光纖檢測技術(shù)及其在巖土工程中的應(yīng)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(yīng)節(jié)省資源等特點，光纖能集信息傳輸與傳感于一體，由它構(gòu)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(shù)千米甚至數(shù)十千米的信息（如應(yīng)力溫度損傷狀況等）進行測量與監(jiān)控。目前已在通訊水利工程計算機自動控制生物醫(yī)學(xué)計量測試交通運輸國防軍工以及家用電器等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，本文主要針對其在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀加以介紹，并結(jié)合現(xiàn)狀對光纖檢測技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展前景做一定的展望。

關(guān)鍵詞：光纖檢測技術(shù) 巖土工程 應(yīng)用分析

引 言

作為一種新興的檢測技術(shù)，光纖檢測技術(shù)的理論研究仍在進行，以后的發(fā)展趨勢應(yīng)該在于，能夠在實際工程中普遍應(yīng)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(shè)方式，也需要進一步的研究，在這些方面，具有較大的發(fā)展空間。光纖在檢測技術(shù)方面也有很寬的應(yīng)用范圍，例如，利用其低損耗、無感應(yīng)性進行檢測數(shù)據(jù)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(yīng)用于巖土工程中的光纖檢測技術(shù)卻是很有限的，光纖檢測技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在檢測界備受青睞，引入我國僅僅幾年時間就在多個領(lǐng)域得到推廣應(yīng)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(shè)置各種測量元件及儀器，及時采集現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)并且加以分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對原設(shè)計和施工方案進行必要的調(diào)整，并反饋到下一階段的施工過程當(dāng)中，對下一施工過程進行分析和預(yù)測，從而保證工程施工安全、經(jīng)濟地運行。隨著社會經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，巖土工程項目越來越向大規(guī)模、高技術(shù)、高難度的方向發(fā)展。人們對工程質(zhì)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(fù)雜性和不確定性使得這些要求難以得到實現(xiàn)。同時由于影響設(shè)計的因素眾多復(fù)雜、設(shè)計參數(shù)難以準(zhǔn)確確定、設(shè)計方法不夠完善等原因，經(jīng)常使得設(shè)計計算結(jié)果與實際工程狀況有較大的差異。傳統(tǒng)的“設(shè)計-施工”模式往往難以確保項目目標(biāo)的實現(xiàn)，因此我們必須充分利用施工過程中所獲得的信息，對設(shè)計和施工進行動態(tài)調(diào)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(jié)省投資，從而收到更好的經(jīng)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(jiān)測從而可以及時獲得工程現(xiàn)場實際信息;第三，要有相應(yīng)的分析預(yù)測模型與方法;第四，應(yīng)用計算機。很顯然，傳統(tǒng)的巖土工程檢測技術(shù)很難滿足以上要求。而光纖傳感與檢測技術(shù)卻完全可以勝任這一角色，相對于傳統(tǒng)的傳感器如應(yīng)變片、壓電晶體等電類傳感器以及射線、聲發(fā)射、超聲波等無損檢測儀器，光纖傳感器具有以下優(yōu)點：

（1）光纖傳感器超高電絕緣，不受環(huán)境的電磁干擾;

（2）光纖傳感器頻帶寬，信息量大，并可基于復(fù)用技術(shù)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(huán)境，無需任何防護進行長期監(jiān)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(jié)構(gòu)的受力狀態(tài);

（5）光纖能實現(xiàn)長距離檢測與信號傳輸;

（6）光纖傳感技術(shù)可進行干涉測量從而提高檢測靈敏度;

（7）光纖可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)式布置;

（8）光纖傳感技術(shù)更容易與計算機的應(yīng)用結(jié)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(shù)比傳統(tǒng)的檢測技術(shù)有著更大的優(yōu)勢，在巖土工程檢測中有著更廣闊的應(yīng)用前景。

三、光纖檢測在巖土工程施工中的應(yīng)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(chǔ)等內(nèi)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(chǔ)等多方面的工程內(nèi)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(jié)約造價這就必須增加監(jiān)測力度及監(jiān)測范圍。傳統(tǒng)的電磁傳感檢測技術(shù)如應(yīng)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(xiàn)場用電設(shè)備多，易造成電磁干擾，而光纖檢測不受電磁干擾;而且傳統(tǒng)的電磁傳感元件容易受到地下水或混凝土中一些化學(xué)物質(zhì)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(jié)果更真實。

（2）傳統(tǒng)的電磁傳感檢測技術(shù)數(shù)據(jù)收集難度大，特別是測點多的時候，信息反饋速度慢，數(shù)據(jù)處理過程繁復(fù)。而在光纖檢測技術(shù)中，可利用多路復(fù)用技術(shù)及分布式傳感技術(shù)，將各測點用單芯光纜聯(lián)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(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的實時收集。然后在電腦中用相關(guān)程序?qū)?shù)據(jù)進行及時處理，當(dāng)處理結(jié)果超過預(yù)設(shè)的報警值時就及時發(fā)出報警信號。從而可以及時修改設(shè)計，增加或減少相關(guān)測點處的土釘數(shù)量或及時采取其它應(yīng)急措施，保證工程在盡可能節(jié)約造價的同時達到安全施工的目的。

（3）光纖傳感檢測技術(shù)在對錨桿支護時錨桿的預(yù)應(yīng)力變化，對地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)中（包括支撐）的應(yīng)力、應(yīng)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?qū)Υ髩蝺?nèi)部裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展過程的實時監(jiān)測，同樣能得到很好的應(yīng)用。此外，光纖傳感器在隧道上應(yīng)用比較成熟，通過采用光纖傳感器對隧道進行監(jiān)測，實時監(jiān)測隧道變形情況，能夠獲得可靠的數(shù)據(jù)，可分析出正確結(jié)果，反映隧道實際受力情況，起到隧道的健康監(jiān)測、預(yù)防保護作用;能夠體現(xiàn)出光纖光柵傳感器的強大優(yōu)勢，保證了施工的順利進行，提升了施工質(zhì)量。

光纖傳感器在橋梁隧道監(jiān)測方面的應(yīng)用主要有以下三個方面：對采用新型復(fù)合材料的橋梁結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，掌握材料和結(jié)構(gòu)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(jiān)測，掌握橋梁的正常運行狀態(tài);對有一定損傷的舊橋進行監(jiān)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(jié)

巖土工程作為建筑工程的基礎(chǔ)施工工程，巖土工程施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個建筑工程的安全性、穩(wěn)定性、耐久性、適應(yīng)性等，從而影響到整個建筑工程的質(zhì)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(fā)展方向，而且將光線檢測技術(shù)運用到巖土工程上可以更加快速、準(zhǔn)確的檢測出巖土工程施工現(xiàn)場的環(huán)境及其他數(shù)據(jù)，更加有效的提高巖土工程施工質(zhì)量。

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