光纤传感技术在房屋监测中的应用探索

■ 李 超 Li Chao

光纤传感技术在房屋监测中的应用探索

■ 李 超 Li Chao

为探索光纤传感技术在房屋监测中的应用效果，同时采用光纤传感技术和传统人工测量技术两种方式，对房屋的相对沉降、倾斜和裂缝发展三方面信息进行了监测，并对两种测量方式的结果进行了对比分析，结果表明光纤传感技术与传统人工技术测量结果基本接近。

光纤传感技术；相对沉降；倾斜；裂缝发展

0 引言

光纤传感技术是通过对光纤内传输光某些参数（如强度、相位、频率、偏振态等）变化的测量，实现对环境参数的测量。按照折射率的分布，光纤光栅可以分为周期光纤光栅与非周期光纤光栅，其中周期光纤光栅是最普通和常用的。若按照折射率变化的周期长短，光纤光栅可以分作长周期光栅和短周期光栅两类。短周期光栅又被称作布拉格光栅（简称FBG），光栅的周期一般小于1μm；长周期光栅又被称作传输光栅（简称LPG），光栅的周期大于1μm。布拉格光栅是一种在光纤中制成的折射率周期变化的光栅，其周期不同，反射光的波长也不同。当这种带有布拉格光栅的光纤受到拉伸或压缩以及所处温度发生变化时，其周期发生变化，从而反射光的波长也改变，通过测量反射光波长的变化即可得知光纤所受的应变或所处的温度值[1]。

光纤传感技术作为工程领域的一项高新前沿技术，在轨道交通、桥梁、软土地基、滑坡监测等方面已有较多应用[1-3]，既有短期的检测测量，也有长期的动态监测。目前工程上采用的光纤传感器测量系统主要由4部分组成：光源、光信号传输、传感头、光电转换及信号处理。同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器在传感网络应用中具有非常明显的技术优势。光纤传感技术也存在不成熟之处，如成本价格相对较高、易受到外部环境影响（温度、湿度等）、材质脆弱等缺点。

目前在既有房屋监测领域，间断性测量是常用的方法，多采用水准仪、经纬仪、裂缝刻度仪等仪器人工监测房屋的沉降、倾斜、裂缝。传统房屋监测仪器存在一定的局限性，如安装困难、监测范围小、长期稳定性差、不能及时准确地传递给建设、管理和维修等部门所需要的信息。因价格昂贵等原因，虽然目前光纤传感技术在房屋监测中已有少量应用，但主要用于保护建筑等重要建筑物。为探索如何在既有房屋监测中应用光纤传感技术，本文通过上海市某基坑施工影响周边房屋监测项目，采用传统人工测量技术和光纤传感技术（FBG）对房屋进行施工影响监测，以对比研究光纤传感技术（FBG）在房屋监测中的应用方法和实际效果。

1 工程概况

上海某项目，拟建地上建筑1栋局部17层塔楼的高层建筑，塔楼高度不超过82m，设有4层裙房和2层地下室。该项目总建筑面积25 344m2，其中地上面积18 806m2，地下面积6 538m2。项目基坑面积3 057m2，基坑延长220.6m，基坑开挖深度约11m。位于基坑施工影响范围内的房屋共有9幢，本次选取对其中的4#建筑物沉降、倾斜及裂缝发展进行监测。

4#建筑物由2个4层混凝土框架结构组合而成，中间设置伸缩缝。南侧的建筑物为4-1#，北侧为4-2#建筑物。其中4-1#建筑物总高12.8m，为两跨5开间的混凝土框架结构，开间间距为4m，两跨跨度均为6m，建筑物总宽12m，总长20m。4-1#建筑物与基坑施工的最近距离为10.3m（图1、2）。

图1 4#建筑物与基坑施工的平面关系

图2 4#建筑物与基坑施工的剖面关系

2 监测方案

在本次监测中，同时采用光纤传感技术和人工测量技术对房屋进行监测，在相同位置设置相应的监测点进行监测和对比。

在光纤传感监测系统中，光纤传感器两端均为联络通信线，光纤传感器的信号可以通过两端连接到主机。本次现场共使用5个传感器，因数量较少，可直接通过部分串联的形式将所有传感器连接到主机上，其中Q-1与C-1串联，L-1与L-2串联，C-2单独一根网线，上述3根光缆连接到控制主机上。主机内部设置无线模块，无线模块通过Internet网与控制端进行连接，控制端设置在室内办公地点。

2.1 倾斜监测

2.2 沉降监测

图3 监测点布置图

图4 现场安装好的光纤倾斜计

图5 现场安装好的光纤水准仪

2.3 裂缝监测

根据前期墙体观测的情况，选取4-1#楼与4-2#楼伸缩缝处较明显的裂缝（此处没有结构上的意义，本文主要为探索性的对比分析，具体位置见图3），监测该处的两条裂缝宽度。其中一条为伸缩缝形成的裂缝，定义此裂缝编号为L-1，位于4-1#和4-2#建筑物中间；另外一条位于4-1#建筑物围护墙体上的裂缝，定义此裂缝编号为L-2（图6、7）。光纤传感监测中，裂缝宽度采用光纤裂缝计，从一道支撑拆除开始，到二道支撑拆除为止，全过程进行测量和数据采集。光纤传感监测中，需要通过温度传感器进行温度修正，分别在L-1、L-2监测点安装温度传感器。人工测量方案中，采用裂缝刻度仪进行裂缝监测。

3 监测结果分析

采用光纤传感技术和人工测量技术两种方式，本次监测共进行了26d，采集了2个监测点相对沉降值、2个监测点裂缝宽度值和1个监测点倾斜值。光纤传感采集频率为1hz，每分钟产生60个数据，数据量庞大，本文列出的为每隔1h的数据。

以C-2处监测点数据为例，两种方式所监测的相对沉降值对比分析见图8。对于相对沉降值，光纤传感监测和传统人工测量结果的发展趋势相同，数值虽存在一定的差异但数值大致接近。光纤传感监测中日内相对沉降值出现周期性波动，可见光纤传感器测量相对沉降时受环境温度影响较大，但总体上能够反映房屋相对沉降的变化趋势。

两种方式所监测的倾斜率对比分析见图9。因本次监测的建筑物在监测期间的倾斜变化较小，导致利用两种监测方式所采集的数据在一个较小范围内波动，两者之间的对比结果不明显。

图6 L-1处现场安装的裂缝计

图7 L-2处现场安装的裂缝计

图8 两种测量方法中C-2处相对沉降对比图

两种方式所监测的L-1处裂缝宽度值对比分析数据见图10。两种方式所监测的裂缝宽度发展趋势相同，裂缝宽度数值基本接近。本次对比结果说明对于存在宽度的一定裂缝，传统人工测量和光纤传感技术测量效果都较好，数据较为可信，但光纤传感技术可以不间断、实时监测裂缝发展情况。因L-2监测点处裂缝宽度太小，无法通过传统人工测量方式进行测量，故对比结果不再给出。

从对相对沉降、倾斜和裂缝发展的监测结果看，光纤传感器可以24h不间断测量，弥补了人工测量的缺点，利用光纤传感技术可以实时掌握相对沉降、倾斜和裂缝的发展趋势，基本满足房屋实时监测的需要。在本次监测中，虽然通过温度传感器对温度进行了线性修正，但光纤传感器受温度等环境因素的影响仍然比较大，因此在应用光纤传感技术进行房屋监测时，应注意尽可能消除环境所带来的影响。

图9 两种测量方法倾斜对比图

图10 两种测量方法中L-1处裂缝宽度发展对比图

4 结语

光纤传感技术作为一种前沿的自动化监测信息技术，可以自动采集监测信息且不受人工影响，在应用于房屋监测领域时能够24h不间断监测房屋沉降、倾斜和裂缝等信息，可以实时掌握房屋沉降、倾斜和裂缝的发展趋势，为房屋监测提供了有效的技术手段，特别是在房屋安全预警等方面具有较好的应用价值。实际工程中，可以根据项目自身特点，将光纤传感技术与其他测量技术结合使用，发挥各种监测技术的优势，取长补短，以更有效地开展房屋监测工作。

[1]史彦新,张青,孟宪玮.分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用[J].吉林大学学报(地球科学版),2008, 38(5):820-824.

[2]庄一兵, 詹龙喜,许准,丁勇.基于光纤光栅技术的地铁隧道沉降监测[J].上海国土资源,2012,33(3):76-78.

[3]王建平.光纤光栅传感器在土木工程结构健康监测中的应用[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2004,,33(1):77-80.

Exploration of Application of Optical Fiber Sensing Technology in House Monitoring

In order to explore the effect of applying optical fiber sensing technology in house monitoring, it monitored data of relative settlement, inclination and crack development of house with both optical f i ber sensing technology and traditional manual measuring technology, and carried out comparative analysis to results obtained from such two measuring methods. The results show that the optical f i ber sensing technology is basically close to traditional manual measuring.

optical f i ber sensing technology, relative settlement, inclination, crack development

2016-03-31）

李超，上海市房屋安全监察所工程师。