體變形的初期，變形位移相對較小，但是由于變形過程是連續性的，因此變形的位移量、位移速率之間的可能會迅速增大，因此對于變形較小的土體結構，應依據微彎測量原理，實現對套管的事前加工處理，并成蛇形，形成對巖土各向變形位移的測量。

2.4 擠土試驗變形

為獲取某項目施工中不同深度土體變形的響應規律，準確的估計擠土范圍，借助FBG光纖應變傳感器、分布式應變感測光纜，實時測量測斜管變形。得出樁周邊土體結構有向著試樁孔方向擠壓變形的相關趨勢，樁周圍土體有背離試樁向外擠壓的變形趨勢;沿著水平方向，隨著與樁孔間距的逐步增加，導致土體變形降低。沿著深度方向，4m以下在靠近樁方向水平位移，螺紋管沉管后引起擠土效應不足以抵消引孔造成的土體側向變形。

3 超長距全分布式光纖量測系統

超長距分布式光纖量測系統作用的關鍵問題主要包含有：提高信號的質量、提高信號的采集，控制及處理能力、提高系統的靈敏度和空間分辨率、完善準分布式和分布式系統的相互融合、選擇合理的安裝布設方式等。其基本模式需要依據光纖傳感器系統的測量距離，對同步施測、數據收集處理中心等基本模式進行設計，而中間站是實現超長距離量測的核心，也是對各個單元模塊進行統一控制和管理的基礎。

4 結語

綜上所述，光纖測量技術對于巖土工程檢測及其技術的創新應用具有推動作用，國內外有關光纖測量技術在巖土工程中的應用案例較多，盡管在實際施工量測的過程中仍然存在較多問題，但是只要加強科技創新，不影響其最終的推廣與應用。當前，在新技術研發的過程中，不斷有高性能、低成本的光纖測量技術應用到巖土工程測量中，在實際工程應用的背景下，極大推動了我國巖土工程測量技術的可持續發展。

參考文獻：

[1]寇智勇，關惠平，吉隨旺，賀智工，陶雙江. 光纖測量技術在巖土工程量測中的應用[J]. 防災減災工程學報，2010，30（S1）：251-257.

[2]寇智勇. 光纖測量技術在巖土工程量測中的應用[A]. .中國工程院土木工程與可持續發展高層論壇論文集[C].：，2010：7.