那昊亮 郭晉杰

1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東深圳 518000；2.深圳灣區(qū)城市建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東深圳 518054

0 前言

基坑監(jiān)測(cè)是建設(shè)工程施工過程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。通過使用一系列嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)設(shè)備與方法，對(duì)基坑周邊土體、環(huán)境、支護(hù)結(jié)構(gòu)等部件的變化情況進(jìn)行觀察、測(cè)量與分析，從而可以評(píng)定該工程目前的穩(wěn)定狀態(tài)以及后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，為接下來的項(xiàng)目開展提供指導(dǎo)性意見。但目前絕大多數(shù)的監(jiān)測(cè)工作仍然是通過人工到現(xiàn)場(chǎng)以點(diǎn)式測(cè)量的方式進(jìn)行。這種方式不僅效率較低，同時(shí)不可避免地存在因人為因素而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤。錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)有可能帶來災(zāi)難性的后果。為此，近年來各個(gè)城市相繼建起了基坑監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備及時(shí)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算分析，并出具報(bào)告，減少了人為參與數(shù)據(jù)計(jì)算的因素。但該方法仍然需要人工到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，或者將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備架設(shè)進(jìn)施工場(chǎng)地，進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。仍然需要考慮后續(xù)場(chǎng)地的供電、設(shè)備安裝位置、信號(hào)傳輸、防盜、腐蝕、電磁干擾等一系列問題。而近些年出現(xiàn)的光纖光柵傳感技術(shù)就能較好的解決上述問題。

1 光纖傳感的優(yōu)勢(shì)

光纖傳感技術(shù)起始于1977 年，隨著光纖傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，目前光纖傳感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子通信、國防軍事、能源環(huán)保、石油化工、航天航空等領(lǐng)域。光線在光纖中傳播，容易受到外界環(huán)境的影響，從而發(fā)生光強(qiáng)、相位、頻率等參數(shù)的變化。人們通過對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、觀察和分析，就能準(zhǔn)確掌握相對(duì)應(yīng)物理量的變化。目前，通過光纖可探測(cè)變化的物理量多達(dá)百余種。相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器，光纖具有以下較為明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）無需供電，電絕緣性好

光纖本質(zhì)是一種特制的玻璃或塑料纖維絲，根據(jù)光的全反射原理，光在纖芯中發(fā)生全反射，沿著纖芯傳播，從而達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康摹?/p>

（2）抗電磁干擾

在工程環(huán)境中，不可避免存在高磁場(chǎng)、高濕度、高腐蝕性的環(huán)境，纖芯本質(zhì)上是二氧化硅，性質(zhì)非常穩(wěn)定，在惡劣環(huán)境下依然可以正常工作。

（3）靈敏度高

光纖傳感是利用光在光纖中傳播，外界環(huán)境發(fā)生變化會(huì)引起光纖本身發(fā)生形變，從而導(dǎo)致纖芯內(nèi)傳播的光參量發(fā)生變化，這種形變的感應(yīng)靈敏度可達(dá)到微米級(jí)別。

（4）測(cè)量物理量多，監(jiān)測(cè)范圍廣

目前，光纖能測(cè)量諸如位移、壓力、溫度、振動(dòng)、液位、形變、彎曲、流量等物理量。

（5）光纜的造價(jià)成本較低，適用于大面積的推廣。

2 光纖傳感原理

2.1 光纖傳感器分類

光纖根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式可以分為：強(qiáng)度調(diào)制型、頻率調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型以及波長(zhǎng)調(diào)制型。顧名思義，不同調(diào)制類型的光纖傳感器其應(yīng)用原理不盡相同。光強(qiáng)調(diào)制型光纖是利用被測(cè)信號(hào)調(diào)制光強(qiáng)，使探測(cè)器接收到的光強(qiáng)度隨著被測(cè)信號(hào)的變化而變化。光強(qiáng)型光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)在于其調(diào)制方法簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、運(yùn)行可靠、造價(jià)成本低等，目前使用面較為廣泛。但使用過程中也發(fā)現(xiàn)其缺點(diǎn)同樣較為明顯，如測(cè)量精度偏低，容易產(chǎn)生漂移，所以需要采用一些補(bǔ)償措施。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，在對(duì)測(cè)量精度需求較高的情況下，采用相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型傳感器越來越多。本文所采用的光纖布拉格光柵傳感器就是波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。

光纖布拉格光柵（fiber bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種光纖光柵傳感器，其中最主要的部件就是光纖布拉格光柵，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

FBG 是光纖中的一種無源器件，是利用強(qiáng)紫外線激光，以空間變化的方式刻錄在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中心的光學(xué)傳感器件。短波長(zhǎng)的紫外線光子具有足夠高的能量，用以打破穩(wěn)定的氧化硅材料，從而破壞光纖的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，增加光照部分的折射率。折射率發(fā)生周期性變化的光纖區(qū)域會(huì)形成一個(gè)具有特定波長(zhǎng)選擇性的光柵區(qū)域，其傳感原理如圖2 所示[1-2]。

光在單模光纖中向前傳播，并在每個(gè)光柵上發(fā)生特定波長(zhǎng)的反射，這些反射光會(huì)在某個(gè)特定的窄帶波長(zhǎng)范圍內(nèi)形成干涉，干涉光會(huì)沿著光纖原路返回，并形成中心波長(zhǎng)為λB的窄帶反射光。所以，光纖布拉格光柵的作用就是將波長(zhǎng)為布拉格波長(zhǎng)的光反射回去。由耦合模理論可知，反射光的中心峰值波長(zhǎng)λB即為布拉格波長(zhǎng)[3]，其大小如下式所示：

其中，λB是光纖布拉格光柵反射中心波長(zhǎng)；neff是光纖纖芯的有效折射率；Λ 是布拉格光柵的周期，即光柵的柵距。使用光譜儀或者光纖光柵解調(diào)儀可獲得反射譜的中心峰值波長(zhǎng)，即光柵的布拉格波長(zhǎng)。

當(dāng)寬帶光源通過光纖光柵時(shí)，滿足布拉格條件的光會(huì)被光柵反射回來，其他波長(zhǎng)的光將透射過去。通過測(cè)量反射頻譜的位移量，就可以得到被測(cè)量物理量的變化。利用這一特性，可制成測(cè)量各類物理量的光纖布拉格光柵傳感器件。

當(dāng)光柵受到軸向應(yīng)力和外界溫度變化影響時(shí)，光纖布拉格光柵位置發(fā)生微小形變，從而引起該段光柵處有效折射率neff及布拉格光柵周期Λ 的變化，最終導(dǎo)致反射光的中心峰值波長(zhǎng)λB發(fā)生位移。

通過檢測(cè)反射光中心峰值波長(zhǎng)的變化量就能獲得相應(yīng)溫度、應(yīng)變的變化信息。其中，應(yīng)變量通過彈光效應(yīng)和光纖光柵伸縮影響ΔλB，而溫度通過熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)影響ΔλB[4]。

2.2 光纖布拉格光柵復(fù)用技術(shù)

一般來說，單個(gè)光纖光柵傳感器只針對(duì)某一特定區(qū)域的某一特定物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但在實(shí)際的基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，往往需要同時(shí)監(jiān)測(cè)大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以及更多的參數(shù)，所以對(duì)于光纖光柵技術(shù)提出更高的要求。對(duì)于這一問題，目前可采用光復(fù)用技術(shù)來解決。光復(fù)用技術(shù)是指為了提高通信線路的利用率，在同一傳輸線路上同時(shí)傳輸多路不同信號(hào)，而信號(hào)間互不干擾的技術(shù)。光復(fù)用技術(shù)的種類非常多，目前應(yīng)用較為廣泛的主要有光波分復(fù)用（wavelength-division multiplexing，WDM）技術(shù)以及光時(shí)分復(fù)用（optical timedivision multiplexing，OTDM）技術(shù)。

光波分復(fù)用技術(shù)的基本原理是在發(fā)送端用寬帶光源照射同一根光纖上的多個(gè)不同反射中心波長(zhǎng)的光纖布拉格光柵，由于各個(gè)光柵的反射中心波長(zhǎng)不同，可以通過波長(zhǎng)特征來尋址，從而分辨出不同的信號(hào)。但由于光源帶寬的限制，各傳感光柵中心波長(zhǎng)所占據(jù)的頻帶資源有限，再加上待測(cè)量存在一定的動(dòng)態(tài)范圍，所以在實(shí)際使用過程中利用光波分復(fù)用技術(shù)可復(fù)用的傳感器數(shù)量并不多。

光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的基本原理是在同一根光纖上可以將信道分成若干個(gè)時(shí)間片段，由不同的信號(hào)使用不同的時(shí)間片段，從而達(dá)到同一條光纖傳輸多路信號(hào)的目的。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，可將多個(gè)光纖傳感器串接，信號(hào)在光纖傳輸?shù)倪^程中，從任意相鄰的兩個(gè)光纖光柵傳感器上反射回來的信號(hào)在時(shí)間軸上是分隔開的，利用這一現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)在同一根光纖上間隔一定的距離后，使用同一中心波長(zhǎng)的多個(gè)光纖光柵傳感器，從而解決了因光頻帶資源有限而無法復(fù)用更多光纖光柵傳感器的問題。在接收端，可通過接收到多個(gè)光脈沖的延時(shí)分辨出多個(gè)脈沖信號(hào)。當(dāng)光源帶寬和被測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)范圍不再成為制約因素，則在同一根光纖上可復(fù)用的光纖光柵傳感器數(shù)量將大幅提高[5-6]。

3 光纖光柵在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 在混凝土支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

光纖應(yīng)力計(jì)的安裝與常規(guī)應(yīng)力計(jì)安裝類似，均應(yīng)在混凝土支撐的監(jiān)測(cè)截面選擇對(duì)支撐結(jié)構(gòu)受力較大、有代表性的位置進(jìn)行布設(shè)。在支撐鋼筋制作的過程中，一般在被測(cè)斷面上下左右的四個(gè)面埋設(shè)光纖應(yīng)力計(jì)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和間距應(yīng)視具體情況而定，通常選擇混凝土支撐長(zhǎng)度1/3 斷面處，在鋼筋籠綁扎過程中，用焊接的方式將光纖應(yīng)力計(jì)焊接在鋼筋籠四個(gè)角上，并取代一段主筋，然后跟隨鋼筋籠一并澆筑進(jìn)混凝土內(nèi)。在基坑開挖的過程中，光纖應(yīng)力計(jì)與混凝土支撐一并受力變形，通過接收并計(jì)算光纖應(yīng)力計(jì)的布拉格光柵反射中心波長(zhǎng)變化量ΔλB，即可得到混凝土支撐軸力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

在安裝前，應(yīng)先使用光柵光纖解調(diào)儀檢查傳感器光譜和波長(zhǎng)是否完好，數(shù)值指標(biāo)和量程是否與設(shè)計(jì)指標(biāo)一致；安裝完畢后，應(yīng)記錄安裝的時(shí)間、位置、設(shè)備編號(hào)、安裝人員等基本信息；由于焊接過程中的高溫會(huì)對(duì)光纖應(yīng)力計(jì)產(chǎn)生影響，故在用電焊機(jī)焊接光柵應(yīng)力計(jì)、主筋和連接鋼筋時(shí)，應(yīng)用濕毛巾將光纖應(yīng)力計(jì)包裹，并不斷澆水降溫，防止焊接的過程中損壞傳感器；焊接完畢后，應(yīng)立即用光纖光柵解調(diào)儀檢測(cè)傳感器是否正常，如發(fā)現(xiàn)損壞，應(yīng)立即更換；確認(rèn)安裝成功后，記錄好光譜和波長(zhǎng)信息，并對(duì)接引光纖做好保護(hù)工作。

3.2 在鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

鋼支撐軸力可采用光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過兩夾具間的位移變化量來計(jì)算鋼支撐軸力的變化。光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)可直接安裝在鋼支撐表面1/3 斷面處，監(jiān)測(cè)方向應(yīng)平行于軸力受力方向，一般來說，應(yīng)安裝在支撐軸上下左右四個(gè)面上，但為了建設(shè)成本及安裝便捷程度考慮，也可簡(jiǎn)化為在鋼支撐水平對(duì)稱布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

安裝時(shí)，先將夾具固定安裝在設(shè)計(jì)點(diǎn)位上；然后將光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)固定在夾具上，預(yù)拉調(diào)整應(yīng)變計(jì)的量程范圍；最后接引光纖保護(hù)并引出。

將應(yīng)變計(jì)安裝到夾具的過程中，在旋緊固定螺絲時(shí)應(yīng)時(shí)刻注意光纖光柵反射光波長(zhǎng)的變化量，如變化量過大，應(yīng)及時(shí)停止旋緊螺絲，調(diào)整應(yīng)變計(jì)位置后再重新旋緊，防止在安裝的過程中損壞應(yīng)變計(jì)。由于光纖內(nèi)部較為脆弱，在安裝過程中應(yīng)注意對(duì)接引光纖的保護(hù)，防止因碰撞、砸落而導(dǎo)致接引光纖的折斷[7-8]。

3.3 在孔隙水壓力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

孔隙水壓力監(jiān)測(cè)采用光纖光柵孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)。在基坑周邊的孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位鉆孔，鉆孔深度應(yīng)超過光纖光柵孔隙水壓力計(jì)埋深約50 cm，先用透水性好的中砂回填至壓力計(jì)安裝位置。安裝前，應(yīng)先用紗布將壓力計(jì)包裹并捆綁牢固，防止傳感器被泥沙堵塞；將壓力計(jì)放入鉆孔后，再用細(xì)沙回填，以保證壓力計(jì)埋設(shè)位置的透水性，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠程度；埋設(shè)完畢后，將接引光纖引出地表并與主光纜熔接；最后采用膨潤(rùn)土進(jìn)行封口[9]。

光纖光柵孔隙水壓力計(jì)應(yīng)提前2周左右布設(shè)完畢，埋設(shè)時(shí)注意壓力計(jì)應(yīng)被水完全浸沒，并排凈透水沙中的小氣泡。

3.4 在地下水位監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

地下水位監(jiān)測(cè)可采用光纖光柵液位傳感器，通過液體壓力，施加水壓在液壓傳感器上。光纖光柵解調(diào)儀通過測(cè)量波長(zhǎng)的變化量，計(jì)算出液位計(jì)所在位置的水壓力，然后根據(jù)液體壓力、所在位置與液體密度的關(guān)系可以算出此時(shí)液面的相對(duì)高度，再根據(jù)液位傳感器的安裝位置，即可得出此時(shí)液面的高度值。

3.5 在錨索（桿）應(yīng)力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)可采用光纖光柵錨索軸力計(jì)。錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在豎向高程的各道錨索上，錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)量不應(yīng)少于錨索總根數(shù)的3%。光纖光柵錨索軸力計(jì)與常規(guī)錨索軸力計(jì)安裝過程類似，先將待需觀測(cè)的錨索埋入孔內(nèi)，待錨索內(nèi)錨固段及錨索孔孔口支承墩達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在張拉前將內(nèi)墊板穿套在錨墊板外側(cè)；將監(jiān)測(cè)錨索從傳感器中心孔穿過，傳感器斷面與孔軸線應(yīng)垂直，其中偏斜度應(yīng)小于0.3°，偏心不大于3 mm；待傳感器穿套完成后，繼續(xù)穿套外墊板等部件；全部安裝完成后，對(duì)光纖光柵軸力計(jì)、孔口墊板和錨孔三者同軸測(cè)試，在加荷載張拉前，還應(yīng)測(cè)量軸力計(jì)的初始值，作為監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)值；然后進(jìn)行張拉加荷，達(dá)到設(shè)計(jì)張拉荷載后，計(jì)算傳感器測(cè)試值并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)一致后，即可使用。

4 結(jié)束語

光纖傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，技術(shù)層面上也已經(jīng)趨于成熟，但作為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的一種手段，光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)目前仍處于起步階段。光纖光柵憑借著其體積小、靈敏度高、抗電磁輻射、安全高效、環(huán)境適用性高等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用到越來越多的場(chǎng)景中，尤其是相對(duì)較惡劣的環(huán)境，光纖探測(cè)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，能夠代替人們解決許多行業(yè)中的難題。本文通過對(duì)光纖布拉格光柵傳感器原理的分析以及安裝過程的介紹，表明目前光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用到基坑監(jiān)測(cè)中，為今后光纖光柵傳感在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供一些參考。