光纤传感器在岩土工程中的应用

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摘要：光纤传感器作为传感器家族的后起之秀，凭借其优异的性能近年来在很多领域获得了广泛应用和快速发展。文章介绍了光纤传感器的工作原理，并以岩土测量和边坡支护为例介绍了光纤传感器在岩土工程中的应用，并对光纤传感器的发展趋势进行了简单分析。

关键词：光纤传感器；岩土工程；岩土监测；隧道监测

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）13-0136-03

1光纤传感器的工作原理

在信息时代，各领域对信息的准确度和可靠性提出了更高的要求，被称为“电五官”的光纤传感器在获取信息方面发挥了重要作用。光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。随着技术的进步，传感器不断向智能化和精确化的方向发展，光纤传感器正是其发展成果之一。光纤具有良好的物理和化学特性，并具备出色的传感和传导性能，还能超越人的生理承受范围，到达人无法到达的环境获取人的感官不能获取的信息。光纤传感器作为传感器家族的后起之秀，凭借其优异的性能近年来在很多领域获得了广泛应用和快速发展。

如图1所示，光纤由高折射率的纤芯和包层两部分组成，纤芯的折射率大于包层的折射率，包层直径大致为0.1～0.2mm。光线通过端面透入纤芯，在与包层的交界面处发生光线的完全内反射，光线反射至纤芯层，经过不断反射，光线沿着纤芯向前传播。

光纤传感系统由光源、光导纤维、光传感元件，光调制元件和信号处理五部分组成。其工作原理如图2所示。光源发出的光经过光导纤维进入光传感元件，而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件测量的参数调制成幅度、相位、偏振等信息，最后利用微处理器进行信号分析。

2光纤传感器与岩土监测需要的契合

随着社会的进步，岩土工程的难度加大，对技术的要求也越来越高。岩土工程具有不确定性，同时由于设计的复杂性，项目目标往往很难达成。为了尽可能地控制好施工过程，必须充分掌握和利用各种信息，因此我们积极提倡信息化施工。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方，起到人的耳目作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器因其具有不受电磁干扰，信息量大，体积小，重量轻，抗辐射和防潮能力强，灵敏度高，易于与计算机应用相结合等众多优点，成为岩土工程检测的重要手段。在岩土工程中，通过光纤传感器检测技术可以对施工中出现的问题进行及时分析，通过获得的准确数据对设计方案进行调整，使效益最大化，能够实现对大型建筑物的在线实时监测，在防止安全事故方面具有重要意义。

3光纤传感器在岩土测量中的应用

岩土工程主要包括岩土测量、基坑支护、边坡支护、地下硐室、地基处理和桩基础等内容。本文以岩土测量和边坡支护为例探讨光纤传感器在岩土工程中的应用。

3.1光纤传感器在隧道监测中的应用

光纤传感器在隧道上应用比较成熟，例如武汉的天兴洲大桥上有成百上千个光纤传感测点，时时监控桥梁的结构、受力和振动等情况，一旦发现异常，管理机构就能立即采取措施。以某湖底隧道为例，施工地质条件不理想，难度大，尤其是湖区沙层分布广泛，厚度大，对隧道结构采用了分布式BOTDR光纤检测系统，沿隧道轴向敷设4根光纤，其中两根全面接着（监测隧道整体变形），两根定点接着（监测变形缝和潜在变形处的变形情况）。通过采用光纤传感器对隧道进行监测，实时监测隧道变形情况，能够获得可靠的数据，可分析出正确结果，反映隧道实际受力情况，起到隧道的健康监测、预防保护作用；能够体现出光纤光栅传感器的强大优势，保证了施工的顺利进行，提升了施工质量。光纤传感器在桥梁隧道监测方面的应用主要有以下三个方面：对采用新型复合材料的桥梁结构进行监测，掌握材料和结构的工作性能；对交通枢纽或具有重大意义的大型桥梁进行健康监测，掌握桥梁的正常运行状态；对有一定损伤的旧桥进行监测，从而了解其健康状况并采取针对性的维护和加固措施。如图3所示：

3.2光纤传感器在边坡监测中的应用

边坡一般地形地貌复杂，容易受地震、降雨等因素的影响，坡体易发生变形，容易引发地质灾害，对其长期监测是非常必要的。光纤传感器的引入能够实现对易滑坡区段的实时监测，及时发出警报，为边坡加固和维持稳定提供依据。以某工程为例，其所处地区地形地貌复杂，降水量大，地下水位较高，岩土风化严重。公路边坡长51米，高10米，坡角35°。为了对边坡进行长期稳定监测，该现场安装了近百个光纤传感器，组成了一个监测和预警系统。该监测系统的布设主要包括以下几个部分：FBG监测抗滑桩、FBG测斜仪、FBG监测土钉、多通道扩展模块、光纤光栅解调仪和数据采集计算机，数据处理计算机。

为了监测土钉的受力状态，特选取一根14米的土钉将若干个光纤光栅应变传感器布设在钢筋上下表面上，还布设了10个光纤光栅温度传感器进行温度补偿，利用土钉应变数据来计算土钉的轴力和弯矩沿土钉长度的分布曲线。此外，选取了两根抗滑桩，在每根H型钢的两翼缘板上布设了18个光纤光栅应变传感器和9个光纤光栅温度传感器，并沿桩长用PVC线槽保护传输光纤。根据光纤检测资料，可以判断坡体下滑力和抗滑力的变化情况。最后，基于网络和基于Labview平台的采集和数据处理软件，利用计算机对监测数据进行分析，得出边坡坡表变形和抗滑桩的整体健康状况。

我国地域广大，地形复杂，泥石流和山体滑坡是常见地质灾害，加之人为因素的影响，使得坡体滑坡事故多发，因此边坡稳定的检测非常必要。光纤传感器在边坡支护中的应用技术有待于进一步开发和研究，以发挥更大作用。

4结语

光纤传感器以其强大的功能得到了广泛的应用，几乎涉及所有重要领域，它能够代替人类深入很多恶劣环境使用，解决了许多行业难题，其目前的发展趋势有四个，即全光纤微型化，多参量实时化，高精度实用化和阵列化、网络化等。随着技术的进步，光纤传感器必将扩展到更广阔的领域，发挥更大的作用。作为岩土工程工作者，我们要不断探索和学习传感器的应用知识，提高工作效率，确保工程质量。

参考文献

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作者简介：徐寿龙（1968-），男，江西乐平人，江西江汇地质工程勘察院岩土工程助理工程师。