分布式光纤传感技术在大型基建工程监测中的研究与应用

胡正春

摘要：随着在国家经济社会的快速发展，发电水利、公路桥梁和高铁矿山等大型基建工程的建设如火如荼的加速施工建设，为人们的日常生活与出行等提供了极大的便利。如何保证这些项目安全稳定持续运行，需要对其基础、结构和边坡等设施进行实时监测，分析评价，确保其安全可靠。分布式光纤传感技术在建筑工程结构监测上已得到成熟应用，通过对其在大型基建工程中基础、钢筋混凝土主体结构和边坡等项目可靠性监测研究与与应用，不仅保证了工程建设期施工安全质量，还持续为项目运营阶段的监测提供了保障，为项目全寿期安全稳定运营保驾护航。

关键词：分布式光纤传感技术;大型基建工程;研究与应用

一、引言

大型基础设施工程建设项目随着经济的快速发展也在快速地增加，包括发电水利、公路桥梁和高铁矿山等项目，这类工程项目工期较长，且施工环境恶劣，容易受到外部因素的干扰。在后期的使用过程中由于材料的老化腐蚀等问题也会导致工程结构出现损伤或是抵抗力衰减等问题，工程项目的使用寿命和健康不断地衰减，出现如边坡失稳 、混凝土结构出现变形、地基基础沉降等问题。地质结构相对复杂，也是地质灾害频发的原因之一。这些外部因素对于工程质量会造成不同程度的影响和破坏。为了确保其后期的安全使用，需要对其进行安全检测并评估灾害所造成的影响，所以使用何种技术已成为目前该领域重点关注的内容。

二、分布式光纤传感技术概述

分布式光纤传感技术最早出现于20世纪末，它与传统检测技术手段相比，它的应用不仅能够作为传感介质也是重要的传输通道。它能够对空间进行连续性的测量，当把光纤布入被监测对象时，它能够和被测对象的变形产生协调。通过一次测量就能够获取整个光纤的应变情况和温度变化的分布图[1]。如果在布置的过程中将光纤设计成网状，则可以得到更多维度的应变和温度变化数据，进而帮助检测人员进一步对岩体结构的受力以及变形情况进行分析。当然这种监测技术还具备高灵敏度、抗电磁干扰、良好的绝缘性以及耐久性等特点。基于此，分布式光纤传感技术的应用对于岩土和地质工程的施工监测具有非常重要的推动作用，得到了应用领域的广泛重视和认可。

三、分布式光纤传感技术在大型基建工程监测中的应用

发电水利、公路桥梁和高铁矿山等大型基建工程是关乎国计民生的百年大计项目，如何保证这些项目安全稳定持续运行，需要对其基础、结构和边坡等设施进行实时监测，分析评价，确保其安全可靠运营。

1、混凝土结构监测

钢筋混凝土是大型基建工程项目中重要的主体结构，其结构的稳定性将会影响整个建筑工程施工的安全和应用的稳定性。一旦混凝土结构出现变化，就可能会造成整个结构出现裂缝甚至塌落的情况，继而威胁整个工程建设的施工质量。而借助这项新型的传感技术能够对目前混凝土结构进行监测，寻找结构中的不足，并为其制定对应的解决方案，从而确保建筑的施工质量和使用寿命。如果在施工过程中由于施工技术不足或是防护措施不到位造成混凝土结构中的钢筋受到腐蚀，那么也可以通过这项监测技术找到问题点进而进行处理，确保工程质量[2]。针对一些施工环境较为恶劣的施工现场也可以通过该项监测技术为作业人员提供合理的现场监测数据，以便能够为防护做充足的准备工作。借助监测数据，还可以结合工程施工的实际情况制定出对应的应急预案，并结合工程施工的相关标准以及工程概况进行全面有效地对施工区域的岩土和地质工程进行全面检测，找到存在的不足点，制定改善方案，从而确保工程项目的顺利推进。

2、桩基工程施工监测

桩基对于建筑施工来说是建筑施工的根基，其稳定性和安全性关系到整个工程项目的施工质量。而桩基的承载力和强度以及后续的变形幅度都会影响上部建筑结构的稳定性和安全性。传统的监测方式采用了点式传感器，这种传感设备并不能完全对桩基进行检测也不能反映出桩基的受力和变形的情况，给后续的施工造成一定的困扰。而采用分布式光纤传感技术能够对桩基进行全面地检测，不仅数据准确度较高，同时也能够为后续的施工工作提供一定的参考。所以在该领域具有很广泛地应用前景。通过不懈地试验研究，将这项技术应用于不同种类的桩基施工项目中，能够对桩基的损伤进行识别。同时通过技术研发还采取了光纤预埋设的方式以及对应的数据处理技术。通过实践可以得出，这种新型的分布式传感检测技术能够有效地替代傳统的监测不足的问题，并对监测中的存在的误差提出合理的建议和处理方式。当然在具体应用和执行的过程中还需要提前做好准备工作，确保施工进程的合理性，提升施工效率。所以在实际进行监测之前需要相关的技术人员和作业人员进行全面检查，找出问题，制定对应的解决策略。

基坑开挖过程中对于自身的稳定性以及周围建筑的影响较大，所以为了避免基础结构的变动对周围造成影响，引发安全事故，因而需要对基坑工程进行监测。尤其是基坑深部土体的位移监测工作和稳定性评价。通过采用分布式传感技术的应用，有效地监测到土地的变化情况，也可以借助温度补偿的方式了解土体的应力、温度等信息。但是这项技术在基坑监测内的实际应用仍存在一定的问题，比如光纤的布设，传感器的放置和封装以及运行过程中的维护等。

3、边坡监测

发电水利、公路桥梁和高铁公路等大型基建工程的部分位置都会采用边坡施工工艺，而不同区域的气候条件的变化引起的强降雨、水位变化或是地震情况很容易造成泥石流、滑坡等问题。为了预防这种次生灾害的影响对边坡进行长期监测是非常必要的。光纤传感监测系统的应用恰好满足了这一应用要求，为边坡的失稳监测提供数据信息。近些年来随着对地质灾害的防控预防工作的落实，对于现行的BOTDR技术应用的可行性进行了分析，发现由于光纤与土体之间的变形协调性较低，所以将光纤附着在锚杆以及框梁中对其进行监测其效果要比将光纤埋入土体内的效果更加明显[3]。尝试使用分布式光纤来检测土堤坝的安全稳定性，获得了良好的检测成效。

四、温度补偿技术以及工程技术应用

目前FBG技术以及DOFS技术对于应变以及温度都具有一定的敏感性，要让其发挥作用就必须进行温度补偿，从而避免温度对监测结果的影响。目前所采用的温度补偿的方式主要是以安装光纤光栅温度补偿器为主。如果是在长距离的监测情况下，则需要设置两套监测设备，用于不同的情况。虽然这套光纤测温技术已经逐步成熟，但是在具体应用过程中仍会存在很多问题。比如，光纤监测系统的应用会受到安装施工和布设的方式的限制，也无法确保在复杂环境下传感器的应用成功率以及监测数据的稳定性[4]。同时对于温度测量要求较高的分布式测温器监测精度也很难达到预期。光纤传感技术目前在大型基建工程项目领域中的应用仍不成熟，在实际应用中任存在技术实施难点以及经验不足的情况，无法确保方案设计的有效性。尤其是在一些复杂环境要确保监测数据的准确性以及稳定性还需要不断提升应用技术水平。

五、结束语

通过对大型基建工程施工和运营阶段分布式光纤传感技术的应用进行分析和研究，了解到这项技术应用所带来的技术升级同时也了解到这项技术在实际应用中仍存在的不足，仍需要投入更多地研究与优化完善，才能更好的推动这项技术的应用，更好为工程项目建设与安全稳定运行保驾护航。

参考文献

[1]李世念，张旭苹，宋宏，陈健，张益昕，陆金波，赵晓京.分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用[J].应用科学学报，2020，38（02）：215-225.

[2]朱鸿鹄，施斌，张诚成.地质和岩土工程光电传感监测研究新进展——第六届OSMG国际论坛综述[J].工程地质学报，2020，28（01）：178-188.

[3]雷武林，柴敬，杜文刚，张丁丁，刘奇.光纤传感技术在岩土工程中的研究进展[J].陇东学院学报，2019，30（02）：36-40.

[4]柴敬，张丁丁，李毅.光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用研究进展[J].建筑科学与工程学报，2015，32（03）：28-37.