光纖監測技術在土木工程中的應用

羅朝欽

（六盤水市六盤水師范學院， 貴州 六盤水 553004）

0 引言

現如今，土木工程的結構形式以及基礎設施復雜程度逐漸提升，在建筑工程施工中，逐漸涌現出很多新型施工材料以及結構形式。隨著使用年限的增長，有些土木工程逐漸暴露出質量隱患，對此，需采用先進的監測技術，掌握土木建筑工程安全現狀。光纖監測技術是一種先進的監測方式，具有良好的物理化學特性，并且傳感性良好，因此，對光纖監測技術在土木工程中的應用方式進行深入研究迫在眉睫。

1 光纖監測技術的特點及分類

光纖傳感器系統是由多種設備所組成的，包括光電探測器、信號處理器、光源、光導纖維、光調制機構以及接口等等。在光纖傳感器的實際應用中，可以將光波作為信息載體，另外，可將光纖作為傳輸媒質。對于光纖中的光波傳輸情況，可根據以下公式進行計算：

在上述公式中，E0指的是光波的振幅；ω指的是頻率；φ指的是初相角。公式（1）是由 5個參數所組成的，具體包括強度、頻率ω、波長相位(ωt+φ)以及偏振態，在敏感頭內部，被測物體可以與光發生相互作用，在此過程中，如果光的強度發生變化，則可以被稱為強度調制光纖傳感器，以此為依據，可產生頻率調制光纖傳感器、波長調制光纖傳感器、偏振態調制光纖傳感器等等。

光纖傳感器的類型有很多種，根據傳感器的應用原理不同，可以將其分為兩種類型，即非本征型傳感器以及本征型傳感器。其中，在非本征型傳感器的應用中，光纖的功能為信號傳輸，而對于各類信號的感知，則是由化學敏感元件所完成的。另外，本征型傳感器的光纖功能不僅包括信號傳輸，同時還具有感知功能，在外界因素的影響下，光纖的特征參量也會隨之發生變化。根據測量空間的分布情況，可將光纖傳感器分為三種，具體包括點式光纖傳感器、準分布式光纖傳感器以及分布式光纖傳感器。

2 土木工程光纖傳感技術應用要點

2.1 光纖傳感器保護材料的選取

在對光纖傳感器的保護材料進行選擇時，需要綜合考慮以下幾點：第一，要求光纖保護材料應該具備一定的強度，避免在光纖接口位置發生磨損；第二，選擇具有適宜厚度的保護層材料，確保其在埋入后，不會對結構的應力狀態造成不良影響；第三，對于保護材料，應該能夠與土木工程結構進行有效結合；第四，保護材料應具備良好的防腐蝕能力，盡量避免受到外界復雜環境因素的影響。

2.2 工藝研究

在對智能結構進行制備時，應該研究出能夠實現批量生產的工藝和技術，具體而言，需注意以下內容：在埋入光纖傳感系統結構時，應該注意盡量避免對智能結構的使用性能造成不良影響；準確確定光纖傳感器探頭的安裝位置；對固化工藝進行升級優化，盡量避免在固化操作過程中對傳感器探頭以及光纖施加應力。

2.3 光纖光柵交叉敏感的消除

光纖光柵對于各類傳感變量均具有一定的敏感性，具體包括應力、溫度、應變等等。如果講光纖光柵應用于多個參量的傳感過程中，則應注意妥善解決好增敏和去敏問題。對于被測量物體，應提升其靈敏度，對于非測量物體，則應降低其靈敏度。比如，在對建筑工程基礎底板進行監測時，可預埋光柵傳感器，對底板的應力狀態、應變狀態等進行監測。在明確光纖光柵的特征參量之間的關系后，即可制定出溫度監測、應變監測的雙參量光纖傳感器。

3 光纖監測技術在土木工程中的應用

3.1 在橋梁監測中的應用

橋梁工程為大型土木工程，在對橋梁工程結構進行監測時，重點監測參數包括以下幾點：第一，車輛荷載信息，主要包括車輛在中、車流密度、車輛實施分布情況等；第二，環境荷載信息，具體包括環境中的溫度荷載、風荷載等等；第三，結構信息，比如橋梁工程結構頻率、周期等等。在對橋梁工程應用光纖監測技術時，首先需要對橋梁工程的結構特點進行分析，綜合考慮橋梁工程結構的薄弱點、施工技術、橋梁結構重要程度等因素，選擇適宜的監測點，然后在橋梁工程中安裝傳感器，對于各個傳感器，可采用光纖連接方式，在傳感器的應用中，即可對橋梁工程監測信息進行全面收集和整理，及時發現橋梁工程的安全隱患，為橋梁工程維修管理提供可靠依據。

3.2 在邊坡穩定監測中的應用

在土木工程中，邊坡是一種比較常見的工程形式，如果土木工程邊坡穩定性降低，則容易發生一系列地質災害，比如泥石流、花盆、巖崩、沉陷等等，隨著各類地質災害的逐漸發展，就會對土木工程造成嚴重破壞。在對邊坡穩定性進行監測時，可采用光纖監測技術，比如，采用光纖光柵測斜儀對軟土地基的側向變形情況進行監測，采用分布式光纖光柵對測量樁的位移進行監測等等。在光纖監測技術的實際應用中，首先需要布置抗滑樁樁身彎矩測試傳感器，然后再分別安裝錨桿拉力測試傳感器以及坡面位移測試傳感器，對于各個傳感器，可采用光纖進行串聯，對于傳感器測量所得結果，要求匯總至計算機中進行數據處理分析。

3.3 在地下工程災害監測中的應用

現如今，在土木工程施工中，對于地下空間的利用率逐漸增加。在進行土木工程地下結構施工中，容易受到復雜水文條件的影響，在施工過程中容易發生突涌水、塌方等事故，施工難度和安全管理難度比較大，如果控制不當，則會引發嚴重的事故。對此，在地下工程施工中，也需要積極采用先進的光纖監測技術。地下空間的光纖傳感體系是由五種傳感器所組成的，具體包括流速傳感、應變傳感器、溫度傳感器、位移傳感器以及滲壓傳感器，這幾種傳感器的監測對象分別為流速、應變、溫度、位移以及滲壓對于地下工程巖體的破壞過程，對于監測所得數據，要求進行匯總，然后進行系統性分析，如果參數達到臨界值，則需要發出預警信號，為施工人員起到警示作用，施工人員可據此及時采取有效的應對策略。

3.4 在基坑監測中的應用

在土木工程中，基坑工程是十分重要的組成部分，基坑工程的建設和發展對于土木工程建設會產生較大影響。在對土木工程進行監測時，應該積極采用先進的智能結構系統理念，在土木工程中埋設光纖，將光纖作為傳感元件，對基坑結構的強度、變形情況以及施工質量等進行監測管理，進而形成智能化水平較高的土木工程，對結構監測參數信息進行采集、處理和分析。在對基坑工程進行監測時，還可以在基坑內部設置智能結構監測體系，對基坑工程進行動態監測。現如今，光纖監測技術也逐漸被應用于基坑工程監測中，對于光纖傳感器，可以隨著鋼筋混凝土結構埋設至土壤中，進而實現動態監測。在鋼筋混凝土結構中，光纖傳感器不應隨意拜訪，當埋入光纖時，如果對混凝土進行搗固和壓實處理，都可能會對光纖傳感器造成損壞，影響傳感器的使用性能。對此，在光纖傳感器表面，可配套使用金屬導管，外包一條與混凝土膨脹系數較一致的金屬導管，然后再講光纖傳感器埋入至小型預制構件中。另外，在基體材料與光纖之間，還應該使用具有良好性能的膠結劑。

3.5 在隧道監測中的應用

在土木工程中，隧道是由圍巖以及支護結構所組成的，在對隧道工程進行監測時，需要綜合考慮圍巖以及支護結構的變形以及二者之間的相互作用，這也是隧道工程監測的重點。在對隧道工程進行監測時，監測重點包括圍巖的變形情況、隧道位移、圍巖壓力、錨索受力、裂縫等等。

4 結語

綜上所述，本文主要對光纖監測技術在土木工程中的應用方式進行了詳細探究。在對土木工程進行監測時，傳統的人工目視、機電類傳感器監測方式已無法滿足當前監測工作實際需要，而光纖監測技術具有及時性、精確性高等應用優勢，通過將其應用于土木工程監測中，能夠詳細了解土木工程實際情況，為土木工程安全質量管理提供可靠依據。