光纤检测技术及其在岩土工程中的应用分析

石胜江　冯勇

摘 要：光纤具有损耗低频带宽传送信息量大、线径细、重量轻、可绕性好、无感应节省资源等特点，光纤能集信息传输与传感于一体，由它构成的传感器只需一光源和一探测线路就可以对沿光纤传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息（如应力温度损伤状况等）进行测量与监控。目前已在通讯水利工程计算机自动控制生物医学计量测试交通运输国防军工以及家用电器等许多领域获得了广泛的应用，本文主要针对其在岩土工程领域的应用现状加以介绍，并结合现状对光纤检测技术在该领域的发展前景做一定的展望。

关键词：光纤检测技术 岩土工程 应用分析

引 言

作为一种新兴的检测技术，光纤检测技术的理论研究仍在进行，以后的发展趋势应该在于，能够在实际工程中普遍应用的，且满足工程检测要求的传感器的制造方面。而且，对于光纤及传感器的埋设方式，也需要进一步的研究，在这些方面，具有较大的发展空间。光纤在检测技术方面也有很宽的应用范围，例如，利用其低损耗、无感应性进行检测数据传送和以前的光檢测，利用光纤的细线径、柔软性、电绝缘性等特长的检测，以及用光纤做传感器的检测等。光纤光栅传感器主要用Bragg光纤光栅或其它类型光纤光栅（如长周期光纤光栅、啁啾光纤光栅等），但真正适合应用于岩土工程中的光纤检测技术却是很有限的，光纤检测技术以其独特的优势在检测界备受青睐，引入我国仅仅几年时间就在多个领域得到推广应用。

一、岩土工程中信息化施工的重要性

信息化施工是指在施工过程中，通过设置各种测量元件及仪器，及时采集现场实际数据并且加以分析，然后根据分析结果对原设计和施工方案进行必要的调整，并反馈到下一阶段的施工过程当中，对下一施工过程进行分析和预测，从而保证工程施工安全、经济地运行。随着社会经济与科学技术的不断发展，岩土工程项目越来越向大规模、高技术、高难度的方向发展。人们对工程质量以及工程的进度、成本、安全可靠性也提出了越来越高的要求。可是由于岩土工程的复杂性和不确定性使得这些要求难以得到实现。同时由于影响设计的因素众多复杂、设计参数难以准确确定、设计方法不够完善等原因，经常使得设计计算结果与实际工程状况有较大的差异。传统的“设计-施工”模式往往难以确保项目目标的实现，因此我们必须充分利用施工过程中所获得的信息，对设计和施工进行动态调整、控制，使岩土工程项目施工可以安全顺利地完成，还可以节省投资，从而收到更好的经济效益和社会效益。

二、信息化施工条件与传感器的选择

要进行信息化施工，必须具备一定的条件：首先，要有合适的测量元件及仪器;其次，要进行实时监测从而可以及时获得工程现场实际信息;第三，要有相应的分析预测模型与方法;第四，应用计算机。很显然，传统的岩土工程检测技术很难满足以上要求。而光纤传感与检测技术却完全可以胜任这一角色，相对于传统的传感器如应变片、压电晶体等电类传感器以及射线、声发射、超声波等无损检测仪器，光纤传感器具有以下优点：

（1）光纤传感器超高电绝缘，不受环境的电磁干扰;

（2）光纤传感器频带宽，信息量大，并可基于复用技术将许多传感器接到一根光纤上，也可以在一条光纤上布置多个相同或不同物理量的测点，从而降低了单个传感器或测点的成本;

（3）光纤传感器体积小、重量轻、柔韧、易于布置、耐腐蚀、抗辐射、可埋入性好，可用于水下、潮湿、易燃易爆、高能辐射等环境，无需任何防护进行长期监测;

（4）光纤极细，可塑性好，一般总直径约为100～200μm，可放置在小孔和缝隙等被测场点，而且对被测场点扰动小，不会改变结构的受力状态;

（5）光纤能实现长距离检测与信号传输;

（6）光纤传感技术可进行干涉测量从而提高检测灵敏度;

（7）光纤可以实现网络式布置;

（8）光纤传感技术更容易与计算机的应用结合起来，从而可以更快速更全面地反映工程实际情况。可见，光纤检测技术比传统的检测技术有着更大的优势，在岩土工程检测中有着更广阔的应用前景。

三、光纤检测在岩土工程施工中的应用

岩土工程主要包括岩土测量、基坑支护、边坡支护、地下硐室、地基处理和桩基础等内容。岩土工程包括基坑支护、边坡支护、地下峒室、地基处理与桩基础等多方面的工程内容，特别是对于一些重大工程，需要保证施工过程有很高的安全度，又要尽量节约造价这就必须增加监测力度及监测范围。传统的电磁传感检测技术如应变片等，相比于光纤检测来说主要有以下不足之处：

（1）不够精确，现场用电设备多，易造成电磁干扰，而光纤检测不受电磁干扰;而且传统的电磁传感元件容易受到地下水或混凝土中一些化学物质的腐蚀，但光纤主要成分是二氧化硅，极不易受到腐蚀。因此光纤检测受干扰小，结果更真实。

（2）传统的电磁传感检测技术数据收集难度大，特别是测点多的时候，信息反馈速度慢，数据处理过程繁复。而在光纤检测技术中，可利用多路复用技术及分布式传感技术，将各测点用单芯光缆联至一大光缆（这些都埋于地下），延伸至检测中心的一台微机上。这样就实现了数据信息的实时收集。然后在电脑中用相关程序对数据进行及时处理，当处理结果超过预设的报警值时就及时发出报警信号。从而可以及时修改设计，增加或减少相关测点处的土钉数量或及时采取其它应急措施，保证工程在尽可能节约造价的同时达到安全施工的目的。

（3）光纤传感检测技术在对锚杆支护时锚杆的预应力变化，对地下连续墙围护结构中（包括支撑）的应力、应变和位移、挠度变化，以及对边坡或岩体深部滑动面的位置和滑距变化或对大坝内部裂缝的产生与发展过程的实时监测，同样能得到很好的应用。此外，光纤传感器在隧道上应用比较成熟，通过采用光纤传感器对隧道进行监测，实时监测隧道变形情况，能够获得可靠的数据，可分析出正确结果，反映隧道实际受力情况，起到隧道的健康监测、预防保护作用;能够体现出光纤光栅传感器的强大优势，保证了施工的顺利进行，提升了施工质量。

光纤传感器在桥梁隧道监测方面的应用主要有以下三个方面：对采用新型复合材料的桥梁结构进行监测，掌握材料和结构的工作性能;对交通枢纽或具有重大意义的大型桥梁进行健康监测，掌握桥梁的正常运行状态;对有一定损伤的旧桥进行监测，从而了解其健康状况并采取针对性的维护和加固措施。

总 结

岩土工程作为建筑工程的基础施工工程，岩土工程施工质量的好坏直接关系到整个建筑工程的安全性、稳定性、耐久性、适应性等，从而影响到整个建筑工程的质量。随着信息化时代的到来，岩土工程施工信息化也将会变成今后岩土工程施工的主要发展方向，而且将光线检测技术运用到岩土工程上可以更加快速、准确的检测出岩土工程施工现场的环境及其他数据，更加有效的提高岩土工程施工质量。

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