唐世鑫

摘要：光纖測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，在巖土工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中光纖可實(shí)現(xiàn)傳輸與傳感雙重作用，作為巖土工程測(cè)量的主要技術(shù)，在分析邊坡變形位移量等巖土工程測(cè)量應(yīng)用中具有重要作用，基于此，本文以文獻(xiàn)對(duì)比法和理論分析法，首先對(duì)光纖傳感器與光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)巖土工程量測(cè)與光纖傳感器的應(yīng)用進(jìn)行闡述，最后介紹了超長(zhǎng)距全分布式光纖量測(cè)系統(tǒng)，旨在為提升巖土工程測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光纖測(cè)量技術(shù);巖土工程;傳感器

近幾年在各大類(lèi)型基建施工過(guò)程中，都發(fā)生過(guò)較大的現(xiàn)場(chǎng)安全事故，如自然災(zāi)害引起，如工程施工技術(shù)不到位引起，不僅造成人員傷亡，同時(shí)也造成經(jīng)濟(jì)損失，尤其是巖土工程施工領(lǐng)域，由于巖土地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下環(huán)境惡劣，給施工技術(shù)應(yīng)用造成很大阻擾，因此如何通過(guò)先進(jìn)的巖土工程測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土工程的安全監(jiān)測(cè)，促進(jìn)和保障巖土工程施工災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)成為當(dāng)前巖土工程施工的關(guān)鍵，在此背景下，提出了光纖測(cè)量技術(shù)，

1 光纖傳感器與光纖傳感系統(tǒng)

1.1 光纖傳感器的主要類(lèi)型

1.1.1 基于微彎原理的光纖測(cè)量技術(shù)

在施工現(xiàn)場(chǎng)中，光纖會(huì)受到外力的壓迫而產(chǎn)生微小位移，光纖纖中的傳導(dǎo)模結(jié)構(gòu)就會(huì)溢出，進(jìn)而造成光纖傳輸能力有所下降。在光強(qiáng)、光纖產(chǎn)生的微小彎曲間的位移量發(fā)生較大變化時(shí)，應(yīng)確定位移量與外部荷載之前的函數(shù)關(guān)系，在光纖微彎產(chǎn)生的位移量及對(duì)應(yīng)外力進(jìn)行確定的過(guò)程中，可通過(guò)測(cè)量和接收光強(qiáng)的形式確定，由于光強(qiáng)與產(chǎn)生的小位移之間的關(guān)系屬非線性，因此對(duì)應(yīng)的量程較小，而光強(qiáng)與產(chǎn)生的大位移之間關(guān)系是線性的，因此對(duì)應(yīng)量程一般較大。

1.1.2 光纖壓力傳感器

光纖壓力傳感器主要包含以下幾種：反射式光纖壓力傳感器、偏振調(diào)制式光纖壓力傳感器兩大類(lèi)。其中反射式光纖壓力傳感器主要是借助于內(nèi)置膜片，在受壓彎曲的狀態(tài)下，使得反射表面結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生彎曲而制作形成。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，膜片的選材至關(guān)重要，常用的材料為熱穩(wěn)定性較好的石英膜片。

1.1.3 光纖應(yīng)變傳感器

此技術(shù)的原理主要是當(dāng)光纖在外力作用下受壓變形，導(dǎo)致光的傳輸特性發(fā)生較大變化，一般情況需要借助探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量，由于外力造成光纖變形的示意圖如下圖1所示。

1.2 光纖傳感系統(tǒng)

1.2.1 單點(diǎn)式

此系統(tǒng)模式在應(yīng)用過(guò)程中具有精確度高、對(duì)溫度變化不敏感等特性，主要用于對(duì)局部敏感或者特征點(diǎn)的測(cè)量，如隧道伸縮縫、壩體結(jié)構(gòu)裂縫等。

1.2.2 準(zhǔn)分布式

準(zhǔn)分布式系統(tǒng)主要以單點(diǎn)傳感系統(tǒng)為主，結(jié)合一定的空間分布特征，針對(duì)不同耦合調(diào)制類(lèi)型，針對(duì)一根和多根光纖總線的傳播，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻分復(fù)用技術(shù)的多點(diǎn)測(cè)量。與單點(diǎn)式傳感系統(tǒng)相比，主要適應(yīng)大型基礎(chǔ)的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，如邊坡、隧道、地鐵及對(duì)應(yīng)大壩變形處的關(guān)鍵位置。

1.2.3 分布式

分布式系統(tǒng)主要以多根特殊性質(zhì)的光纖作為基礎(chǔ)傳感元器件，對(duì)于所有的光纖來(lái)說(shuō)，任何位置區(qū)間的光纖都為固定的傳感單元，且可有效的獲取被測(cè)對(duì)象沿著光纖空間及時(shí)間變化的相關(guān)特征參數(shù)，并可應(yīng)用于大型工程體系的整體應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度應(yīng)變的檢測(cè)與分析。

1.2.4 混合式光纖傳感系統(tǒng)

此類(lèi)系統(tǒng)在應(yīng)用的過(guò)程中，結(jié)合了分布式、分布光纖傳感系統(tǒng)的相關(guān)優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)示意圖中，主要利用耦合器、光電探測(cè)器等對(duì)光源進(jìn)行吸收，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)處理，通過(guò)傳感光纖、傳感器等提高測(cè)量的精確度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靈活布設(shè)、科學(xué)控制。

2 巖土工程量測(cè)與光纖傳感技術(shù)應(yīng)用

2.1 巖土工程量測(cè)

巖土工程量測(cè)的主要內(nèi)容包含有巖土結(jié)構(gòu)性狀、周邊地質(zhì)環(huán)境、相鄰結(jié)構(gòu)及其設(shè)施，如壓力、位移、溫度等，在實(shí)際的施工過(guò)程中，通?？筛鶕?jù)布置監(jiān)測(cè)獲取有關(guān)變量的變化，對(duì)巖土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、變形影響因素等進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，從而能夠有效的進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的基本原則和技術(shù)要求

為保障巖土工程的安全施工，提高巖土工程現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，需要將巖土工程量測(cè)納入到整個(gè)項(xiàng)目的施工管理體系中，并充分的結(jié)合設(shè)計(jì)量測(cè)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的施測(cè)方法，對(duì)相關(guān)的配置進(jìn)行管理，以提高施測(cè)的精準(zhǔn)度。其次，在施測(cè)的過(guò)程中，要遵循專(zhuān)業(yè)器材、測(cè)量單元的元件獲取進(jìn)行定量數(shù)據(jù)的測(cè)量，其中量測(cè)的周期及對(duì)應(yīng)的頻率必須要符合規(guī)范的要求。

2.3 邊坡變形量測(cè)

2.3.1 邊坡變形位移量測(cè)點(diǎn)的布設(shè)原則

邊坡變形的主要外在體現(xiàn)即位移的變化，其是評(píng)價(jià)和分析邊坡失穩(wěn)破壞的主要參數(shù)，需要根據(jù)邊坡失穩(wěn)理論，當(dāng)邊坡位移量、位移速率達(dá)到一定使用程度后，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞的可能性預(yù)測(cè)。

2.3.2 巖土體變形光纖位移傳感器

在巖土體變形的初期，變形位移相對(duì)較小，但是由于變形過(guò)程是連續(xù)性的，因此變形的位移量、位移速率之間的可能會(huì)迅速增大，因此對(duì)于變形較小的土體結(jié)構(gòu)，應(yīng)依據(jù)微彎測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)套管的事前加工處理，并成蛇形，形成對(duì)巖土各向變形位移的測(cè)量。

2.4 擠土試驗(yàn)變形

為獲取某項(xiàng)目施工中不同深度土體變形的響應(yīng)規(guī)律，準(zhǔn)確的估計(jì)擠土范圍，借助FBG光纖應(yīng)變傳感器、分布式應(yīng)變感測(cè)光纜，實(shí)時(shí)測(cè)量測(cè)斜管變形。得出樁周邊土體結(jié)構(gòu)有向著試樁孔方向擠壓變形的相關(guān)趨勢(shì)，樁周?chē)馏w有背離試樁向外擠壓的變形趨勢(shì);沿著水平方向，隨著與樁孔間距的逐步增加，導(dǎo)致土體變形降低。沿著深度方向，4m以下在靠近樁方向水平位移，螺紋管沉管后引起擠土效應(yīng)不足以抵消引孔造成的土體側(cè)向變形。

3 超長(zhǎng)距全分布式光纖量測(cè)系統(tǒng)

超長(zhǎng)距分布式光纖量測(cè)系統(tǒng)作用的關(guān)鍵問(wèn)題主要包含有：提高信號(hào)的質(zhì)量、提高信號(hào)的采集，控制及處理能力、提高系統(tǒng)的靈敏度和空間分辨率、完善準(zhǔn)分布式和分布式系統(tǒng)的相互融合、選擇合理的安裝布設(shè)方式等。其基本模式需要依據(jù)光纖傳感器系統(tǒng)的測(cè)量距離，對(duì)同步施測(cè)、數(shù)據(jù)收集處理中心等基本模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，而中間站是實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離量測(cè)的核心，也是對(duì)各個(gè)單元模塊進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，光纖測(cè)量技術(shù)對(duì)于巖土工程檢測(cè)及其技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用具有推動(dòng)作用，國(guó)內(nèi)外有關(guān)光纖測(cè)量技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用案例較多，盡管在實(shí)際施工量測(cè)的過(guò)程中仍然存在較多問(wèn)題，但是只要加強(qiáng)科技創(chuàng)新，不影響其最終的推廣與應(yīng)用。當(dāng)前，在新技術(shù)研發(fā)的過(guò)程中，不斷有高性能、低成本的光纖測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到巖土工程測(cè)量中，在實(shí)際工程應(yīng)用的背景下，極大推動(dòng)了我國(guó)巖土工程測(cè)量技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]寇智勇，關(guān)惠平，吉隨旺，賀智工，陶雙江. 光纖測(cè)量技術(shù)在巖土工程量測(cè)中的應(yīng)用[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2010，30（S1）：251-257.

[2]寇智勇. 光纖測(cè)量技術(shù)在巖土工程量測(cè)中的應(yīng)用[A]. .中國(guó)工程院土木工程與可持續(xù)發(fā)展高層論壇論文集[C].：，2010：7.