光纤监测技术在土木工程中的应用

罗朝钦

（六盘水市六盘水师范学院， 贵州 六盘水 553004）

0 引言

现如今，土木工程的结构形式以及基础设施复杂程度逐渐提升，在建筑工程施工中，逐渐涌现出很多新型施工材料以及结构形式。随着使用年限的增长，有些土木工程逐渐暴露出质量隐患，对此，需采用先进的监测技术，掌握土木建筑工程安全现状。光纤监测技术是一种先进的监测方式，具有良好的物理化学特性，并且传感性良好，因此，对光纤监测技术在土木工程中的应用方式进行深入研究迫在眉睫。

1 光纤监测技术的特点及分类

光纤传感器系统是由多种设备所组成的，包括光电探测器、信号处理器、光源、光导纤维、光调制机构以及接口等等。在光纤传感器的实际应用中，可以将光波作为信息载体，另外，可将光纤作为传输媒质。对于光纤中的光波传输情况，可根据以下公式进行计算：

在上述公式中，E0指的是光波的振幅；ω指的是频率；φ指的是初相角。公式（1）是由 5个参数所组成的，具体包括强度、频率ω、波长相位(ωt+φ)以及偏振态，在敏感头内部，被测物体可以与光发生相互作用，在此过程中，如果光的强度发生变化，则可以被称为强度调制光纤传感器，以此为依据，可产生频率调制光纤传感器、波长调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器等等。

光纤传感器的类型有很多种，根据传感器的应用原理不同，可以将其分为两种类型，即非本征型传感器以及本征型传感器。其中，在非本征型传感器的应用中，光纤的功能为信号传输，而对于各类信号的感知，则是由化学敏感元件所完成的。另外，本征型传感器的光纤功能不仅包括信号传输，同时还具有感知功能，在外界因素的影响下，光纤的特征参量也会随之发生变化。根据测量空间的分布情况，可将光纤传感器分为三种，具体包括点式光纤传感器、准分布式光纤传感器以及分布式光纤传感器。

2 土木工程光纤传感技术应用要点

2.1 光纤传感器保护材料的选取

在对光纤传感器的保护材料进行选择时，需要综合考虑以下几点：第一，要求光纤保护材料应该具备一定的强度，避免在光纤接口位置发生磨损；第二，选择具有适宜厚度的保护层材料，确保其在埋入后，不会对结构的应力状态造成不良影响；第三，对于保护材料，应该能够与土木工程结构进行有效结合；第四，保护材料应具备良好的防腐蚀能力，尽量避免受到外界复杂环境因素的影响。

2.2 工艺研究

在对智能结构进行制备时，应该研究出能够实现批量生产的工艺和技术，具体而言，需注意以下内容：在埋入光纤传感系统结构时，应该注意尽量避免对智能结构的使用性能造成不良影响；准确确定光纤传感器探头的安装位置；对固化工艺进行升级优化，尽量避免在固化操作过程中对传感器探头以及光纤施加应力。

2.3 光纤光栅交叉敏感的消除

光纤光栅对于各类传感变量均具有一定的敏感性，具体包括应力、温度、应变等等。如果讲光纤光栅应用于多个参量的传感过程中，则应注意妥善解决好增敏和去敏问题。对于被测量物体，应提升其灵敏度，对于非测量物体，则应降低其灵敏度。比如，在对建筑工程基础底板进行监测时，可预埋光栅传感器，对底板的应力状态、应变状态等进行监测。在明确光纤光栅的特征参量之间的关系后，即可制定出温度监测、应变监测的双参量光纤传感器。

3 光纤监测技术在土木工程中的应用

3.1 在桥梁监测中的应用

桥梁工程为大型土木工程，在对桥梁工程结构进行监测时，重点监测参数包括以下几点：第一，车辆荷载信息，主要包括车辆在中、车流密度、车辆实施分布情况等；第二，环境荷载信息，具体包括环境中的温度荷载、风荷载等等；第三，结构信息，比如桥梁工程结构频率、周期等等。在对桥梁工程应用光纤监测技术时，首先需要对桥梁工程的结构特点进行分析，综合考虑桥梁工程结构的薄弱点、施工技术、桥梁结构重要程度等因素，选择适宜的监测点，然后在桥梁工程中安装传感器，对于各个传感器，可采用光纤连接方式，在传感器的应用中，即可对桥梁工程监测信息进行全面收集和整理，及时发现桥梁工程的安全隐患，为桥梁工程维修管理提供可靠依据。

3.2 在边坡稳定监测中的应用

在土木工程中，边坡是一种比较常见的工程形式，如果土木工程边坡稳定性降低，则容易发生一系列地质灾害，比如泥石流、花盆、岩崩、沉陷等等，随着各类地质灾害的逐渐发展，就会对土木工程造成严重破坏。在对边坡稳定性进行监测时，可采用光纤监测技术，比如，采用光纤光栅测斜仪对软土地基的侧向变形情况进行监测，采用分布式光纤光栅对测量桩的位移进行监测等等。在光纤监测技术的实际应用中，首先需要布置抗滑桩桩身弯矩测试传感器，然后再分别安装锚杆拉力测试传感器以及坡面位移测试传感器，对于各个传感器，可采用光纤进行串联，对于传感器测量所得结果，要求汇总至计算机中进行数据处理分析。

3.3 在地下工程灾害监测中的应用

现如今，在土木工程施工中，对于地下空间的利用率逐渐增加。在进行土木工程地下结构施工中，容易受到复杂水文条件的影响，在施工过程中容易发生突涌水、塌方等事故，施工难度和安全管理难度比较大，如果控制不当，则会引发严重的事故。对此，在地下工程施工中，也需要积极采用先进的光纤监测技术。地下空间的光纤传感体系是由五种传感器所组成的，具体包括流速传感、应变传感器、温度传感器、位移传感器以及渗压传感器，这几种传感器的监测对象分别为流速、应变、温度、位移以及渗压对于地下工程岩体的破坏过程，对于监测所得数据，要求进行汇总，然后进行系统性分析，如果参数达到临界值，则需要发出预警信号，为施工人员起到警示作用，施工人员可据此及时采取有效的应对策略。

3.4 在基坑监测中的应用

在土木工程中，基坑工程是十分重要的组成部分，基坑工程的建设和发展对于土木工程建设会产生较大影响。在对土木工程进行监测时，应该积极采用先进的智能结构系统理念，在土木工程中埋设光纤，将光纤作为传感元件，对基坑结构的强度、变形情况以及施工质量等进行监测管理，进而形成智能化水平较高的土木工程，对结构监测参数信息进行采集、处理和分析。在对基坑工程进行监测时，还可以在基坑内部设置智能结构监测体系，对基坑工程进行动态监测。现如今，光纤监测技术也逐渐被应用于基坑工程监测中，对于光纤传感器，可以随着钢筋混凝土结构埋设至土壤中，进而实现动态监测。在钢筋混凝土结构中，光纤传感器不应随意拜访，当埋入光纤时，如果对混凝土进行捣固和压实处理，都可能会对光纤传感器造成损坏，影响传感器的使用性能。对此，在光纤传感器表面，可配套使用金属导管，外包一条与混凝土膨胀系数较一致的金属导管，然后再讲光纤传感器埋入至小型预制构件中。另外，在基体材料与光纤之间，还应该使用具有良好性能的胶结剂。

3.5 在隧道监测中的应用

在土木工程中，隧道是由围岩以及支护结构所组成的，在对隧道工程进行监测时，需要综合考虑围岩以及支护结构的变形以及二者之间的相互作用，这也是隧道工程监测的重点。在对隧道工程进行监测时，监测重点包括围岩的变形情况、隧道位移、围岩压力、锚索受力、裂缝等等。

4 结语

综上所述，本文主要对光纤监测技术在土木工程中的应用方式进行了详细探究。在对土木工程进行监测时，传统的人工目视、机电类传感器监测方式已无法满足当前监测工作实际需要，而光纤监测技术具有及时性、精确性高等应用优势，通过将其应用于土木工程监测中，能够详细了解土木工程实际情况，为土木工程安全质量管理提供可靠依据。