光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用研究进展

柴敬　张丁丁　李毅

摘要：首先分析了光纤传感技术的特点，介绍了光纤传感技术的市场发展趋势；其次，从岩土与地质工程应用的角度分别阐述了光纤传感技术在光纤传感系统的优化及光纤传感器的研制、光纤传感器标定、光纤传感器安装工艺、监测数据处理4个方面的研究进展，讨论了光纤传感技术在工程应用中存在的关键技术问题；最后，结合研究进展及应用中的关键技术问题，对光纤传感技术的发展进行了展望，指出了仍需研究的相关课题。结果表明：光纤传感技术在岩土与地质工程应用领域具有广阔的前景和技术优势。

关键词：光纤传感技术；岩土工程；地质工程；监测；研究进展

中图分类号：TU42文献标志码：A

0引言

近年来，伴随中国经济发展，公路、桥梁、石油、矿山等岩土与地质工程建设迅速[1]。由于岩土与地质工程的设计基准期较长，使用环境比较恶劣，且受到外界环境荷载、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响，工程结构将不可避免地产生损伤累积和抗力衰减，健康问题日益凸显，例如边坡的失稳破坏、混凝土结构开裂变形、地基基础沉降等[2-5]；同时，中国是世界上地质灾害最严重的国家之一，灾害种类多，分布广，危害大，对地质工程造成不同程度的损伤破坏[6-7]。因此，为了保证工程设施的安全使用，对其进行安全监测并准确评估灾害后的结构健康和剩余寿命显得尤为重要，这已经成为岩土与地质工程发展的迫切要求和当前各国学者研究的热点[8-11]。

长期的工程研究实践表明，工程力学参数测试和工程监测具有长时效性、环境复杂、监测对象的时空限制、施工环境制约的特点[12]。目前，对工程设施的监测多采用电感式、差动电阻式、振弦式和电阻应变计式等传统监测传感器，受传感器材料、使用方法、信号传输等因素限制，具有易受潮、耐久性差、成活率低、实时及自动化监测程度低等缺点，并且多为点式监测，不能满足复杂工程的智能健康监测的需求[13-15]。

光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外部测量信号的传感技术，自20世纪70年代诞生以来受到强烈关注[16]。1979年，光纤传感器最早由美国航空航天局尝试性地埋入复合材料内部用于测试；1989年，Mendez等[17]首先提出了将光纤传感器引入岩土工程领域用于混凝土结构的健康检测。光纤传感技术凭借其抗电磁干扰、防水防潮、耐久性长、便于安装、灵敏度高，可实现远距离大范围面式监测及传输信号损耗小等优点，逐渐成为一种新的岩土与地质工程健康与安全监测方法[18-22]。本文通过分析光纤传感技术在岩土与地质工程应用中的最新进展，讨论工程应用过程中光纤传感的关键技术及亟待解决的问题，并在现有研究的基础上对光纤传感技术发展进行展望。

1光纤传感技术

光纤传感技术应用于岩土与地质工程中时，根据随距离的增加是否能够连续的监测被测量基体可将其分为点式、准分布式和分布式监测。点式光纤传感技术主要有迈克尔逊干涉（SOFO）传感技术和非本征型法布里-珀罗干涉（EFPI）传感技术[23]，适用于精度要求较高的结构局部变形监测，但不能复用。准分布式光纤传感技术是基于光纤布拉格光栅（FBG），通过波分复用（WDM）、时分复用（TDM）和空分复用（SDM）技术，构建多点准分布式传感网络系统实现[9]。分布式光纤传感技术现应用较多的主要有基于瑞利散射光时域分析（OTDR）、自发布里渊光时域散射分析（BOTDR）、受激布里渊光时域散射分析（BOTDA）、拉曼光时域反射分析（ROTDR）等原理的传感技术，分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以实现长距离、大范围的连续、长期传感。光纤传感技术的主要特点如表1所示。

根据美国MCH公司Mendez[24]对世界范围内光纤传感技术的市场研究分析，光纤传感应用领域所占比例最高的为工业制造自动化控制，占市场份额的28%，其次为汽车制造领域，占25%；岩土与地质工程中，占市场份额最高的应用领域是桥梁，为12%。预测到2016年，光纤传感技术应用增速较快的领域主要集中于石油、军事领域，岩土与地质工程领域中光纤传感技术仍发展缓慢。岩土与地质工程中基于不同原理的光纤传感技术所占市场比例预测如图1所示。2013年，基于拉曼散射的光纤传感技术应用比例最大，约占34%，推广应用较好；其次为光纤布拉格光栅传感技术，约占26%；基于布里渊散射的分布式光纤传感技术所占比例仅为1%。预测到2018年，基于拉曼散射和瑞利散射的光纤传感技术所占比例将加大，光纤布拉格光栅和布里渊散射传感技术所占比例基本不变。由此说明，只对温度或应变敏感的光纤传感技术更易被推广使用，同时岩土工程中局部高精度变形测量逐渐受到重视。

2光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用虽然光纤传感技术有传统传感器不可替代的优点，且在岩土与地质工程中应用范围逐渐扩大，但应用时间较短，未普及，许多关键技术尚未解决。在光纤传感器工程应用过程中，主要经历了光纤传感系统的优化及光纤传感器的研制、光纤传感器标定、光纤传感器安装工艺、监测数据处理等。

2.1光纤传感系统的优化及光纤传感器的研制

复杂岩土与地质工程中同时存在应力场、温度场、渗流场等多场耦合，且工程结构复杂，需要研制新型光纤传感器和设计优化光纤传感系统，使之适用于工程应用环境，其研究进展主要有：曹建梅等[25]设计了一套网格结构的光纤探测阵列，并将传感系统应用到隧道工程的变形监测中，间接地增加了光纤传感系统的空间分辨率，但系统布设复杂，增加了工程成本，不便于推广应用；Nannipieri等[26-27]研究了同步时域内光纤布拉格光栅和布里渊光时域分析传感技术的兼容性，得出FBG波长能影响受激布里渊散射的频率和功率，由此BOTDA传感技术可利用FBG和布里渊光时域信号之间的关系，用于定位低空间分辨率的远距离分布式监控；兰春光等[28]结合光纤光栅与光纤布里渊智能筋（FRP-BOTDA-OFBG）的特点，开发出一种新型的智能钢绞线，通过与传统的应力损伤监测传感器试验对比，BOTDA-FBG智能钢绞线能够适用于钢绞线复杂环境下的预应力监测；Kim等[29]将铝制包层的光纤光栅固定在碳纤维复合材料中，研制出一种碳纤维增强塑料（CFRP）封装的光纤光栅传感器，并在万能试验机上进行了试验，试验表明，这种传感器可以记忆碳纤维复合材料的最大应变，可用于基体材料残余应变的监测；何祖源应用射频（RF）调整技术解决了可调谐激光器的波长可重复性，实现了光纤传感的纳米级应变分辨率。Chai等[30-31]设计并实现了一个由24个光纤光栅传感器组成的光纤波分复用/空分复用混合阵列的光纤监测系统，实现了深部地层沉降变形的实时监测，监测系统原理如图2所示，设计光栅波长带宽为±4.5 nm，通过深度152 m、直径133 mm的钻孔将系统植入第四纪深厚松散地层的92～148 m段砂砾、粘土层的12个层位中，研究了光纤布拉格光栅监测系统植入过程中光纤光栅的波长传输特性及其变化。

2.2光纤传感器标定

光纤传感器应用于工程监测中通常为多层封装结构，光纤在感测基体应变或温度变化过程中，受中间介质的影响会产生能量损失，使得监测数据不能如实反映基体真实值。因此，在光纤传感器进行工程应用前有必要进行标定，减小监测误差。对于点式和准分布式光纤传感器，测量参数为应变、温度或渗压等单一物理量，只需采用高一级精度标准传感器对单一参数进行标定，建立该参数与光纤干涉条纹或波长的关系。对于分布式光纤传感器，除了对被测参数进行标定外还需对空间分辨率进行校准和标定，通常在拉伸试验机上进行。柴敬等[32-33]建立了光纤光栅监测岩石变形的应变传递数学模型，并进行了岩石试件MTS的标定试验，验证了计算模型的正确性；Zhang等[34]提出一种异种光纤接续的新标定方法，通过串联异种光纤获取不同的初始峰值频率，用以校准和评价分布式光纤的空间分辨率；曹鼎峰等[35]通过碳纤维预加热光缆的方法测定土壤含水率，对升温过程中不同温度下的含水率进行了标定，建立了温度特征值和含水率之间的线性关系式，此方法标定和测量时间较长，土壤湿度变化较快时较难适用。

2.3光纤传感器安装工艺

光纤传感器安装工艺包括光纤传感器的布设和安装。光纤传感器的优化布置关系到光纤监测系统的合理性、监测数据的可靠性、光纤传感器的成活率及监测经济成本，对于大型工程的分布式监测，由于布置距离较长，监测周期大幅增加，还会影响监测的实时性，因此，需要在结合工程地质条件、工程结构和经济预算的基础上对布置位置、传感阵列布置形式、数据传输方法等进行合理设计。在传感器布设方面，Ni等[36]通过在水管管壁内同时布设FBG温度传感器、FBG应变传感器和FBG压力传感器（图3）建立了FBG传感网络监测系统，用于监测香港东江水管管线的结构完整性；Meo等[37]提出一种基于最大信息子集技术的变异方法，该方法的最大优势在于能够给出最优的传感器数目，同时给出了传感器的多种优化方法。

岩土与地质工程应用中光纤传感器的安装方法分为内部植入式和表面固定式[38]。安装过程中安装工艺应满足相容原则：①传感器的安装过程不影响结构的安装和物理力学性能；②传感器的安装应能使其适用于周围的变形、温度、湿度等不良环境；③安装过程中应尽量避免传感器应力集中产生光损耗；④考虑被测结构的尺寸效应，传感器和被测基体的动态变化范围应相一致。光纤传感器主要安装工艺有定点式安装和全接触式安装，定点式安装是借助卡槽、焊接点等将光纤间接固定于被测基体上，此种方法的优点是光纤与被测基体间不产生相对滑移，整体变形监测结果可靠，但安装工艺繁琐，降低了光纤传感器成活率，不适用于空间分辨率要求较高的结构健康监测。实际应用中，应根据监测环境差异选择合适的方法进行安装。例如，Bennett等[39]通过传感光纤的定点焊接将光缆固定于钢筋网上，如图4所示，并通过注浆形成连续墙，从而建立连续墙变形分布式光纤监测系统。Mendez[40]将植入分布式光纤的土工布用于公路路面变形监测中，监测长度超过了10 km，实现了对公路结构健康实时监测。柴敬等[41]研究了钻孔植入式光纤传感器的关键技术，采用钢材制成的“鸡心环”固定光纤光栅监测系统的中点（图5），使下放时配重物与光纤光栅传感线路更好地衔接，增加了光纤光栅传感器监测点定位的准确性，确定了合理的钻孔水泥砂浆封口材料的弹性模量为8～15 GPa，浆泵压力为2～3 MPa。

2.4监测数据处理

随着信息化逐渐成熟，监测技术由传统的人工手动监测向实时无线自动化监测转变，促进了监测技术自动化、实时化，提高了监测数据类型复杂化、海量化[42]。光纤传感监测数据处理主要有3个方面：①异常监测数据处理，包括数据失真、数据缺失等；②大数据量处理，特别是随着分布式光纤传感技术的推广，监测长度可达80 km，且单次监测周期长，监测数据量更为庞大；③多场耦合数据处理，在涉及应力场、温度场、渗流场等多场共同作用的复杂监测环境下，需要科学处理数据，建立各物理参数的相互耦合关系；④数据测量误差校正。例如，Flynn等[43]在嵌入式FBG对复杂结构健康监测过程中，通过提取共振峰值的特征向量，将残余应变引起的双峰值进行归一化处理得到了标准化峰值，并通过软件端传感器漏码的自回归矫正修补了缺失数据，如图6所示。Ni等[36]通过对应变、温度、水压力场监测数据期望的统计分析给出了GRP管线性能的识别模式，成功应用于管道结构完整性的定性和定量评估。柴敬等开发了光纤地层沉降远程监测系统（图7），实现了FBG监测数据的3G远程无线传输和在线处理，系统软件功能包括数据采集、数据传输、数据解调、数据处理、数据上传、数据下载和故障诊断7个部分，可进行地层应变值和压缩量值的计算，以及计算参数的设置。

3应用中存在的问题

3.1光纤传感器与被测基体的耦合

在测量结构变形时，受光纤传感器封装材料及中间介质的力学特性和尺寸效应因素的影响，光纤传感器应变与被测基体实际应变之间有一个应变传递过程，不能简化为1∶1的关系，光纤传感器与被测基体间的应变传递问题是准确测量基体变形的关键。工程中通常采用提高光纤传感器和被测基体的耦合性来提高应变传递率。首先，光纤传感器表面材料和中间耦合材料应与被测基体材料有较好的亲和力，两者不产生相对滑移；其次，保持光纤传感器和中间耦合材料与被测基体材料力学特性相似，尽可能保持同步变形，防止发生较大的剪切位移。工程应用中，耦合材料可分为原位耦合材料和自配耦合材料，其目的都是使其与原位材料特性尽可能相近，提高应变传递率。孙义杰等[44]沿三峡马家沟坡体纵向在不同高程设置光纤综合监测孔，将分布式感测光纤粘贴于测斜管外壁和直埋于测斜孔内，采用原位土体回填进行封孔，应变传感光纤均有效识别和定位了边坡表面变形的异常位置。Habel等[23]采用自制的水泥浆对钻孔植入边坡的光纤进行封孔，增加了光纤和边坡的耦合。张丁丁等[45]给出了钻孔植入光纤光栅传感器的松散层应变传递计算模型，为钻孔植入式光纤光栅监测技术工程应用提供理论依据。光纤光栅进行应变测试时，除了胶结层、封装层形成的传感器要吸收一部分能量外，还经历了光纤光栅传感器—钻孔封孔材料—松散地层的应变传递过程，推导得出平均应变传递率的表达式为

（k，L，M）=1（k1，L）2（k2，M）（1）

式中：（k，L，M）为光纤光栅和光纤光栅传感器粘贴长度平均应变传递率，k为与光纤光栅和中间介质材料特性有关的系数，L为光纤光栅粘贴半长，M为光纤光栅传感器粘贴半长；1（k1，L）为光纤光栅粘贴长度平均应变传递率；2（k2，M）为光纤光栅传感器粘贴长度平均应变传递率；k1为与光纤和胶结层材料特性有关的系数；k2为与光纤光栅传感器和钻孔封孔材料特性有关的系数。

工程应用中，光纤传感器与被测基体的耦合仍存在很多问题尚未解决：①原材料回填后与原位土体间力学性质有差异，同步变形需要一定的时间，时间确定困难；②自配耦合材料的应变传递率实验室标定仍难以实现，现广泛采用与基体材料相似的耦合材料，数据后处理中将应变传递率当作1处理，但存在监测误差；③光纤与基体直接接触时的相对滑移问题尚未解决，目前多采用改进光纤制作工艺，设计增加摩阻力的构件改善。

3.2光纤传感器的二维变形监测

光纤传感器在监测结构变形时为沿轴向的一维变形，受光纤材料特性的限制，光纤传感器不能承受较大的横向剪切变形。实际工程应用中，光纤传感器普遍存在同时受轴向变形和横向变形的作用，因此，光纤传感技术是处于二维或三维变形环境中的一维监测手段，不能真实反映现实结构变形。许多研究学者通过改进光纤传感器的布设方式和结构，实现了基体结构的二维、三维变形监测。现有的二维变形光纤传感监测方法主要有：

（1）光纤应变花。Lienhart[46]在同一水平面按120°角度布设3个大型SOFO光纤传感器，形成应变花结构（图8），则任意方向上的应变ε1，2为

（2）基于FBG的节理式偏斜仪水平位移监测。黄安斌设计了一种光纤光栅偏斜仪，如图9所示。通过节理式设计限制了光纤的轴向变形，可在某一水平方向自由弯曲，利用应变与旋转角度关系计算水平位移，但是最大可量测范围为±2°，适用范围较小。

另外，Iten等[47]研究了光纤传感器剪切位移的定量化描述范围，给出了光纤传感器沿水平方向移动的位移方向角在85°和95°之间才可定量化探测问题区域，并研究了其对结构的影响。受安装工艺、光纤抗弯特性及传感器制造水平的制约，光纤传感器的二维监测仍很难实现。

3.3光纤传感器三维变形监测

基于分布式光纤传感技术，将3～4根分布式光纤传感器（DOFS）等角度沿轴向粘贴到杆体或管体表面，如图10所示。该布置方法可实现分布式光纤传感的三维变形测量，方法是基于弯矩的积分计算，由斜管4个方向的应变数据信息来反推ux和uy两个方向的变形量。位移灵敏度可达1 mm·m-1，最大安全位移可达到15 cm·m-1。Iten等[47]在边坡桩基上安装了4根分布式感测光纤对边坡滑动进行监测，并与测斜仪3年监测数据进行了对比，结果表明光纤传感三维监测可以获得定量化的结果，能够适用于边坡稳定性监测。Zeni[48]在意大利Basilicata地区将安装有4根DOFS光纤的测斜管体竖直植入7.5 m深的钻孔中，并用水泥浆回填，用以监测缓慢移动的土体，尽管在长度测试上有所局限，光纤测斜管显示了足够的精度，可以检测土体的最大位移。

基于分布式光纤传感技术的三维变形监测工程应用实例较少，监测理论和工程经验仍存在很多难题尚未解决：①虽然监测结果存在量化的可能，但由于应变的误差从边界开始以平方形式传递，实际中很难做到；②杆体发生扭转变形时，位移坐标轴的准确方向缺失，造成监测数据与实际变形误差较大；③受分布式光纤传感技术空间分辨率的限制，正确地将4根DOFS的应变监测值同时对应到管的每个部位较难实现；④需要同时安装多根DOFS，增加了施工难度和经济成本。

3.4温度补偿技术及工程技术经验

由于FBG和DOFS同时对应变和温度敏感，因此需要进行温度补偿，剔除温度对应变监测结果的影响。现有的温度补偿方法主要为安装光纤光栅温度补偿传感器。在长距离测量时，通常布设2套监测系统，一套为对应变敏感的光纤应变传感系统，另一套为对应变不敏感的光纤温度补偿系统。光纤测温技术理论日趋成熟，但实际应用时仍有很多问题需要解决：首先，光纤测温系统仍受到安装工艺、布设方式的限制，难以保证复杂变形条件下光纤传感器成活率和测温数据的可靠性；其次，对于温度测量要求较高的分布式测温，BOTDA/R光纤传感技术的测温精度难以满足要求，而基于拉曼散射的光纤传感技术测温响应时间较长。

光纤传感技术在岩土与地质工程领域推广应用还不成熟，仍存在现场技术经验不足的问题，难以证明设计方案的可行性及量化误差，工程技术难以实现，光纤传感器安装成活率难以保证，应逐步完善光纤传感技术，使其能快速、准确地适用于复杂的工程环境安全监测。4结语

光纤传感技术正逐步信息化、网络化，并凭借众多的优点使其在岩土与地质工程应用领域具有广阔的前景和技术优势，能够适用于工程结构健康监测。光纤传感技术在岩土与地质工程推广应用中仍需继续研究以下相关课题：

（1）局部范围内的高精度测量逐步受到重视，需要进一步提高光纤传感检测仪器的精度以及空间分辨率，使其满足监测要求。

（2）提高光纤传感器及解调仪器研制水平和产品性价比，促进光纤传感技术的推广应用。

（3）DOFS与FBG串联或组合使用成为一种新的方法，可实现结构的分布式整体测试和局部的高精度测试，以及DOFS的空间定位，需在理论研究方面进一步完善。

（4）光纤传感的二维、三维变形监测的实现促进了传感技术的推广，但仍存在误差传播、扭转变形等理论和工艺难题需要解决。

（5）需要进一步进行光纤传感器安装和布设的室内试验研究，逐步完善工艺水平，提高光纤传感器的成活率。

参考文献：

[1]隋海波，施斌，张丹，等.地质和岩土工程光纤传感监测技术综述[J].工程地质学报，2008，16（1）：135-143.