光纖傳感技術在巖土與地質工程中的應用效果研究

摘 要 近年來，為提升巖土與地質工程的施工質量，光纖傳感技術被應用于混凝土結構健康、樁基工程、基坑、邊坡、溫度場、土體變形等工程監測工作中，并取得了較好的效果，同時也為工程布設、監測系統研發等提供了有力的技術支持，本文就該技術在巖土與地質工程中的應用效果進行了觀察、分析，并對該技術在巖土與地質工程中的未來發展進行了展望。

關鍵詞 分布式光纖傳感技術；巖土工程；地質工程；研究進展

快速發展的社會經濟使我的國基礎工程迅速崛起，大量高速公路、地鐵、隧道項目在各大城市如火如荼地建立起來，由此帶來了對工程設施安全使用的更高要求。為了保證這些基礎工程的安全性，相應的健康評估與安全監測是必不可少的，光纖傳感技術正是在這一背景下，被廣泛應用于巖土與地質工程中的。

20世紀末，光纖傳感技術作為一種新型工程安全監測技術正式面市，與傳統的監測技術和手段不同，該技術以光纖為傳感介質和傳輸通道，使監測范圍拓展到了空間上的連續作業。由于采用了具有強大功能的光纖材料，光纖傳感技術可以在布入被測對象后與其快速變形協調，并達到一次測量即可獲得整個光纖應變或溫度的一維分布圖，如該技術的光纖以網狀分布于被測對象時，即可獲得多維的應變、溫度分布數據，同時還具有高靈敏度、抗電磁干擾、電絕緣性好、耐久性好等特點，因此可以對工程結構的受力變形分布情況進行快速、全面、有效的監測，光纖傳感技術一經推出，就在巖土與地質工程中得到了廣泛應用，尤其是在設施應力、應變、位移等監測中，細分出了包括光纖布喇格光柵技術FBG、拉曼光時域反射分析技術ROTDR、受激布里淵光時域散射分析技術BOTDA等在內的多種技術，為混凝土結構健康監測、樁基工程及基坑監測、邊坡監測、土體變形監測以及工程布設和溫度補償方法方面做出較大貢獻。

1 混凝土結構健康監測

在巖土與地質工程中，鋼筋混凝土結構承受著建筑物的主要重量，而使鋼筋混凝土結構具有如此大承受力的原因是其中的鋼筋結構。當混凝土結構產生裂縫使鋼筋暴露如外部環境，出現銹蝕等現象后，即可對整個混凝土結構產生破壞作用，因此針對混凝土結構的健康監測一直是相關監測中的重點。光纖傳感技術在被應用于混凝土結構健康監測方面的時間并不長，根據其應用情況，在處理鋼筋混凝土結構裂縫和銹蝕監測中僅僅只能在室內試驗中進行，且對裂縫和銹蝕的識別存在較大缺陷，只能作定性評價，而不能做定量評價，在應用過程中還會因為鋼筋銹蝕影響到光纖和鋼筋的變形協調，因此在實際應用中還處于試驗階段，沒有形成成熟的監測工藝[1]。

2 樁基工程及基坑監測

樁基工程在巖土與地質工程中起到承載上部結構工程的重要作用，樁基的強度出現問題，其承載能力就會受到影響，如出現壓縮變形等現象，則會對工程上部結構的安全性構成威脅。長時間的實際應用發現，采用點式傳感器等傳統方式對樁基工程進行安全性監測雖然有一定的效果，但是無法全面監測和反映樁基的受力和變形情況，這就使得監測的效果大打折扣，對于工程安全性的保障不足。而光纖傳感技術可以對樁身應變進行全面監測，因此其應用前景被業界人士一致看好。目前，光纖傳感技術的BOTDR技術利用先進的光纖埋設方法，在鉆孔灌注樁、PHC樁、預制樁的軸力分布、側摩阻力分布和樁身損傷的監測識別中表現出了良好的效果，就該技術在實際應用中的數據處理方法來看，其監測面更廣、監測效果更有效。在混凝土管樁的水平靜載荷試驗中，FBG傳感技術的應用取得了良好效果，證實了相關技術在傳感器埋設工藝方面優于傳統方式，可達到90%以上的傳感器存活率，且獲取的數據在可靠性和精度方面都能夠達到工程監測要求。在獲取抗滑樁內力分布數據時，采用在抗滑樁上布置光纖傳感器的方法，應用BOTDR監測技術，可以對抗滑樁的工作狀態實現從樁體澆注完成到滑坡推力作用的整個過程的應變監測，從而體現出了光纖傳感技術在對樁基受力和變形情況的跟蹤監測中明顯好于傳統監測技術的優勢。

在巖土與地質工程的施工過程中，最容易對工程自身穩定度及周邊建筑物產生影響的施工環節就是基坑工程開挖，因此在施工過程中需要對基坑開挖的全過程進行嚴密監控，避免因操作不得當而使基坑施工質量下降。在對基坑的監測中深部土體的位移監測是重中之重，采用布里淵光時域反射計BOTDR 技術將傳感光纖以特殊工藝放置于測斜管上并埋入土體中，通過實測傳感光纖的應變分布實現對深部土體的實時監測，第一時間獲取土體水平位移的數據。再將安裝了分布式傳感光纖的H型鋼建成基坑工程圍護結構，就可利用其遠程實時分布式測量、溫度自補償等功能對排樁的變形情況進行監測。目前，BOTDR光纖傳感技術已就在樁基工程及基坑監測中的傳感器的安裝和數據處理、溫度補償提出了詳細的操作方法，在監測結果方面表現出了比FREW軟件模擬分析更高的吻合度，但是在實際操作中還存在諸如傳感光纖的布設、傳感器的封裝、運行期間的維護等難以解決的問題，這是相關技術需要攻克的難題[2]。

3 邊坡監測

邊坡監測是巖土與地質工程中預防因強降雨、水位變化、地震等因素引發的滑坡、泥石流等地質災害對周邊公路、住宅、水利設施等造成安全性影響的重要措施。在實際施工中，基于光纖傳感技術的光纖傳感監測系統在對邊坡的長期監測中已具備了實時監測和有效預警的功能，但光纖傳感BOTDR技術的監測效果會因傳感器的分布工藝不同而受影響，比如將傳感器埋入土工織布中對邊坡形變穩定性進行監測就會存在光纖與土體的變形協調性不高問題，而采用在錨桿和框梁安裝光纖直接埋入土體中的工藝，則會顯現出更好的監測效果[3]。

4 土體變形監測

針對巖土與地質工程的土體變形監測一直是光纖傳感技術難以攻克的難題。目前比較有效的方法是根據不同層位的失水壓縮變形規律，將18個光纖傳感器埋入第四系松散地層段中合理的立井井壁破壞監測層位，結合地層應變與水位變化的關系，以高精度的FBG傳感技術對土體變形情況進行實時監測，已成功揭示了膨脹土失水致裂機理和膨脹土裂隙性特征[4]。

5 工程布設和溫度補償方法

光纖傳感技術在應用于巖土與地質工程的安全監測時，為保證監測效果，需要結合工程實際情況確定科學的布設方法和溫度補償。在對灌注樁情況進行監測時，可在主筋側面以一一對稱的方式固定光纖，這樣更便于對兩組數據進行對比，同時也可更好的檢測出加載時出現的偏壓。另外，在鋪設光纖時，應盡可能保證光纖挺直，并對接頭處采取保護措施。保證鋼筋與光纖的變形協調性的有效方法是利用特種膠水或接頭固定光纖，并將裸露在外的光纖套上保護用的波紋管。針對預制樁的監測，需在樁身上用切割工具按設計方案和光纖的具體尺寸開槽，將光纖放入槽內定點固定，再用高強膠劑填充，使光纖得到保護。遇到上下樁對接的情況，應保證光纖也做好對接，同時加強對光纖的保護，并將多余的光纖包裹上特殊的保護層后打入其中。樁接頭處和樁頭外露的光纖應進行重點保護，以防止其因擠壓、撞擊或電焊火花的影響而失去監測功能。

6 光纖傳感技術在巖土與地質工程中的應用前景分析

就目前光纖傳感技術在巖土與地質工程中的應用情況來看，已取得了多項研究成果，并獲得了較好的監測成績。但其中還存在一些問題，如針對設備研發中光纖傳感器的封裝、研制、溫度補償等還需提高，同時加強設備的數據采集能力，是確保光纖傳感技術未來健康發展的基礎。另外，如何加強傳感光纖與工程巖土體的協調變形、匹配和耦合，一直是制約該技術在巖土與地質工程中應用推廣的重要障礙，需在未來的研究中加以重視。在實際的監測過程中，光纖傳感技術在識別異常數據以及分析挖掘數據處理方法和手段方面還存在欠缺，需要進一步完善。這些光纖傳感技術在巖土與地質工程中的應用技術問題，是相關研究人員需要繼續努力的方向。

參考文獻

[1] 杜柯.巖土與地質工程中分布式光纖傳感技術研究進展[J].世界有色金屬，2017，（01）：66，68.

[2] 吳軍玲.光纖傳感技術的應用進展[J].甘肅科技縱橫，2017，46（07）：

7-10.

[3] 柴敬，張丁丁，李毅.光纖傳感技術在巖土與地質工程中的應用研究進展[J].建筑科學與工程學報，2015，32（03）：28-37.

[4] 高磊，陳暉東，余湘娟，等.巖土與地質工程中分布式光纖傳感技術研究進展[J].水利水運工程學報，2013，（02）：93-99.

作者簡介

周裕強（1971-），男，漢族，重慶永川人， 本科學歷，研究方向：礦山巖土。