光纤测量技术在岩土工程中的应用

光纤测量技术在岩土工程中的应用

杨铮

南京南大岩土工程技术有限公司  江苏南京  210000

摘  要：光纤作为建筑常用材料，具有传感与传输双重功效，在岩土工程测量中具有十分广阔的应用前景，在有效提高工程测量准确性的同时，可为工程顺利进行提供有效数据参考。本文将以光纤测量技术的具体应用特点为依据，对光纤测量技术在岩土工程中的应用情况进行分析，以期为相关人员提供有效参考。

关键词：光纤；测量技术；岩土工程

引言：相关研究指出，我国近年来开展的各大类型基建项目，均发生过较大的安全隐患与事故，如施工技术不到位、工期延误、施工质量不达标等，在造成一定经济损失的同时，对施工人员的安全造成了一定威胁。岩土工程的结构较为复杂，地下环境较为恶劣，产生各种安全隐患的几率较高。为保障岩土工程施工安全，降低不良事件发生几率，企业应合理、有效的应用光纤测量技术。

1.认识光纤传感器与光纤传感系统

1.1  光纤传感器主要类型

光纤传感器工作流程是将被测对象的状态变化信息转变为可处理信号，并将信号有所送出的过程，现阶段，专家学者多将光纤传感器分为功能型、非功能型以及拾光型三大类，具体分类及依据如下：

（1）功能型光纤传感器

功能型光纤传感器是指借助光纤本身特性，将其作为敏感元件，通过调制光纤内传输的光，使传输光的强度、相位、偏振态与频率等特性发生变化，并通过被调制过的信号进行调解，得出被测信号的过程。与其他光纤传感器相比，功能型光纤传感器具有灵敏度较高、结构紧凑的优点[1]。

（2）非功能型光纤传感器

非功能型光纤传感器是指将光纤作为传输信息的介质，利用其他敏感元件感受被测量的变化的传感器类型，常采用单模光纤。非功能型光纤传感器的工作原理是由敏感元件对外部环境变化情况进行探测，并由普通光纤完成探测信息传输的过程，该类传感器无需其他特殊技术或特种光纤，可用现有的光变换器件来实现传感器灵敏度的提高，操作难度较小，比较容易实现，为目前使用量最大的光纤传感器类型[2]。

（3）拾光型光纤传感器

拾光型光纤传感器是指用特种光纤代替探头，接收由被测对象辐射的光或被其散射、反射的光。基于上述特点，拾光型光纤传感器又被称作探头型光纤传感器，常见如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等均属于该类型的光纤传感器。

1.2  光纤传感系统主要类型

我国钱学森等多个学者认为，系统是由相互作用于依赖的若干个组成部分结合成的有机整体，该整体存在着特定功能。按照光纤传感系统的具体分类形式可对其进行不同分组，详情如下：以复杂性为依据可分为简单以及复杂系统，按照系统结构进行分类，可分为开放性以及封闭性系统，按照组成系统分类的子系统数量可分为简单与巨系统，而我国目前常用的分类形式与主要类型如下：

（1）单点式

单点式光纤传感系统的精确度较高，不易受温度变化的影响，多用于测量局部敏感或特征点，如坝体结构裂缝或隧道伸缩缝等。

（2）准分布式

该模式的光纤传感系统是指以单点传感系统为基础，结合空间分布特征，针对不同耦合调制类型、一根及多根光纤总线传播形式，实现对频分复用技术多点测量的系统，多用于大型基础建筑与设施的多点监测。

（3）分布式

分布式光纤传感系统是指以多根性质特殊光纤作为基础传感器件，有效获取被测对象沿着光纤时间与空间变化相关特征参数的系统，多用于测量与监测大型工程体系的整体变化[3]。

（4）混合式

混合式光纤传感系统同时结合了单点式、准分布式以及分布式光纤传感系统的优点，测量精确度较高。

2.光纤测量技术在岩土工程中的具体应用

2.1  测量岩土工程

岩土工程现场环境较为恶劣，实际施工中存在较多的不可控因素，施工质量易受到施工环境以及人为要素的影响。因此为保障岩土工程质量，测量人员在开展测量工作时，应采用光纤测量技术对岩土层位移、压力以及应力变化情况进行准确测量。光纤岩土工程测量包含多个系统构架，在实际测量时可以环境变化及自然灾害问题为依据，做出有效的判断与预警，在有效提高工程测量前瞻性的同时，可降低不良事件发生的几率，从而为解决相关问题提供有效的技术支持[4]。

2.2  测量岩土现场

相关研究与标准指出，岩土现场测量的重要性较为突出，为评估测量技术运用灵活性以及市场适用性的重要标准。目前，我国大部分岩土市场涉及的施工与内容较为复杂，不同技术所需要的测量数据存在一定差异，加之部分岩土结构密度较高，无法提供全面的测量数据与内容，从而对施工现场的工作造成了一定影响。光纤测量技术的使用与推广。则可有效弥补上述不足[5]。

2.3  测量边坡施工

相关研究指出，当工程施工强度较高、长期对土层进行振捣，将使得土层密度有所下降，并产生边坡变形、地面塌陷、裂纹等不良现象。在影响施工进度与作业安全性的同时，还会对施工人员的生命健康造成一定影响。因此，为保障岩土工程质量，降低边坡变形产生几率，企业应采用光纤测量技术格测量岩土工程边坡结构的稳定性，并以测量结果为依据，制定良好的变形应对方案，以便发生不良故事时，最大限度降低经济损失。

2.光纤测量技术在岩土工程中的应用途径

3.1  改善测量信号

信号为保障光纤测量技术得以有效应用的基础，信号数据传输的稳定性以准确性，直接影响着后续阶段对岩土层施工情况的判断。因此，为保障光纤测量技术得到有效应用，企业需根据地理环境不断提高信号波长，促使信号有效覆盖各个数据节点，从而解决光纤测量数据信号传输不稳定的问题。目前，我国大部分光纤测量主要通过光路系统开展，信息稳定性较差，当遇到高密度岩土层时，不利于结构信号的传导。因此，为有效提高信号的传输质量，实际测量时可选用数字信号或无线网络信号[6]。

3.2  改善信号采集控制能力

为使光纤测量技术有效应用在岩土工程中，企业应有效提高信号采集能力，以便解决信号干扰，防止设备振动横向应力对信号数据的输入及输出造成一定影响。基于上述特点，企业首先应制定合理的信号特征提取方案，结合信号传输设备特点，设计多种信号信道传输节点，并提升对不同信号节点的传输控制度。

3.3  完善安装分布方式的选择

企业在安装光纤传感器时，需根据被测量数据内容，对安装方式进行有效调整，并将适宜的填补材料填补进光纤结构与套管之间，以便保障数据测量的准确性，防止数据测量时出现断流。企业在选择填充材料时，应尽可能的选择与被测结构性质一致的填充物，如测量岩土工程时，可将填充物选用为部分岩土物料，以便使得数据测量环境与岩土工程患者相一致[7]。

3.结束语

综上所述，光纤测量技术的种类较多，不同技术对光纤测量结构以及数据获取可信度的影响较大，为保障光纤测量技术能够有效应用在岩土工程中，技术人员在选取测量技术类型时，应以岩土环境变化为依据在，将测量构建系统布置在不同的测量节点，以便提高测量数据的可控性及可用性。

参考文献：

[1] 赵雨,于长一,徐颖. 基于光纤布拉格光栅的岩石内部变形测量传感器[J]. 三峡大学学报（自然科学版）,2021,43(6):29-36.

[2] 曹洪亮,李广昊,陆小蕊,等. 波形钢腹板组合梁体外预应力筋模型试验及建议公式[J]. 建筑结构,2022,52(6):119-125.

[3] 崔咏军,孙阳阳,谢渊洁,等. 光纤测斜技术在基坑工程监测中的应用研究[J]. 工程质量,2019,37(3):43-46,52.

[4] 高磊,龚云皓,余彦杰,等. 基于布里渊散射光时域反射测量技术的分布式光纤测斜管研发与应用[J]. 科学技术与工程,2017,17(30):81-85.

[5] 刘喜凤,朱鸿鹄,王家琛,等. 基于神经网络的改进型土壤水分光纤感测技术研究[J]. 岩土工程学报,2022,44(9):1721-1729.

[6] 刘喜凤,朱鸿鹄,王家琛,等. 非饱和土水分迁移感测的主动加热光纤光栅法试验研究[J]. 岩土工程学报,2022,44(8):1443-1452.

[7] 朱栋梁,林伟宁,程贵海,等. 基于光纤传感技术的桩体位移监测方法研究[J]. 人民长江,2022,53(5):168-175.