光纖檢測(cè)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(xì)、重量輕、可繞性好、無(wú)感應(yīng)節(jié)省資源等特點(diǎn)，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(cè)線路就可以對(duì)沿光纖傳輸路徑上長(zhǎng)達(dá)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(jìn)行測(cè)量與監(jiān)控。目前已在通訊水利工程計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制生物醫(yī)學(xué)計(jì)量測(cè)試交通運(yùn)輸國(guó)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(duì)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(duì)光纖檢測(cè)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(cè)技術(shù) 巖土工程 應(yīng)用分析

引 言

作為一種新興的檢測(cè)技術(shù)，光纖檢測(cè)技術(shù)的理論研究仍在進(jìn)行，以后的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該在于，能夠在實(shí)際工程中普遍應(yīng)用的，且滿足工程檢測(cè)要求的傳感器的制造方面。而且，對(duì)于光纖及傳感器的埋設(shè)方式，也需要進(jìn)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(cè)技術(shù)方面也有很寬的應(yīng)用范圍，例如，利用其低損耗、無(wú)感應(yīng)性進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送和以前的光檢測(cè)，利用光纖的細(xì)線徑、柔軟性、電絕緣性等特長(zhǎng)的檢測(cè)，以及用光纖做傳感器的檢測(cè)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(zhǎng)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(cè)技術(shù)卻是很有限的，光纖檢測(cè)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在檢測(cè)界備受青睞，引入我國(guó)僅僅幾年時(shí)間就在多個(gè)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(guò)程中，通過(guò)設(shè)置各種測(cè)量元件及儀器，及時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)并且加以分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行必要的調(diào)整，并反饋到下一階段的施工過(guò)程當(dāng)中，對(duì)下一施工過(guò)程進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，從而保證工程施工安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，巖土工程項(xiàng)目越來(lái)越向大規(guī)模、高技術(shù)、高難度的方向發(fā)展。人們對(duì)工程質(zhì)量以及工程的進(jìn)度、成本、安全可靠性也提出了越來(lái)越高的要求?？墒怯捎趲r土工程的復(fù)雜性和不確定性使得這些要求難以得到實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于影響設(shè)計(jì)的因素眾多復(fù)雜、設(shè)計(jì)參數(shù)難以準(zhǔn)確確定、設(shè)計(jì)方法不夠完善等原因，經(jīng)常使得設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程狀況有較大的差異。傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)-施工”模式往往難以確保項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此我們必須充分利用施工過(guò)程中所獲得的信息，對(duì)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整、控制，使巖土工程項(xiàng)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(jì)效益和社會(huì)效益。

二、信息化施工條件與傳感器的選擇

要進(jìn)行信息化施工，必須具備一定的條件：首先，要有合適的測(cè)量元件及儀器;其次，要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從而可以及時(shí)獲得工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際信息;第三，要有相應(yīng)的分析預(yù)測(cè)模型與方法;第四，應(yīng)用計(jì)算機(jī)。很顯然，傳統(tǒng)的巖土工程檢測(cè)技術(shù)很難滿足以上要求。而光纖傳感與檢測(cè)技術(shù)卻完全可以勝任這一角色，相對(duì)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(wú)損檢測(cè)儀器，光纖傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（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(gè)相同或不同物理量的測(cè)點(diǎn)，從而降低了單個(gè)傳感器或測(cè)點(diǎn)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(wú)需任何防護(hù)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè);

（4）光纖極細(xì)，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(cè)場(chǎng)點(diǎn)，而且對(duì)被測(cè)場(chǎng)點(diǎn)擾動(dòng)小，不會(huì)改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài);

（5）光纖能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)與信號(hào)傳輸;

（6）光纖傳感技術(shù)可進(jìn)行干涉測(cè)量從而提高檢測(cè)靈敏度;

（7）光纖可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)式布置;

（8）光纖傳感技術(shù)更容易與計(jì)算機(jī)的應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，從而可以更快速更全面地反映工程實(shí)際情況。可見(jiàn)，光纖檢測(cè)技術(shù)比傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)有著更大的優(yōu)勢(shì)，在巖土工程檢測(cè)中有著更廣闊的應(yīng)用前景。

三、光纖檢測(cè)在巖土工程施工中的應(yīng)用

巖土工程主要包括巖土測(cè)量、基坑支護(hù)、邊坡支護(hù)、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(hù)、邊坡支護(hù)、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(duì)于一些重大工程，需要保證施工過(guò)程有很高的安全度，又要盡量節(jié)約造價(jià)這就必須增加監(jiān)測(cè)力度及監(jiān)測(cè)范圍。傳統(tǒng)的電磁傳感檢測(cè)技術(shù)如應(yīng)變片等，相比于光纖檢測(cè)來(lái)說(shuō)主要有以下不足之處：

（1）不夠精確，現(xiàn)場(chǎng)用電設(shè)備多，易造成電磁干擾，而光纖檢測(cè)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(cè)受干擾小，結(jié)果更真實(shí)。

（2）傳統(tǒng)的電磁傳感檢測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)收集難度大，特別是測(cè)點(diǎn)多的時(shí)候，信息反饋速度慢，數(shù)據(jù)處理過(guò)程繁復(fù)。而在光纖檢測(cè)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(cè)點(diǎn)用單芯光纜聯(lián)至一大光纜（這些都埋于地下），延伸至檢測(cè)中心的一臺(tái)微機(jī)上。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)收集。然后在電腦中用相關(guān)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理，當(dāng)處理結(jié)果超過(guò)預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)就及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。從而可以及時(shí)修改設(shè)計(jì)，增加或減少相關(guān)測(cè)點(diǎn)處的土釘數(shù)量或及時(shí)采取其它應(yīng)急措施，保證工程在盡可能節(jié)約造價(jià)的同時(shí)達(dá)到安全施工的目的。

（3）光纖傳感檢測(cè)技術(shù)在對(duì)錨桿支護(hù)時(shí)錨桿的預(yù)應(yīng)力變化，對(duì)地下連續(xù)墻圍護(hù)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(duì)邊坡或巖體深部滑動(dòng)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(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(guò)采用光纖傳感器對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)際受力情況，起到隧道的健康監(jiān)測(cè)、預(yù)防保護(hù)作用;能夠體現(xiàn)出光纖光柵傳感器的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，保證了施工的順利進(jìn)行，提升了施工質(zhì)量。

光纖傳感器在橋梁隧道監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用主要有以下三個(gè)方面：對(duì)采用新型復(fù)合材料的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握材料和結(jié)構(gòu)的工作性能;對(duì)交通樞紐或具有重大意義的大型橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，掌握橋梁的正常運(yùn)行狀態(tài);對(duì)有一定損傷的舊橋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而了解其健康狀況并采取針對(duì)性的維護(hù)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(gè)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(gè)建筑工程的質(zhì)量。隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，巖土工程施工信息化也將會(huì)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(cè)技術(shù)運(yùn)用到巖土工程上可以更加快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)出巖土工程施工現(xiàn)場(chǎng)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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