光纤测量技术在岩土工程中的应用

唐世鑫

摘要：光纤测量技术优势明显，在岩土工程中的应用越来越广泛，其中光纤可实现传输与传感双重作用，作为岩土工程测量的主要技术，在分析边坡变形位移量等岩土工程测量应用中具有重要作用，基于此，本文以文献对比法和理论分析法，首先对光纤传感器与光纤传感系统进行分析，重点对岩土工程量测与光纤传感器的应用进行阐述，最后介绍了超长距全分布式光纤量测系统，旨在为提升岩土工程测量技术的创新应用奠定坚实基础。

关键词：光纤测量技术;岩土工程;传感器

近几年在各大类型基建施工过程中，都发生过较大的现场安全事故，如自然灾害引起，如工程施工技术不到位引起，不仅造成人员伤亡，同时也造成经济损失，尤其是巖土工程施工领域，由于岩土地层结构复杂，地下环境恶劣，给施工技术应用造成很大阻扰，因此如何通过先进的岩土工程测量技术，实现对岩土工程的安全监测，促进和保障岩土工程施工灾害的准确预报成为当前岩土工程施工的关键，在此背景下，提出了光纤测量技术，

1 光纤传感器与光纤传感系统

1.1 光纤传感器的主要类型

1.1.1 基于微弯原理的光纤测量技术

在施工现场中，光纤会受到外力的压迫而产生微小位移，光纤纤中的传导模结构就会溢出，进而造成光纤传输能力有所下降。在光强、光纤产生的微小弯曲间的位移量发生较大变化时，应确定位移量与外部荷载之前的函数关系，在光纤微弯产生的位移量及对应外力进行确定的过程中，可通过测量和接收光强的形式确定，由于光强与产生的小位移之间的关系属非线性，因此对应的量程较小，而光强与产生的大位移之间关系是线性的，因此对应量程一般较大。

1.1.2 光纤压力传感器

光纤压力传感器主要包含以下几种：反射式光纤压力传感器、偏振调制式光纤压力传感器两大类。其中反射式光纤压力传感器主要是借助于内置膜片，在受压弯曲的状态下，使得反射表面结构易产生弯曲而制作形成。在实际的应用过程中，膜片的选材至关重要，常用的材料为热稳定性较好的石英膜片。

1.1.3 光纤应变传感器

此技术的原理主要是当光纤在外力作用下受压变形，导致光的传输特性发生较大变化，一般情况需要借助探测器进行测量，由于外力造成光纤变形的示意图如下图1所示。

1.2 光纤传感系统

1.2.1 单点式

此系统模式在应用过程中具有精确度高、对温度变化不敏感等特性，主要用于对局部敏感或者特征点的测量，如隧道伸缩缝、坝体结构裂缝等。

1.2.2 准分布式

准分布式系统主要以单点传感系统为主，结合一定的空间分布特征，针对不同耦合调制类型，针对一根和多根光纤总线的传播，实现对频分复用技术的多点测量。与单点式传感系统相比，主要适应大型基础的多点监测，如边坡、隧道、地铁及对应大坝变形处的关键位置。

1.2.3 分布式

分布式系统主要以多根特殊性质的光纤作为基础传感元器件，对于所有的光纤来说，任何位置区间的光纤都为固定的传感单元，且可有效的获取被测对象沿着光纤空间及时间变化的相关特征参数，并可应用于大型工程体系的整体应变，实现对温度应变的检测与分析。

1.2.4 混合式光纤传感系统

此类系统在应用的过程中，结合了分布式、分布光纤传感系统的相关优势，其结构示意图中，主要利用耦合器、光电探测器等对光源进行吸收，同时进行信号处理，通过传感光纤、传感器等提高测量的精确度，进而实现灵活布设、科学控制。

2 岩土工程量测与光纤传感技术应用

2.1 岩土工程量测

岩土工程量测的主要内容包含有岩土结构性状、周边地质环境、相邻结构及其设施，如压力、位移、温度等，在实际的施工过程中，通常可根据布置监测获取有关变量的变化，对岩土结构的受力状态、变形影响因素等进行稳定性评价，从而能够有效的进行风险评估。

2.2 现场量测的基本原则和技术要求

为保障岩土工程的安全施工，提高岩土工程现场施工环境，需要将岩土工程量测纳入到整个项目的施工管理体系中，并充分的结合设计量测点及其对应的施测方法，对相关的配置进行管理，以提高施测的精准度。其次，在施测的过程中，要遵循专业器材、测量单元的元件获取进行定量数据的测量，其中量测的周期及对应的频率必须要符合规范的要求。

2.3 边坡变形量测

2.3.1 边坡变形位移量测点的布设原则

边坡变形的主要外在体现即位移的变化，其是评价和分析边坡失稳破坏的主要参数，需要根据边坡失稳理论，当边坡位移量、位移速率达到一定使用程度后，实现对边坡失稳破坏的可能性预测。

2.3.2 岩土体变形光纤位移传感器

在岩土体变形的初期，变形位移相对较小，但是由于变形过程是连续性的，因此变形的位移量、位移速率之间的可能会迅速增大，因此对于变形较小的土体结构，应依据微弯测量原理，实现对套管的事前加工处理，并成蛇形，形成对岩土各向变形位移的测量。

2.4 挤土试验变形

为获取某项目施工中不同深度土体变形的响应规律，准确的估计挤土范围，借助FBG光纤应变传感器、分布式应变感测光缆，实时测量测斜管变形。得出桩周边土体结构有向着试桩孔方向挤压变形的相关趋势，桩周围土体有背离试桩向外挤压的变形趋势;沿着水平方向，随着与桩孔间距的逐步增加，导致土体变形降低。沿着深度方向，4m以下在靠近桩方向水平位移，螺纹管沉管后引起挤土效应不足以抵消引孔造成的土体侧向变形。

3 超长距全分布式光纤量测系统

超长距分布式光纤量测系统作用的关键问题主要包含有：提高信号的质量、提高信号的采集，控制及处理能力、提高系统的灵敏度和空间分辨率、完善准分布式和分布式系统的相互融合、选择合理的安装布设方式等。其基本模式需要依据光纤传感器系统的测量距离，对同步施测、数据收集处理中心等基本模式进行设计，而中间站是实现超长距离量测的核心，也是对各个单元模块进行统一控制和管理的基础。

4 结语

综上所述，光纤测量技术对于岩土工程检测及其技术的创新应用具有推动作用，国内外有关光纤测量技术在岩土工程中的应用案例较多，尽管在实际施工量测的过程中仍然存在较多问题，但是只要加强科技创新，不影响其最终的推广与应用。当前，在新技术研发的过程中，不断有高性能、低成本的光纤测量技术应用到岩土工程测量中，在实际工程应用的背景下，极大推动了我国岩土工程测量技术的可持续发展。

参考文献：

[1]寇智勇，关惠平，吉随旺，贺智工，陶双江. 光纤测量技术在岩土工程量测中的应用[J]. 防灾减灾工程学报，2010，30（S1）：251-257.

[2]寇智勇. 光纤测量技术在岩土工程量测中的应用[A]. .中国工程院土木工程与可持续发展高层论坛论文集[C].：，2010：7.