岩土与地质工程中分布式光纤传感技术研究进展

高 磊，陈晖东，余湘娟，周 斌

(河海大学 土木与交通学院岩土工程研究所，江苏 南京 210098)

近年来我国经济飞速发展，大量高速公路、地铁、隧道等基础工程设施开工建设，为了保证工程设施的安全使用，对其进行健康评估与安全监测显得尤为重要.目前，对工程设施(含大型工程)的监测多采用电阻式、电感式和振弦式等传统监测技术，但其传感器为电感式或振弦式，材料为金属，在一些恶劣的岩土与地质环境中，存在易受潮生锈失效、耐久性差、接触不良、成活率低等缺陷，不能实时多点自动化监测;同时以上传统监测技术采用均点式布设，布点具有随意性，可能漏检重要部位，在长距离和大面积布点时经济效益不高，管理起来也很困难，难以满足快速发展的大中型工程设施建设的实际需求，制约着基础工程设施安全监测的发展.

分布式光纤传感技术是20世纪末提出和发展起来的一种新型工程安全监测技术.与传统的监测技术和手段相比，光纤既作为传感介质又是传输通道，可以进行空间上的连续测量，当光纤布入被测对象中并和被测对象的变形协调时，一次测量可以获取整个光纤应变或温度的一维分布图;如果将光纤布置成网状，可得到多维的应变或温度分布数据，更加有利于对结构受力和变形分布情况的分析;还具有灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐久性好等优点.由于分布式光纤传感监测技术具有上述多种优势，非常适用于岩土与地质工程安全监测，引起了工程设施健康与安全监测领域学者和工程技术人员的重视［1］.

在对岩土与地质工程设施应力、应变、位移等监测中，常见的分布式光纤传感监测技术包括自发布里渊光时域散射分析技术BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer)、受激布里渊光时域散射分析技术BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)、光纤布喇格光栅技术FBG(Fiber Bragg Grating)、拉曼光时域反射分析技术ROTDR(Raman Optical Time Domain Reflectometry)等.

目前国内外已将光纤传感技术应用于岩土与地质工程领域，并从以下几个方面开展了大量富有成效的研究工作.

1 混凝土结构健康监测

钢筋混凝土结构主要通过钢筋承受拉力，当混凝土结构产生裂缝或钢筋锈蚀后会导致混凝土结构发生破坏，裂缝和钢筋锈蚀对混凝土结构的影响一直是工程领域备受关注的问题.2007年，吴永红等［2］通过分析光纤涂覆层对裂缝传感灵敏性影响，制作出灵敏性与存活率较高的光纤试验样本，为裂缝传感光纤的优化设计和工程应用提供了基本参照.针对大型工程结构需要对随机裂缝进行监测，欧进萍等［3］提出了同时探测多处随机裂缝的多段分布式光纤裂缝监测系统设计方法，并用OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)识别光纤中的菲涅尔反射确定裂缝位置和监测多处随机裂缝.陈池等［4］进行了水电站的地质平峒裂缝监测，发现通过光纤的组合能够实现多量程、高精度的观测，为将分布式光纤应用于混凝土结构裂缝监测提供了宝贵的经验.甘玉宽等［5］制作了试验模型，模拟钢筋锈蚀过程，通过光纤传感技术对锈蚀过程和外围混凝土膨胀变形进行监测，初步证明了分布式传感光纤对钢筋锈蚀监测的有效性，但尚未应用到实际工程监测中.钢筋的变形规律和受力分布特征对于结构物的健康监测也非常重要.张丹等［6］用BOTDR检测不同荷载下钢筋上、下表面的应变分布，通过与有限元计算结果的对比，证明BOTDR可以较真实地反映结构物的应变分布;同时在研究过程中提出了一些问题，如测量系统的空间分辨率为1 m时，不能完全满足工程结构监测的需要，对结构的高变形区及易损部位的监测还需要进一步研究.张少杰等［7］研究碳涂覆光纤时发现碳涂覆光纤与普通单模光纤相比，分辨率更高，动态范围更广，为恶劣条件下采用碳涂覆光纤进行工程健康监测提供了依据.总体来说，分布式光纤传感技术应用于裂缝和锈蚀监测还处于室内试验阶段，对裂缝和锈蚀的识别只能定性评价，不能定量评价，且钢筋锈蚀对光纤和钢筋的变形协调有一定影响，在工程应用中还不够成熟.

2 桩基工程及基坑监测

桩基对于上部结构工程的安全具有重要影响，桩的强度对承载能力起重要作用，桩的压缩变形关系到桩基稳定和上部结构的安全.由于传统的点式传感器不能全面监测和反映桩基的受力和变形情况，而分布式光纤传感技术则能够全面地监测桩身应变，因而后者具有很强的应用前景.近年来朴春德等［8－9］先后将分布式光纤传感技术BOTDR用于钻孔灌注桩、PHC桩、预制桩的轴力分布、侧摩阻力分布和桩身损伤识别中;研发了光纤埋设方法和数据处理方法，并证明相对于传统的监测技术而言，分布式光纤传感技术能够更全面有效地对桩基进行监测;同时提出了一些减小误差的建议和具体方法.江宏［10］将脉冲预泵浦BOTDA技术(PPP－BOTDA)对现场管桩进行负摩阻力和桩身应变测试，发现该技术能够实现10 cm的空间分辨率测量，应变测量精度达到了±7.5 με，所测结果与滑动微测计测量结果一致.邱松等［11］将FBG传感技术应用到混凝土管桩的水平静载荷试验中，结果表明传感器埋设工艺良好，传感器存活率超过90%，测试数据可靠、精度能够满足工程要求.刘永莉等［12］通过在抗滑桩上布置光纤传感器，运用BOTDR监测技术获取抗滑桩的内力分布数据，评价抗滑桩工作状态，结果表明这种测量方法能够实现从抗滑桩浇注完成至滑坡推力作用整个过程的应变监测.以上工程实践表明，分布式光纤传感技术相对于传统监测技术，能够全面有效地对桩基受力和变形进行跟踪监测;但光纤的埋设和损伤需要格外注意，以确保传感器的存活率;后期数据分析处理有待进一步研究.

基坑开挖时的自身稳定和对周围建筑物的影响是基坑工程中的重要问题.基坑工程的监测，特别是基坑深部土体的位移监测是评价基坑稳定性和对周围建筑影响程度的必要工作.刘杰等［13］通过布里渊光时域反射计BOTDR技术，将传感光纤按照一定的工艺粘贴在埋置于土体中的测斜管上，实测传感光纤的应变分布，实现了深部土体水平位移的实时监测.在实际施工过程中，丁勇等［14］进行了基于分布式光纤传感技术BOTDA的SMW工法桩测量研究，安装有分布式传感光纤的H型钢可作为一种具有实时获取应变数据的基坑工程围护结构，其具有良好的现场适应性、远程实时分布式测量、温度自补偿等特点.H.Mohamad等［15］运用BOTDR光纤传感技术对施工过程中排桩的变形进行监测，详细介绍了传感器的安装方法和数据处理方法，提出了温度补偿方法，测得的应变、温度、应力等与传统的测量方法和FREW软件模拟分析相比，吻合度很高.采用光纤传感技术长期进行基坑监测目前还存在很多问题，如传感光纤的布设、传感器的封装、运行期间的维护等.

3 边坡监测

边坡工程对周边高速公路、住宅、水利设施等安全影响至关重要，由于强降雨、水位变化、地震等因素容易引起滑坡、泥石流等地质灾害，对边坡的长期监测必不可少，光纤传感监测系统可对边坡进行实时监测和预警，为边坡失稳机理研究和稳定评估提供依据.近年来国内对之研究颇多，如王宝军等［16］探究了BOTDR技术对埋入土工织布的边坡形变稳定监测及早期破坏警报的可行性，发现由于光纤与土体的变形协调性不高，将光纤依附于锚杆和框梁中进行监测比直接将光纤埋入土体中监测效果更好.朱萍玉等［17］尝试把分布式光纤用于土堤坝的安全监测，取得了良好的效果.裴华富等［18］介绍了一种基于光纤布拉格光栅传感技术FBG的新型原位测斜仪及其分析方法;并通过室内标定试验验证了该新型原位测斜仪和分析方法的有效性.殷建华等［19］在北川县西山坡滑坡群监测和香港新界鹿径道公路边坡监测中运用光纤传感技术，分析了部分光纤监测成果，总结了光纤监测技术在边坡现场应用的经验.国外，日本与意大利2007年将基于OTDR光纤传感技术的监测系统安装在富士山的Takisaka边坡上进行监测，研究发现光纤的弯曲虽会引起传输光的衰弱，但该技术测得的位移与位移计测得的结果误差仅有几毫米［20］.T.Zimmie等［21］介绍了美国自主开发的系统SAA(Shape Accel Array)，可同时测量100 m深度范围内三维土体加速度和永久变形，并用该系统监测了加利福利亚的现场边坡，监测结果与原先埋入边坡中的传统传感器所测结果一致.

4 温度场监测

分布式光纤传感技术在温度监测方面也取得了很大的进展.周智等［22］对光纤布拉格光栅的温度传感特性进行了研究，结果表明:光纤光栅对温度非常敏感，经过管式环氧树脂封装的光纤光栅明显地提高了温度敏感特性，用光纤光栅可以方便制作分布式温度传感器.张巍等［23］提出基于拉曼光时域反射计的ROTDR技术可以识别出环境负温骤升行为对冻土瞬态温度场形态分布的扰动特征，研发出冻土瞬态温度场的分布式光纤监测方法，同时还发现传感光纤护套对其温度响应具有延迟效应，选用具有更高导热系数的不锈钢管等护套材料可以缩短温度响应时间;为冻土的工程防灾与理论研究提供了一种全新的解决思路.聂俊等［24］研究了基于BOTDA的温度和应变测试技术，发现在温度测试中光纤的保护层厚度制约了光纤测温的精度，对光纤保护层改进可以提高测温的精度.

5 土体变形监测

光纤监测土体变形是一个难题，近年来国内外对其做了很多有意义的探索.李科等［25］将3种不同光纤布置在同一泥浆中，通过光纤监测不同含水率时的土体干缩变形，研究表明用布里渊散射时域反射测量技术BOTDR监测土体变形的测量精度和准确性，其与土和传感光纤表面的粘结力有关，当含水率过大或光纤表面过于光滑时，土与传感光纤之间的粘结力很小，两者容易发生相对滑动，导致测量结果不准;因此在以后的光纤护套研究中应积极探索能够增加光纤表面摩擦力的方法和材料.为了掌握不同层位的失水压缩变形规律并选择合理的立井井壁破坏监测层位，柴敬等［26］采用深孔多点变形监测，对在第四系松散地层段埋设的18个光纤光栅传感器进行了长期监测，总结典型地层的应变变化，把地层的应变变化与水位变化联系起来，发现水位处于稳定和增长状态时，相应的监测层位应变值在减小，地表降雨量与松散层的沉降变形没有直接联系.张勇等［27］在即将开挖的隧道上方土体表面开槽埋入水平网状布设的光纤，对城市暗挖隧道土体应变场进行监测，验证基于BOTDR的分布式光纤传感技术对土体应变场监测的可行性和可靠性;研究结果表明该技术可对开挖过程中土体应变场的动态发展过程进行准确监测，且可以对土体变形破坏进行预警，这为将来的隧道建设监测工程提供了全新的技术和思路.张丹等［28］为研究失水条件下饱和膨胀土干缩裂隙发育过程中土体内部应变状态、分布以及变化规律，采用高精度的FBG传感技术对膨胀土裂隙发育全过程进行监测、并揭示膨胀土失水致裂机理，以及膨胀土裂隙性特征.

6 工程布设和温度补偿方法

分布式光纤传感技术在工程中使用需要考虑布设方法和温度补偿.对于现场直接浇注的桩，如灌注桩，可将光纤固定在一对对称的主筋侧面，方便采用两组数据进行对比，也易检测到加载时出现的偏压;在铺设过程中尽量让光纤保持挺直，在光纤接头处采用一定的保护措施进行保护;为了更好地保证钢筋与光纤的变形协调性，采用特种胶水或者特殊接头进行固定，露在外面的光纤应套上波纹管进行保护［8］.对于预制桩，则用切割工具在桩身表面沿着设计路线开槽，槽宽和槽深应能满足放入光纤的要求，光纤放入槽内定点固定;用高强胶剂充填入槽内进行粘贴和表面保护，在光纤外露的两头采用套管保护后再用缓冲材料包裹固定，将已布设好光纤的桩按先后顺序打入;在桩施工对接时，待桩焊接完成后将上下桩对应的各条光纤进行对接并保护，冗余的光纤盘在桩接头处加特殊保护层后继续打入;在施工过程中重点要对桩接头处和桩头外露的光纤进行防挤压、防撞击和防电焊火花保护［9］.基坑开挖监测时，埋设测斜管前，在测斜管的外壁凹槽内并行粘贴2根光纤，其中1根朝向基坑壁一侧，当土体发生位移时产生压应变;另一根背向基坑壁，当土体发生位移时产生拉应变.土体发生位移时测斜管随之发生变形，粘贴在测斜管外表面的光纤能够感应到测斜管的变形，从而得到基坑周围任意位置土体的水平位移分布［13］.在对隧道和边坡应力应变和位移等监测时，由于工程面积很大，可在工程中把单根光纤布置成网格状，并尽量减少转角数量，防止光束在传输过程中损耗过多，测量效果达不到要求;同时为了提高测量灵敏度，网格的边长需大于检测仪的最大空间分辨率［23］.

由于布里渊频移对应变和温度都敏感，当光纤温度不变时，BOTDR的应变测量值即表示光纤变形.因此，采用BOTDR检测对象时，在对象中预埋一根松弛传感光纤封装在金属波纹管里面作为温度补偿传感器，这根传感光纤所测得的布里渊散射光频率偏移量，就是由温度变化引起的等效应变值，可作为温度补偿;而预埋的其他传感光纤则作为测试过程中的应变传感器.通过比较两者结果，获取相对布里渊散射光频率偏移量，对实测的分布式应变结果进行温度补偿［29］.基于BOTDA的分布式光纤测量系统则可以简便地进行温度补偿，简化了传统应变片测量中的温度补偿，提高了应变测量的准确性，具有很高的性价比.

7 新型传感器与监测系统研发

在岩土工程新型传感器与监测系统方面也有很多学者做了大量的研究.魏广庆等［30］介绍了传感器的封装(粘贴封装、管片式封装、植入复合材料封装)，提出了几种温度补偿方法.朱鸿鹄等［31－32］针对建筑物基础的现场监测技术一直存在着精度低、稳定性差、不易安装等缺点，研制出光纤光栅应变计、温度计、沉降仪和水平测斜仪等传感器，用于监测基础的应变、温度、位移等;并在某建筑物的施工过程中，在筏式基础中安装了以上光纤光栅传感器，构成准分布式的基础健康监测系统，实现了监测的自动化和远程化;同时还针对大坝模型试验中内部变形难以监测的现状，研制了一种新型的基于光纤布拉格光栅FBG技术的圆棒式结构的光纤传感器，监测大坝的内部变形.曹建梅等［33］设计了一个网格状的光纤传感器阵列，并将该阵列与BOTDR分析仪相结合组成一个完整的系统用于监测隧道变形，结果表明，这套光纤网格隧道变形监测系统具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，在实际工程中具有较高的应用价值.

8 展望

在岩土、地质、土木工程等领域，国内外开展了大量分布式光纤传感技术的理论和应用研究.分布式光纤传感技术在应用广度和深度上都有了较大发展，尤其在岩土与地质工程安全监测与评价中展现出非常广阔的应用前景.

通过对近年来岩土与地质工程中分布式光纤传感技术研究的总结，得出下列问题有待深入研究:(1)分布式光纤传感器和设备的研发，如光纤传感器的封装、研制、温度补偿等，尤其是数据采集设备性能的提升和改进，将有助于分布式光纤传感技术的发展;(2)传感光纤与工程岩土体的协调变形、匹配和耦合等，一直是制约传感光纤技术在岩土体监测方面的重要障碍;(3)光纤监测数据的分析和挖掘、异常数据的识别、数据的处理方法和手段等;(4)基于分布式光纤监测应变和温度的岩土体分析评价理论与方法，构建科学的分布式光纤传感技术评价体系;(5)分布式传感技术的关键器件、集成、工程监测与诊断系统等.以上问题也将是岩土与地质工程分布式光纤传感技术未来的研究热点.

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［33］曹建梅，任春年.基于BOTDR的光纤网格隧道形变监测系统研究［J］.计算机测量与控制，2011，19(11):2616-2619.(CAO Jian-mei，REN Chun-nian.BOTDR-based optical fiber grid strain measurement system for tunnel［J］.Computer Measurement and Control，2011，19(11):2616-2619.(in Chinese))