光纤光栅传感技术在基坑监测中的应用

那昊亮 郭晋杰

1.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东深圳 518000；2.深圳湾区城市建设发展有限公司，广东深圳 518054

0 前言

基坑监测是建设工程施工过程中的一项重要内容。通过使用一系列严密的监测设备与方法，对基坑周边土体、环境、支护结构等部件的变化情况进行观察、测量与分析，从而可以评定该工程目前的稳定状态以及后续发展趋势，为接下来的项目开展提供指导性意见。但目前绝大多数的监测工作仍然是通过人工到现场以点式测量的方式进行。这种方式不仅效率较低，同时不可避免地存在因人为因素而导致的数据处理错误。错误的数据有可能带来灾难性的后果。为此，近年来各个城市相继建起了基坑监测平台，通过自动化监测设备及时上传监测数据，计算机进行自动计算分析，并出具报告，减少了人为参与数据计算的因素。但该方法仍然需要人工到现场进行测量作业，或者将自动化监测设备架设进施工场地，进行自动化监测。仍然需要考虑后续场地的供电、设备安装位置、信号传输、防盗、腐蚀、电磁干扰等一系列问题。而近些年出现的光纤光栅传感技术就能较好的解决上述问题。

1 光纤传感的优势

光纤传感技术起始于1977 年，随着光纤传输技术的不断发展，目前光纤传感技术已经广泛应用于电子通信、国防军事、能源环保、石油化工、航天航空等领域。光线在光纤中传播，容易受到外界环境的影响，从而发生光强、相位、频率等参数的变化。人们通过对这些参数进行数据采集、观察和分析，就能准确掌握相对应物理量的变化。目前，通过光纤可探测变化的物理量多达百余种。相对于传统传感器，光纤具有以下较为明显的优势：

（1）无需供电，电绝缘性好

光纤本质是一种特制的玻璃或塑料纤维丝，根据光的全反射原理，光在纤芯中发生全反射，沿着纤芯传播，从而达到远距离传输的目的。

（2）抗电磁干扰

在工程环境中，不可避免存在高磁场、高湿度、高腐蚀性的环境，纤芯本质上是二氧化硅，性质非常稳定，在恶劣环境下依然可以正常工作。

（3）灵敏度高

光纤传感是利用光在光纤中传播，外界环境发生变化会引起光纤本身发生形变，从而导致纤芯内传播的光参量发生变化，这种形变的感应灵敏度可达到微米级别。

（4）测量物理量多，监测范围广

目前，光纤能测量诸如位移、压力、温度、振动、液位、形变、弯曲、流量等物理量。

（5）光缆的造价成本较低，适用于大面积的推广。

2 光纤传感原理

2.1 光纤传感器分类

光纤根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、频率调制型、相位调制型、偏振态调制型以及波长调制型。顾名思义，不同调制类型的光纤传感器其应用原理不尽相同。光强调制型光纤是利用被测信号调制光强，使探测器接收到的光强度随着被测信号的变化而变化。光强型光纤传感器优点在于其调制方法简单、响应速度快、运行可靠、造价成本低等，目前使用面较为广泛。但使用过程中也发现其缺点同样较为明显，如测量精度偏低，容易产生漂移，所以需要采用一些补偿措施。随着光纤技术的发展，在对测量精度需求较高的情况下，采用相位调制型和偏振调制型传感器越来越多。本文所采用的光纤布拉格光栅传感器就是波长调制型光纤传感器。

光纤布拉格光栅（fiber bragg grating，FBG）传感器是目前应用最为广泛的一种光纤光栅传感器，其中最主要的部件就是光纤布拉格光栅，其基本结构如图1 所示。

FBG 是光纤中的一种无源器件，是利用强紫外线激光，以空间变化的方式刻录在标准单模光纤中心的光学传感器件。短波长的紫外线光子具有足够高的能量，用以打破稳定的氧化硅材料，从而破坏光纤的现有结构，增加光照部分的折射率。折射率发生周期性变化的光纤区域会形成一个具有特定波长选择性的光栅区域，其传感原理如图2 所示[1-2]。

光在单模光纤中向前传播，并在每个光栅上发生特定波长的反射，这些反射光会在某个特定的窄带波长范围内形成干涉，干涉光会沿着光纤原路返回，并形成中心波长为λB的窄带反射光。所以，光纤布拉格光栅的作用就是将波长为布拉格波长的光反射回去。由耦合模理论可知，反射光的中心峰值波长λB即为布拉格波长[3]，其大小如下式所示：

其中，λB是光纤布拉格光栅反射中心波长；neff是光纤纤芯的有效折射率；Λ 是布拉格光栅的周期，即光栅的栅距。使用光谱仪或者光纤光栅解调仪可获得反射谱的中心峰值波长，即光栅的布拉格波长。

当宽带光源通过光纤光栅时，满足布拉格条件的光会被光栅反射回来，其他波长的光将透射过去。通过测量反射频谱的位移量，就可以得到被测量物理量的变化。利用这一特性，可制成测量各类物理量的光纤布拉格光栅传感器件。

当光栅受到轴向应力和外界温度变化影响时，光纤布拉格光栅位置发生微小形变，从而引起该段光栅处有效折射率neff及布拉格光栅周期Λ 的变化，最终导致反射光的中心峰值波长λB发生位移。

通过检测反射光中心峰值波长的变化量就能获得相应温度、应变的变化信息。其中，应变量通过弹光效应和光纤光栅伸缩影响ΔλB，而温度通过热光效应和热膨胀效应影响ΔλB[4]。

2.2 光纤布拉格光栅复用技术

一般来说，单个光纤光栅传感器只针对某一特定区域的某一特定物理量进行监测。但在实际的基坑监测项目中，往往需要同时监测大量的监测点，以及更多的参数，所以对于光纤光栅技术提出更高的要求。对于这一问题，目前可采用光复用技术来解决。光复用技术是指为了提高通信线路的利用率，在同一传输线路上同时传输多路不同信号，而信号间互不干扰的技术。光复用技术的种类非常多，目前应用较为广泛的主要有光波分复用（wavelength-division multiplexing，WDM）技术以及光时分复用（optical timedivision multiplexing，OTDM）技术。

光波分复用技术的基本原理是在发送端用宽带光源照射同一根光纤上的多个不同反射中心波长的光纤布拉格光栅，由于各个光栅的反射中心波长不同，可以通过波长特征来寻址，从而分辨出不同的信号。但由于光源带宽的限制，各传感光栅中心波长所占据的频带资源有限，再加上待测量存在一定的动态范围，所以在实际使用过程中利用光波分复用技术可复用的传感器数量并不多。

光时分复用技术的基本原理是在同一根光纤上可以将信道分成若干个时间片段，由不同的信号使用不同的时间片段，从而达到同一条光纤传输多路信号的目的。在实际应用的过程中，可将多个光纤传感器串接，信号在光纤传输的过程中，从任意相邻的两个光纤光栅传感器上反射回来的信号在时间轴上是分隔开的，利用这一现象，可实现在同一根光纤上间隔一定的距离后，使用同一中心波长的多个光纤光栅传感器，从而解决了因光频带资源有限而无法复用更多光纤光栅传感器的问题。在接收端，可通过接收到多个光脉冲的延时分辨出多个脉冲信号。当光源带宽和被测对象的动态范围不再成为制约因素，则在同一根光纤上可复用的光纤光栅传感器数量将大幅提高[5-6]。

3 光纤光栅在基坑监测中的应用

3.1 在混凝土支撑结构内力监测中的应用

光纤应力计的安装与常规应力计安装类似，均应在混凝土支撑的监测截面选择对支撑结构受力较大、有代表性的位置进行布设。在支撑钢筋制作的过程中，一般在被测断面上下左右的四个面埋设光纤应力计。监测点的数量和间距应视具体情况而定，通常选择混凝土支撑长度1/3 断面处，在钢筋笼绑扎过程中，用焊接的方式将光纤应力计焊接在钢筋笼四个角上，并取代一段主筋，然后跟随钢筋笼一并浇筑进混凝土内。在基坑开挖的过程中，光纤应力计与混凝土支撑一并受力变形，通过接收并计算光纤应力计的布拉格光栅反射中心波长变化量ΔλB，即可得到混凝土支撑轴力的监测数据。

在安装前，应先使用光栅光纤解调仪检查传感器光谱和波长是否完好，数值指标和量程是否与设计指标一致；安装完毕后，应记录安装的时间、位置、设备编号、安装人员等基本信息；由于焊接过程中的高温会对光纤应力计产生影响，故在用电焊机焊接光栅应力计、主筋和连接钢筋时，应用湿毛巾将光纤应力计包裹，并不断浇水降温，防止焊接的过程中损坏传感器；焊接完毕后，应立即用光纤光栅解调仪检测传感器是否正常，如发现损坏，应立即更换；确认安装成功后，记录好光谱和波长信息，并对接引光纤做好保护工作。

3.2 在钢支撑轴力监测中的应用

钢支撑轴力可采用光纤光栅表面应变计进行监测，通过两夹具间的位移变化量来计算钢支撑轴力的变化。光纤光栅表面应变计可直接安装在钢支撑表面1/3 断面处，监测方向应平行于轴力受力方向，一般来说，应安装在支撑轴上下左右四个面上，但为了建设成本及安装便捷程度考虑，也可简化为在钢支撑水平对称布设两个监测点位。

安装时，先将夹具固定安装在设计点位上；然后将光纤光栅表面应变计固定在夹具上，预拉调整应变计的量程范围；最后接引光纤保护并引出。

将应变计安装到夹具的过程中，在旋紧固定螺丝时应时刻注意光纤光栅反射光波长的变化量，如变化量过大，应及时停止旋紧螺丝，调整应变计位置后再重新旋紧，防止在安装的过程中损坏应变计。由于光纤内部较为脆弱，在安装过程中应注意对接引光纤的保护，防止因碰撞、砸落而导致接引光纤的折断[7-8]。

3.3 在孔隙水压力监测中的应用

孔隙水压力监测采用光纤光栅孔隙水压力计监测。在基坑周边的孔隙水压力监测点位钻孔，钻孔深度应超过光纤光栅孔隙水压力计埋深约50 cm，先用透水性好的中砂回填至压力计安装位置。安装前，应先用纱布将压力计包裹并捆绑牢固，防止传感器被泥沙堵塞；将压力计放入钻孔后，再用细沙回填，以保证压力计埋设位置的透水性，确保检测数据的可靠程度；埋设完毕后，将接引光纤引出地表并与主光缆熔接；最后采用膨润土进行封口[9]。

光纤光栅孔隙水压力计应提前2周左右布设完毕，埋设时注意压力计应被水完全浸没，并排净透水沙中的小气泡。

3.4 在地下水位监测中的应用

地下水位监测可采用光纤光栅液位传感器，通过液体压力，施加水压在液压传感器上。光纤光栅解调仪通过测量波长的变化量，计算出液位计所在位置的水压力，然后根据液体压力、所在位置与液体密度的关系可以算出此时液面的相对高度，再根据液位传感器的安装位置，即可得出此时液面的高度值。

3.5 在锚索（杆）应力监测中的应用

锚索应力监测可采用光纤光栅锚索轴力计。锚索应力监测点布置在竖向高程的各道锚索上，锚索应力监测数量不应少于锚索总根数的3%。光纤光栅锚索轴力计与常规锚索轴力计安装过程类似，先将待需观测的锚索埋入孔内，待锚索内锚固段及锚索孔孔口支承墩达到设计强度后，在张拉前将内垫板穿套在锚垫板外侧；将监测锚索从传感器中心孔穿过，传感器断面与孔轴线应垂直，其中偏斜度应小于0.3°，偏心不大于3 mm；待传感器穿套完成后，继续穿套外垫板等部件；全部安装完成后，对光纤光栅轴力计、孔口垫板和锚孔三者同轴测试，在加荷载张拉前，还应测量轴力计的初始值，作为监测的基准值；然后进行张拉加荷，达到设计张拉荷载后，计算传感器测试值并与设计值进行比对，比对一致后，即可使用。

4 结束语

光纤传感技术已广泛应用于各行各业中，技术层面上也已经趋于成熟，但作为自动化监测的一种手段，光纤光栅监测技术目前仍处于起步阶段。光纤光栅凭借着其体积小、灵敏度高、抗电磁辐射、安全高效、环境适用性高等优点，已应用到越来越多的场景中，尤其是相对较恶劣的环境，光纤探测有着不可比拟的优势，能够代替人们解决许多行业中的难题。本文通过对光纤布拉格光栅传感器原理的分析以及安装过程的介绍，表明目前光纤光栅传感技术已经可以应用到基坑监测中，为今后光纤光栅传感在自动化监测中的应用提供一些参考。