摘要：本文介紹了巖土工程光纖檢測(cè)技術(shù)的基本原理，在強(qiáng)調(diào)巖土工程信息化施工的重要性的基礎(chǔ)上，還對(duì)光纖檢測(cè)技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用及其關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討。

　　關(guān)鍵詞：光纖傳感器,檢測(cè)技術(shù);巖土工程

　　引言

　　光纖檢測(cè)技術(shù)是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，它是利用外界因素使光在光纖中傳播時(shí)光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)以及波長(zhǎng)或頻率等特征參量發(fā)生變化，從而對(duì)外界因素進(jìn)行檢測(cè)和信號(hào)傳輸。輕細(xì)、柔韌并具有良好的可埋入性的光纖，能集信息傳輸與傳感于一體.由它構(gòu)成的傳感器，只需一光源和一探測(cè)線(xiàn)路，就可以對(duì)精光纖傳輸路徑上長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米甚至數(shù)十千米的信息( 如應(yīng)力、溫度、損傷狀況等)進(jìn)行測(cè)量與監(jiān)控。

　　光纖檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于土木工程界才剛剛開(kāi)始，目前集中于探索光釬傳感器埋入錒筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中( 如建筑物、橋梁、大壩) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性無(wú)損評(píng)估和內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)的可行性 。與當(dāng)前巖土工程檢測(cè)中所采用的傳統(tǒng)應(yīng)變片檢測(cè)技術(shù)相比，這種新技術(shù)有明顯的優(yōu)越性并顯示出很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　一、巖土工程光纖檢測(cè)技術(shù)的基本原理

　　目前世界上已開(kāi)發(fā)出的光纖傳感器種類(lèi)不勝枚舉，諸如應(yīng)變、加速度、壓力、振動(dòng)、水聲、溫度、電流、磁場(chǎng)、核輻射、氣體組分等等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的光纖傳感，新的傳感原理及應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。但真正適合應(yīng)用于巖土工程中的光纖檢測(cè)技術(shù)卻是很有限的，因它需滿(mǎn)足以下要求 ：

　　(1)高精度：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)巖土工程檢測(cè)精度的要求越來(lái)越高。

　　(2)長(zhǎng)距離：現(xiàn)代的大型或超大型結(jié)構(gòu)通常為數(shù)公里到數(shù)十公里(如三峽工程) ，這就要求能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)與信號(hào)傳輸。

　　(3)分布式：傳統(tǒng)的點(diǎn)式測(cè)量方法，工作量大，由于布點(diǎn)的隨意性，最危險(xiǎn)的地方可能被漏檢增加檢測(cè)點(diǎn)數(shù)，雖然提高了結(jié)果的可靠性，但工作量大為增加，因而需要一種線(xiàn)性測(cè)量方法。

　　(4)長(zhǎng)期性：傳統(tǒng)的巖土工程檢測(cè)方法一般是采用應(yīng)變片檢測(cè)技術(shù)。應(yīng)變片易受潮失效，而巖土工程中地下水是一個(gè)不可避免的因素;光纖的纖芯材料是石英， 外加高分子被覆層，本身耐腐蝕性強(qiáng)，也不怕地下水的影響，有利于長(zhǎng)期檢測(cè)。

　　二、巖土工程中信息化施工的重要性

　　信息化施工是指在施工過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置各種測(cè)量元件及儀器，及時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)并且加以分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行必要的調(diào)整，并反饋到下一階段的施工過(guò)程當(dāng)中，對(duì)下一施工過(guò)程進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，從而保證工程施工安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，巖土工

　　程項(xiàng)目越來(lái)越向大規(guī)模、高技術(shù)、高難度的方向發(fā)展。人們對(duì)工程質(zhì)量以及工程的進(jìn)度、成本、安全可靠性也提出了越來(lái)越高的要求。可是由于巖土工程的復(fù)雜性和不確定性使得這些要求難以得到實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于影響設(shè)計(jì)的因素眾多復(fù)雜、設(shè)計(jì)參數(shù)難以準(zhǔn)確確定、設(shè)計(jì)方法不夠完善等原因，經(jīng)常使得設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程狀況有較大的差異。傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì) 施工”模式往往難以確保項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此我們必須充分利用施工過(guò)程中所獲得的信息，對(duì)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整、控制，使巖土工程項(xiàng)目施工可以安全順利地完成，還可以節(jié)省投資，從而

　　收到更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　三、光纖檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于巖土工程的關(guān)鍵問(wèn)題分析

　　1.光纖的埋設(shè)

　　如何將光纖合理、完好地埋入巖土工程中，是實(shí)現(xiàn)巖土工程光纖檢測(cè)的第一 步。光纖在巖土工程中的埋設(shè)涉及到以下幾個(gè)基本問(wèn)題：(1)光纖如何無(wú)損傷地 埋入巖土工程中;(2)光纖的合理布置;(3)埋入光纖傳感器有關(guān)力學(xué)性質(zhì)與巖土 體力學(xué)性質(zhì)不一致時(shí)，光纖檢測(cè)數(shù)據(jù)的合理性。

　　對(duì)于土石壩、人工填土工程或混凝土結(jié)構(gòu)等，可以在邊施工時(shí)，邊埋設(shè)光纖。 對(duì)于非人工修建的巖土工程(如邊坡)等，可采用人工打鉆孔的方法，埋設(shè)光纖。 為了使光纖埋設(shè)布置合理，先應(yīng)對(duì)工程作力學(xué)分析，找出關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵段，以便 做到光纖布置考慮全局，重點(diǎn)突出。

　　工程中的粗骨料，混凝土的搗實(shí)、固化，土石壩的夯實(shí)等都會(huì)導(dǎo)致光纖的損傷。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，光纖埋入巖土工程中有如下幾個(gè)較好的方法;(1)先將傳感光纖埋入一小型預(yù)制件中，再把這一小構(gòu)件埋入工程中，這里值得注意的一點(diǎn)是，預(yù)制件材料的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與工程材料一致或相近;(2)對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可將光纖粘結(jié)到鋼筋上，一方面鋼筋可保護(hù)光纖，另一方面鋼筋的受力、變形足以反應(yīng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài);(3)在工程中埋入經(jīng)過(guò)特殊保護(hù)的光纜或光纖柬;(4)先采用小導(dǎo)管保護(hù)，在粘結(jié)劑固化之前將小導(dǎo)管拔出。

　　一般而言，光纖的物理力學(xué)性能與巖土工程介質(zhì)材料不一致。彈模不一致會(huì) 導(dǎo)致光纖傳感器所在處的混凝土產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)溫度膨脹系數(shù)不同時(shí)，溫度變 化會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力。研究表明：當(dāng)光纖直徑較小，即被覆層不是太厚時(shí)，這些影響都是可以忽略的，特別是將光纖粘接于混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋時(shí)效果很好，或?qū)⒐饫w粘接、埋設(shè)于與工程介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)相似的構(gòu)件中再埋置于工程中。

　　2.光纖埋設(shè)對(duì)工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

　　光纖埋設(shè)對(duì)新建的巖土工程(如土石壩)的強(qiáng)度的影響比較小，因?yàn)楣饫w比較小，光纖的高分子被覆層耐腐蝕性好，強(qiáng)度高。對(duì)原有的巖土工程(如邊坡)須采用鉆孔的方法來(lái)埋設(shè)光纖，那么它對(duì)工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響就不可忽略了。為了盡量減小這種影響，應(yīng)盡量采用小鉆孔，最好將光纖粘結(jié)于鋼筋上，再將它埋入鉆孔中，用水泥將它與工程介質(zhì)固定，這樣既有利于光纖的保護(hù)，對(duì)提高工程強(qiáng)度 也有好處。

　　3.光纖檢測(cè)與信號(hào)處理

　　傳統(tǒng)測(cè)試方法中，測(cè)點(diǎn)外露時(shí)，易遭人為破壞。光纖脆弱，測(cè)點(diǎn)保護(hù)應(yīng)特別重視。比較好的方法是將各測(cè)點(diǎn)用單芯光纜聯(lián)至一大光纜 ( 這些都埋于地下) ， 延伸至檢測(cè)站即可。采用分布式測(cè)量方法中的 O T D R法 與 B O T D A法，測(cè) 量距離都很長(zhǎng)，這樣可以把不同測(cè)點(diǎn)光纖連起來(lái)一并測(cè)量，只要不超過(guò)測(cè)量的距離量程即可。為了保證測(cè)量的可靠性，應(yīng)用微機(jī)來(lái)管理檢測(cè)系統(tǒng)，作定時(shí)檢測(cè)與分析;設(shè)定報(bào)警值，一旦某處報(bào)警，應(yīng)增加檢測(cè)額率并采用應(yīng)對(duì)措施。

　　四、光纖檢測(cè)技術(shù)在巖土工程信息化施工中的應(yīng)用探索

　　巖土工程包括基坑支護(hù)、邊坡支護(hù)、地下峒室、地基處理與樁基礎(chǔ)等多方面的工程內(nèi)容。先以土釘墻支護(hù)為例說(shuō)明信息化施工的重要性以及光纖檢測(cè)技術(shù)的可行性和優(yōu)越性。土釘支護(hù)相對(duì)于其它支護(hù)方式來(lái)說(shuō)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：材料用量和工程量少，施工速度快;施工設(shè)備輕便，操作方法簡(jiǎn)單;對(duì)場(chǎng)地土層的適用性較強(qiáng);結(jié)構(gòu)輕巧，柔性大，有良好的抗震性能和延性;經(jīng)濟(jì)，大大節(jié)約造價(jià)。而土釘支護(hù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于它可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所得數(shù)據(jù)，修改土釘間距和長(zhǎng)度。而且如果出現(xiàn)不利情況，也能及時(shí)采取措施加固，避免出現(xiàn)大的事故。所以，在信息化施工前提下，土釘支護(hù)有更高的安全度。上述優(yōu)點(diǎn)使土釘支護(hù)在我國(guó)的巖土工程中得到日益廣泛的應(yīng)用。

　　在土釘支護(hù)所要求的信息化施工中，我們除了要監(jiān)測(cè)相關(guān)部位的變形及位移外，還要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分土釘及錨桿的應(yīng)力變化。特別是對(duì)于一些重大工程，需要保證施工過(guò)程有很高的安全度，又要盡量節(jié)約造價(jià)這就必須增加監(jiān)測(cè)力度及監(jiān)測(cè)范圍。也就是要求測(cè)點(diǎn)多，實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)、精確，數(shù)據(jù)采集速度快，數(shù)據(jù)處理方便快捷。所以必須選擇一套能與信息化施工相配套的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)的電磁傳感檢測(cè)技術(shù)如應(yīng)變片等，相比于光纖檢測(cè)來(lái)說(shuō)主要有以下不足之處：首先是不夠精確，現(xiàn)場(chǎng)用電設(shè)備多，易造成電磁干擾，而光纖檢測(cè)不受電磁干擾;而且傳統(tǒng)的電磁傳感元件容易受到地下水或混凝土中一些化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，但光纖主要成分是二氧化硅，極不易受到腐蝕。因此光纖檢測(cè)受干擾小，結(jié)果更真實(shí)。其次，傳統(tǒng)的電磁傳感檢測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)收集難度大，特別是測(cè)點(diǎn)多的時(shí)候，信息反饋速度慢，數(shù)據(jù)處理過(guò)程繁復(fù)。而在光纖檢測(cè)技術(shù)中，可利用多路復(fù)用技術(shù)及分布式傳感技術(shù)，將各測(cè)點(diǎn)用單芯光纜聯(lián)至一大光纜(這些都埋于地下)，延伸至檢測(cè)中心的一臺(tái)微機(jī)上。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)收集。然后在電腦中用相關(guān)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理，當(dāng)處理結(jié)果超過(guò)預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)就及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。從而可以及時(shí)修改設(shè)計(jì)，增加或減少相關(guān)測(cè)點(diǎn)處的土釘數(shù)量或及時(shí)采取其它應(yīng)急措施，保證工程在盡可能節(jié)約造價(jià)的同時(shí)達(dá)到安全施工的目的。

　　除了土釘支護(hù)工程外，光纖傳感檢測(cè)技術(shù)在對(duì)錨桿支護(hù)時(shí)錨桿的預(yù)應(yīng)力變化，對(duì)地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)中(包括支撐)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移、撓度變化，以及對(duì)邊坡或巖體深部滑動(dòng)面的位置和滑距變化或?qū)Υ髩蝺?nèi)部裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同樣能得到很好的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]趙占朝，劉浩吾，蔡德所.光纖傳感無(wú)損檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)研究述評(píng)[J].力學(xué)進(jìn)展.1995,25(2):223-231.

　　[2]董書(shū)贊,曹平,萬(wàn)文,史海鷗.地鐵基坑邊坡土釘支護(hù)的監(jiān)測(cè)分析[J].建筑科學(xué)，2001，17(2)：30-32.

　　[3]劉元雪,鄭穎人.光纖檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用于巖土工程的關(guān)鍵問(wèn)題研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(5)：585-587.