光纤传感技术在隧道结构健康监测中的运用

丁建峰，王燕平，徐雨歌

(1.扬州市隧道管理处，江苏 扬州 225000；2.扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225000)

1 光纤传感技术及其基本原理

光纤传感技术始于1979年，是美国国家航空局所研发出的一种新型传感技术。该技术最先是在飞机蒙皮结构的监测之中得以应用，主要用来检测复合材料的温度和应变。后来，美国和加拿大两个国家对光纤传感器在复合材料结构的损伤检测、无损检测、固化、评估以及识别等方面进行了深入研究。随着近年来科学技术的不断发展，光纤传感技术也开始日益成熟，并且在众多领域之中都得到了广泛应用。在光纤传感技术的应用和发展之中，建筑工程的健康监测领域逐渐成为了该技术的主要发展阵地。相比较传统的电子传感技术而言，光纤传感技术的信息载体是光，其信息传递介质是有着更高抗干扰、抗腐蚀、高传输带宽且使用寿命长的光纤[1]。同时，由于光纤的直径很小，质量很轻，且具有可弯曲特点，所以在具体的应用过程中，可以将光纤埋设到复合材料内部，也可以将其贴在材料的表面，这样就可以和被检测的材料之间实现良好的融合。在光栅光纤传感器的应用之中，可以将很多个传感器布设在同一根光纤上，以此来对被监测的材料进行分布式的测量。而借助于光时域技术，也可以对被监测的材料实现分布式的测量。因此，将光纤传感技术应用到结构监测之中，可以对结构的温度、应变、腐蚀情况、动态响应以及裂缝情况等的各项参数进行检测，且有着极高的灵敏度，属于一种理想化的传感装置。

在目前的数据传输领域之中，光纤传感技术已经成为了一种首选技术，而该技术在整个传感器领域之中也有着十分光明的发展前景。借助于光纤传感技术，可以让传统的光信号编码信息特征得到科学应用，使其产生出可以表现外部扰动的一种光电信号，以此来采集待测信息。

在光纤传感技术之中，光调制技术最为关键。实际上，光调制技术就是借助于光纤内部的载体光波来承载携带者待测信息的信号，这一技术主要是借助于光敏元件实现。在待测区域之中，光敏元件可能会受到温度和应变等的外部因素影响，进而对光信号的强度、波长、频率、相位、偏振以及颜色等这些参数之中的一种进行调制，然后通过光纤对调制好的光波进行传输[2]。位于监测终端的光电装置可以进行光信号的解调，以此来将光信号转换成模拟的电子信号，然后对转换成的电子信号进行适当处理，最终获得到待测参数的数字信息。

2 隧道施工概况

南京市某市政隧道总长度是2.66 km，其中有1.66 km穿越湖底，双向六车道，属于三箱室的结构形式，在这三个箱室之中，左边和右边两个箱室作为行车道使用，中间的箱室作为综合管廊以及隧道检修通道。隧道的陆地隧道长度是0.9 km，属于双向四车道。隧道的设计宽度大约是32 m，净空高度大约是4.5 m，每隔90 m长就设置一道横向的变形裂缝。

在本次隧道工程的施工之中，地质条件较差，尤其是在湖底的施工之中，松散粉细沙层分布范围比较广，有着较大的厚度，且存在承压水，土层之间有着显著的性质差异，土层类别十分复杂，且分布情况不均匀。

在该隧道的光纤监测系统建设施工过程中，主要将BOTDR这一光纤监测系统应用到了隧道结构的健康监测之中，分别沿着两车行速调的轴向进行4根光纤的敷设，其敷设方式是两根全面接着，两根定点接着。全面接着形式的光纤主要是对隧道整体进行监测，通过这两根光纤，可以及时发现隧道整体变形情况。定点接着形式的光纤主要是对变形缝进行应力集中区域以及变形缝等这些具有假定变形特征或潜在变形特征的位置进行监测，通过这两条光纤，可以及时发现这些位置的变形情况。在该隧道的数据采集方面，应用的是由日本NTT公司所研发的AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪。

3 BOTDR光纤监测原理分析及监测方案

3.1 监测原理

按照光纤所具备的物理特征，温度以及应变都会对Brillouin scattering造成影响，也就是说，在光纤沿线发生温度变化或者是产生轴向应变的情况下，光纤之中的背向Brillouin scattering光频率也将会出现漂移，而其频率所产生的漂移量将会和光纤温度变化及其应变呈现出十分显著的线性关系[3]。所以，通过对光纤之中背向自然布理渊散射光频率漂移情况的测量，就可以或得到其沿线的温度信息及其应变分布信息。

3.2 光纤监测技术在隧道施工之中的监测方案

3.2.1 光纤的敷设方式

按照BOTDR这种光纤监测系统的具体设计原则，并结合样本隧道光纤监测系统施工的实际情况，同时也全面考虑到了AQ8603型号BOTDR光纤传感器的实际应用特征，在本次的研究之中，主要通过两种方式对光纤监测系统进行布设，首先是通过全面接着形式来进行敷设，其次是通过定点接着形式来进行敷设。图1是这两种敷设形式具体的敷设方法。

图1 全面和定点接着敷设形式的敷设方法

3.2.2 光纤监控系统的布设和线路敷设

按照隧道实际的施工情况和施工之中对于仪器设备的要求，本次设计的光纤传感器敷设线路共有8条，以此来达到对隧道之中所有变形情况数据的综合性、全方位采集效果。在该线路方案的设定过程中，设计单位和建设单位经过了多次的论证、推敲和修改，最终设计出了合理化的线路方案，并将其应用到了实际的施工之中[4]。本次工程所敷设的8条光纤线路分别在隧道的南侧和北侧墙壁上进行布设。在本次工程所布设的8条线路之中，一号线路、四号线路和八号线路属于全面接着形式的线路，仅仅在变形缝的位置采用了定点接着形式，其余的线路均属于定点接着形式的线路。具体敷设过程中，将这8条线路的起点布设在了隧道的出口位置，线路的中点布设在了K0+506位置，并通过传光光缆在中点位置将光纤传感器引入到隧道监控中心。

3.2.3 数据监测和分析

在隧道监测数据具体分析过程中，如果获得到的应变是正数，则表明被测结构在测量当天受到了拉伸力作用，反之，如果获得到的应变是负数，则表明被测结构在测量当天受到了压缩力的作用。因为本次研究所涉及到的检测数据很多，所以在此仅仅选择了N4光纤来作为本次检测和应变分析之中的研究对象。具体监测过程中，每周对应变数据采集一次，数据采集中并未对温度补偿加以考虑。

从最后的监测数据可以看出应变和温度之间有着负相关的关系，且这种负相关十分良好。伴随着温度的不断上升，应力就会随之逐渐下降，而伴随着温度的逐渐下降，应力也会随之逐渐上升[5]。

而且在整个监测过程可见，温度变化可以对应变起到主要的影响作用，伴随着温度的逐渐上升，应变将会逐渐变小，而伴随着温度的逐渐降低，应变会逐渐变大。

4 光纤传感技术在隧道健康监测中的问题

1)应变和温度之间的区分问题。在很多的光纤传感器之中，应变和温度之间的交叉问题都有待进一步解决。在BOTDR光纤监测系统的实际应用之中，如果温度变化不超过5℃，就可以忽略温度对应变的影响，但是如果温度变化超过了5℃，就应该考虑到相应温度补偿措施的应用[6]。但是就目前的情况来看，光纤传感器温度补偿方面的计算方式存在明显的不足，这就需要在今后的应用和研究之中做出进一步的完善。

2)光纤的接入、接出以及线路保护问题。因为应用到隧道健康监测之中的光纤十分脆弱，尤其将光纤植入到混凝土的过程中，更是非常容易遭到破坏。因此，在具体的应用之中，应该注意加强光纤的保护工作，以此避免光纤损坏的情况发生，在保障监测效果的基础上节约成本。同时，在光纤的接入和接出过程中，也应该做好线路保护措施，以此保障光纤线路的敷设质量。基于这一情况，在光纤传感技术的实际应用中，要加大力度进行光纤线路保护方面的研究。

3)光纤传感器的封装问题。光纤传感器的封装就是在光纤的测量和保护之间达到一种平衡状态，不仅需要避免外界的环境因素对光纤造成的不利影响，而且应该注重保持光纤传感器的精准性和灵敏性。为达到这一目的，光纤传感器的生产厂家应该对光纤传感器的封装工艺做到足够重视，加大力度对光纤传感器的封装技术和封装工艺进行研究，在此过程中，生产企业也应该组建起一个专业的课题组，专门来研究关于光纤传感器封装方面的技术和工艺。通过这样的方式，才可以在保障光纤传感器不受影响的基础上保障其使用性能。

4)大量数据的处理问题。在隧道健康监测之中，光纤传感器的主要应用方法是定期进行监测数据的收集，因此，监测的频次越高，需要收集的数据也就越多，尤其是一些需要进行在线监测的隧道结构，更是有着相当巨大的监测数据量，因此，这些数据的日常处理工作也就会十分繁琐。基于这一情况，在光纤传感器的应用与研究之中，应该加大力度对数据分析和处理系统加以完善，这样才可以让大量的数据得到及时有效的处理，提升系统的使用性能和监测的精准性。

5 结束语

光纤传感技术是当今传感技术领域之中一项全新的、先进的技术。经光纤传感技术应用到隧道健康监测之中，可以对隧道结构问题做到及时发现，以此来保障隧道的质量与安全性。本文主要以隧道健康监测之中的光纤传感系统实际应用为例，对光纤传感技术在隧道健康监测之中的应用进行分析。希望通过本文的分析，可以为类似工程之中光纤传感技术的合理应用与发展提供出一定的参考依据。

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