分布式光纤传感技术在岩土工程中的应用

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摘要: 本文介绍了分布式光纤传感技术的分类，总结了近几年国内外分布式光纤传感技术在混凝土结构健康、桩基工程、基坑、边坡、温度场、土体变形等方面监测的最新工程实践和研究成果，以及该技术的工程布设和温度补偿方法、新型传感器与监测系统研发，并展望了岩土与地质工程分布式光纤传感技术将来的发展方向．

关键词: 分布式光纤传感技术; 岩土工程; 地质工程; 研究进展

中图分类号： TP212.9 文献标识码： A

随着我国经济快速增长，新建了高速公路、地铁、隧道等基础工程，为了保证工程设施的安全使用，对其进行健康评估与安全监测显得尤为重要．

分布式光纤传感技术是20世纪末提出和发展起来的一种新型工程安全监测技术． 与传统的监测技术和手段相比，光纤既作为传感介质又是传输通道，可以进行空间上的连续测量，当光纤布入被测对象中并和被测对象的变形协调时，一次测量可以获取整个光纤应变或温度的一维分布图; 如果将光纤布置成网状，可得到多维的应变或温度分布数据，更加有利于对结构受力和变形分布情况的分析; 还具有灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐久性好等优点．

在对岩土与地质工程设施应力、应变、位移等监测中，常见的分布式光纤传感监测技术包括自里渊光时域散射分析技术BOTDR、受激布里渊光时域散射分析技术BOTDA 、光纤布喇格光栅技术FBG、拉曼光时域反射分析技术ROTDR等．

目前国内外已将光纤传感技术应用于岩土与地质工程领域，并从以下几个方面开展了大量富有成效的研究工作．

1 混凝土结构健康监测

钢筋混凝土结构主要通过钢筋承受拉力，当混凝土结构产生裂缝或钢筋锈蚀后会导致混凝土结构发生破坏，裂缝和钢筋锈蚀对混凝土结构的影响一直是工程领域备受关注的问题．分布式光纤传感技术应用于裂缝和锈蚀监测还处于室内试验阶段，对裂缝和锈蚀的识别只能定性评价，不能定量评价，且钢筋锈蚀对光纤和钢筋的变形协调有一定影响，在工程应用中还不够成熟．

2 桩基工程及基坑监测

桩基对于上部结构工程的安全具有重要影响，桩的强度对承载能力起重要作用，桩的压缩变形关系到桩基稳定和上部结构的安全． 由于传统的点式传感器不能全面监测和反映桩基的受力和变形情况，而分布式光纤传感技术则能够全面地监测桩身应变，因而后者具有很强的应用前景． 近年来分布式光纤传感技术BOTDR 用于钻孔灌注桩、PHC 桩、预制桩的轴力分布、侧摩阻力分布和桩身损伤识别中; 研发了光纤埋设方法和数据处理方法，并证明相对于传统的监测技术而言，分布式光纤传感技术能够更全面有效地对桩基进行监测; 同时提出了一些减小误差的建议和具体方法． 脉冲预泵浦BOTDA 技术( PPP－ BOTDA) 对现场管桩进行负摩阻力和桩身应变测试，发现该技术能够实现10 cm 的空间分辨率测量，应变测量精度达到了± 7．5 με，所测结果与滑动微测计测量结果一致．FBG 传感技术应用到混凝土管桩的水平静载荷试验中，结果表明传感器埋设工艺良好，传感器存活率超过90%，测试数据可靠、精度能够满足工程要求． 通过在抗滑桩上布置光纤传感器，运用BOTDR 监测技术获取抗滑桩的内力分布数据，评价抗滑桩工作状态，结果表明这种测量方法能够实现从抗滑桩浇注完成至滑坡推力作用整个过程的应变监测．以上工程实践表明，分布式光纤传感技术相对于传统监测技术，能够全面有效地对桩基受力和变形进行跟踪监测; 但光纤的埋设和损伤需要格外注意，以确保传感器的存活率; 后期数据分析处理有待进一步研究．

基坑开挖时的自身稳定和对周围建筑物的影响是基坑工程中的重要问题． 基坑工程的监测，特别是基坑深部土体的位移监测是评价基坑稳定性和对周围建筑影响程度的必要工作．通过布里渊光时域反射计BOTDR 技术，将传感光纤按照一定的工艺粘贴在埋置于土体中的测斜管上，实测传感光纤的应变分布，实现了深部土体水平位移的实时监测．在实际施工过程中，基于分布式光纤传感技术BOTDA 的SMW工法桩测量研究，安装有分布式传感光纤的H 型钢可作为一种具有实时获取应变数据的基坑工程围护结构，其具有良好的现场适应性、远程实时分布式测量、温度自补偿等特点．运用BOTDR 光纤传感技术对施工过程中排桩的变形进行监测，详细介绍了传感器的安装方法和数据处理方法，提出了温度补偿方法，测得的应变、温度、应力等与传统的测量方法和FREW 软件模拟分析相比，吻合度很高．采用光纤传感技术长期进行基坑监测目前还存在很多问题，如传感光纤的布设、传感器的封装、运行期间的维护等．

3 边坡监测

边坡工程对周边高速公路、住宅、水利设施等安全影响至关重要，由于强降雨、水位变化、地震等因素容易引起滑坡、泥石流等地质灾害，对边坡的长期监测必不可少，光纤传感监测系统可对边坡进行实时监测和预警，为边坡失稳机理研究和稳定评估提供依据． 近年来国内对之研究颇多，BOTDR技术对埋入土工织布的边坡形变稳定监测及早期破坏警报的可行性，发现由于光纤与土体的变形协调性不高，将光纤依附于锚杆和框梁中进行监测比直接将光纤埋入土体中监测效果更好．基于光纤布拉格光栅传感技术FBG的新型原位测斜仪及其分析方法; 并通过室内标定试验验证了该新型原位测斜仪和分析方法的有效性．

5 土体变形监测

光纤监测土体变形是一个难题，近年来国内外对其做了很多有意义的探索．为了掌握不同层位的失水压缩变形规律并选择合理的立井井壁破坏监测层位，采用深孔多点变形监测，对在第四系松散地层段埋设的18个光纤光栅传感器进行了长期监测，总结典型地层的应变变化，把地层的应变变化与水位变化联系起来，发现水位处于稳定和增长状态时，相应的监测层位应变值在减小，地表降雨量与松散层的沉降变形没有直接联系．失水条件下饱和膨胀土干缩裂隙发育过程中土体内部应变状态、分布以及变化规律，采用高精度的FBG 传感技术对膨胀土裂隙发育全过程进行监测、并揭示膨胀土失水致裂机理，以及膨胀土裂隙性特征．

6 工程布设和温度补偿方法

分布式光纤传感技术在工程中使用需要考虑布设方法和温度补偿．对于现场直接浇注的桩，如灌注桩，可将光纤固定在一对对称的主筋侧面，方便采用两组数据进行对比，也易检测到加载时出现的偏压; 在铺设过程中尽量让光纤保持挺直，在光纤接头处采用一定的保护措施进行保护; 为了更好地保证钢筋与光纤的变形协调性，采用特种胶水或者特殊接头进行固定，露在外面的光纤应套上波纹管进行保护．对于预制桩，则用切割工具在桩身表面沿着设计路线开槽，槽宽和槽深应能满足放入光纤的要求，光纤放入槽内定点固定; 用高强胶剂充填入槽内进行粘贴和表面保护，在光纤外露的两头采用套管保护后再用缓冲材料包裹固定，将已布设好光纤的桩按先后顺序打入; 在桩施工对接时，待桩焊接完成后将上下桩对应的各条光纤进行对接并保护，冗余的光纤盘在桩接头处加特殊保护层后继续打入; 在施工过程中重点要对桩接头处和桩头外露的光纤进行防挤压、防撞击和防电焊火花保护．

7 展望

通过对近年来岩土与地质工程中分布式光纤传感技术研究的总结，得出下列问题有待深入研究: (1) 分布式光纤传感器和设备的研发，如光纤传感器的封装、研制、温度补偿等，尤其是数据采集设备性能的提升和改进，将有助于分布式光纤传感技术的发展; (2) 传感光纤与工程岩土体的协调变形、匹配和耦合等，一直是制约传感光纤技术在岩土体监测方面的重要障碍; (3) 光纤监测数据的分析和挖掘、异常数据的识别、数据的处理方法和手段等; (4) 基于分布式光纤监测应变和温度的岩土体分析评价理论与方法，构建科学的分布式光纤传感技术评价体系; (5) 分布式传感技术的关键器件、集成、工程监测与诊断系统等． 以上问题也将是岩土与地质工程分布式光纤传感技术未来的研究热点．

参考文献:

［1］ 施斌，张丹，王宝军． 地质与岩土工程分布式光纤监测技术及其发展［J］． 工程地质学报，2007，15( 增刊2) : 109-116．

［2］ 吴永红，蔡海文，刘浩吾，等． 裂缝光纤传感的工程应用［J］． 光电子・激光，2007，18( 12) : 1438-1441．

［3］ 欧进萍，侯爽，周智，等． 多段分布式光纤裂缝监测系统及其应用［J］． 压电与声光，2007，29( 2) : 144-147．