本項研究受國家傑出青年科學基金項目（40225006）和國家教育部重點項目（01086）資助。
施斌 丁勇 索文斌 高俊啟
（南京大學光電傳感工程監測中心，江蘇南京，210093）
摘要分布式光纖傳感技術，如布裏淵散射光時域反射測量技術（簡稱BOTDR），是國際上近幾年才發展成熟的壹項尖端技術，應用非常廣泛。本文著重介紹 BOTDR分布式光纖傳感技術在隧道、基坑和路面等3個方面的應用。在工程監測過程中積累起來的大量監測數據表明，BOTDR分布式光纖傳感技術，是壹種全新而可靠的監測方法，它在工程實踐中的應用為工程監測提供了壹種新的思路，因而必將擁有壹個廣闊的發展前景。
關鍵詞BOTDR 光纖傳感 工程監測 應變
1 引言
隨著人們對工程安全要求的日益提高，近年來，壹批新式的傳感監測技術得到發展，它們不是對傳統傳感監測技術簡單地加以改良，而是從根本上改變了傳感原理，從而提供了全新的監測方法和思路。其中，尤以 BOTDR分布式光纖傳感技術為世人所矚目，它利用普通的通訊光纖，以類似於神經系統的方式，植入建築物體內，獲得全面的應變和溫度信息。該技術已成為日本、加拿大、瑞士、法國及美國等發達國家競相研發的課題。這壹技術在我國尚處於發展階段，目前已在壹些隧道工程監測中得到成功應用，並逐步向其他工程領域擴展。
南京大學光電傳感工程監測中心在南京大學985工程項目和國家教育部重點項目的支持下，建成了我國第壹個針對大型基礎工程的BOTDR分布式光纖應變監測實驗室，開展了壹系列的實驗研究，並成功地將這壹技術應用到了地下隧道等工程的實際監測中，取得了壹批重要成果，為將這壹技術全面應用於我國各類大型基礎工程和地質工程的質量監測和健康診斷提供了堅實基礎。
2 BOTDR分布式光纖傳感技術的原理
布裏淵散射同時受應變和溫度的影響，當光纖沿線的溫度發生變化或者存在軸向應變時，光纖中的背向布裏淵散射光的頻率將發生漂移，頻率的漂移量與光纖應變和溫度的變化呈良好的線性關系，因此通過測量光纖中的背向自然布裏淵散射光的頻率漂移量（vB）就可以得到光纖沿線溫度和應變的分布信息。BOTDR的應變測量原理如圖1所示。
為了得到光纖沿線的應變分布，BOTDR需要得到光纖沿線的布裏淵散射光譜，也就是要得到光纖沿線的vB分布。BOTDR的測量原理與OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer）技術很相似，脈沖光以壹定的頻率自光纖的壹端入射，入射的脈沖光與光纖中的聲學聲子發生相互作用後產生布裏淵散射，其中的背向布裏淵散射光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端，進入 BOT-DR的受光部和信號處理單元，經過壹系列復雜的信號處理可以得到光纖沿線的布裏淵背散光的功率分布，如圖1中（b）所示。發生散射的位置至脈沖光的入射端，即至 BOTDR的距離 Z可以通過式（1）計算得到。之後按照上述的方法按壹定間隔改變入射光的頻率反復測量，就可以獲得光纖上每個采樣點的布裏淵散射光的頻譜圖。
圖1 BOTDR的應變測量原理圖
如圖1中（c）所示，理論上布裏淵背散光譜為洛侖滋形，其峰值功率所對應的頻率即是布裏淵頻移 vB。如果光纖受到軸向拉伸，拉伸段光纖的布裏淵頻移就要發生改變，通過頻移的變化量與光纖的應變之間的線性關系就可以得到應變量。式中：c—真空中的光速；
地質災害調查與監測技術方法論文集
n——光纖的折射率；
T—發出的脈沖光與接收到的散射光的時間間隔。
目前國際上最先進的BOTDR監測設備以日本 NTT公司最新研制開發的最新壹代 AQ8603型BOTDR光纖應變分析儀為代表。表1為AQ8603的主要技術性能指標。
表1 AQ8603光纖應變分析儀的主要技術性能指標
3 隧道安全監測
BOTDR分布式光纖傳感技術在隧道方面的應用，目前已經在國內日漸成熟。我們在幾條隧道變形監測系統的建設過程中，已形成了壹整套的成功經驗，為該技術在巖土和地質工程安全監測中的推廣提供了堅實的技術基礎。
3.1 光纖鋪設
為了使光纖精確地反映被測構築物的應變狀態，必須將之與構築物緊密相連，鋪設在結構物上。鋪設的好壞，直接關系到監測的實際效果，因而在工程應用中，有著十分重要的意義。
根據光纖監測系統的設計原則，結合工程實際情況以及AQ8603應力分布式光纖傳感器的特點，基本有以下兩種鋪設方法：全面接著式鋪設和定點接著式鋪設，如圖2所示。
圖2 全面接著和定點接著
3.1.1 全面接著式鋪設
分別沿隧道縱深方向和橫斷面按全面接著方式布設傳感光纖。沿縱深方向布設的傳感光纖用於監測隧道縱向的整體變形情況，而沿橫斷面布設的光纖則是用於監測隧道橫向的變形情況。
全面接著式鋪設的特點是可以全程監測隧道的健康狀況，監測對象為隧道整體，監測結果為隧道整體的變形情況。此種接著方式應用特定的鋪設工藝，使用實驗測定的效果優良的混合膠粘劑（以環氧樹脂為主），將傳感光纖按照設計線路粘著在混凝土的表面，並在傳感光纖的末段接駁光纜，將監測信號傳送至隧道監控中心。
3.1.2 定點接著式鋪設
此種接著方式的特點是重點監測變形縫、應力集中區等潛在（或假定）變形處的變形情況。監測對象為變形縫等潛在（或假定）變形處，監測結果為變形縫等潛在（或假定）變形處的應力應變特征。此種接著方式的鋪設方法大體等同於全面接著式鋪設方式，所不同的是在設計施工面上選擇壹些特殊點進行粘著，即將光纖每隔1m至1.5m確定壹個固定點，粘貼在混凝土墻面上，以此來檢測隧道局部接縫處的變形（見圖3）。在某些特點地點，根據實際情況，選擇在特定的線路上在特定的位置安裝接縫傳感器，以監測變形縫的變形情況（見圖4）。
圖3 隧道接縫布線示意圖
3.2 變形計算
由於引起隧道變形的原因比較復雜，有溫度造成的構築物熱脹冷縮的整體變形，也有不同方向裂縫開裂和錯動引起的局部變形，因此，將 BOTDR所測到的隧道的應變轉換到變形，有時比較困難。因此比較可行的解決方法壹是要合理地布置光纖監測網，分別監測隧道的整體應變和局部應變及其方向，結合變形特點，計算出構築物的整體變形與局部變形；二是要采用相應的計算方法，將光纖的應變換算為隧道的變形。
圖4 接縫傳感器示意圖
例如，對於均勻應變，可以由下式計算變形：
地質災害調查與監測技術方法論文集
式中：ε為應變，d為應變段長度，δ為變形。
對於不均勻變形，可以采用按壹定間距定點接著的方式鋪設光纖，兩個粘結點間的應變近似地認為是均勻應變，按上式同樣可以得到光纖沿線的不均勻變形。
如果隧道發生整體的不均勻沈降，可以按照撓度的計算方法（見式（3）近似計算它的沈降變形量：
地質災害調查與監測技術方法論文集
式中：ε1、ε2分別為鋪設在構築物頂部和底部的兩條光纖的應變，d為兩條光纖的間距。
此外，結合數值模擬技術也可以實現變形的計算。可以將光纖的應變作為數值計算的邊界條件或者已知條件，通過有限元或有限差分等計算方法，得到構築物不同部位的各種變形。
總之，從隧道的應變轉換到變形的計算常常比較復雜，但是只要通過合理地布置光纖監測網，采用正確的計算方法，隧道變形的計算是可以得到滿意的結果。
4 基坑變形監測
基坑變形監測是巖土工程領域的基本問題之壹，基坑穩定性的重要性不言而喻。近半年來，課題組通過大量的室內外試驗研究，將 BOTDR技術成功地應用到了南京市的幾個深大基坑工程中，取得了壹些十分有價值的成果。
眾所周知，基坑變形原因復雜、類型繁多，但總體來說，主要是由基坑開挖引起的坑體水平位移問題和基底隆起問題。傳統的監測方式，如土壓力盒、測斜管等，由於自身傳感方式的限制，往往有精度不高、抗腐蝕性差、損耗較大、浪費人力等缺點。課題組通過研究，成功地研制了壹種具有專利技術的基於BOTDR技術的基坑位移監測分布式光纖傳感系統（分布式光纖傳感智能測斜管）。
圖5 基坑位移監測分布式光纖傳感系統
如圖5所示，利用傳統的測斜管器件與先進的BOTDR技術相結合，開發出上述傳感器。應用傳統的測斜管器件的目的在於：①經傳統方法驗證，測斜管能夠較理想地反映土體變形，是壹種良好的材料；②測斜管自身帶有卡槽，免去了人工開槽的工作；③該材料是常用的基坑監測材料，方便易得，比較經濟；④應用與傳統監測方式壹致的材料，方便對新、舊技術進行類比。該系統的構成，簡言之是將光纖按照壹定的施工工藝，用經室內外試驗和工程實踐驗證過的特殊的膠黏著在測斜管上，構成傳感系統，我們稱之為分布式光纖傳感智能測斜管。該傳感器具有分布式光纖傳感器的壹切優點，並可進行準實時監測。
應用BOTDR技術的分布式光纖傳感器所得到的監測結果，是沿光纖傳感器的軸向物理信息（應變、溫度等），因此，如何獲得沿光纖傳感器分布的基坑水平變形量，也就成了問題的核心。經過研究，應用計算撓度的方法來近似計算基坑的水平變形量。
由材料力學相關知識可知，沿線各點的撓度可利用下式計算。
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式中：εx為所求點的光纖實測應變，其值為沿測斜管兩側的兩條光纖的應變差；d為粘貼在測斜管兩側的光纖之間的距離；積分起點為深部某無應變點，v(x）為各點的撓度，可以近似地認為是基坑的水平變形量。
5 連續配筋混凝土路面檢測
連續配筋混凝土路面（CRCP）是全部省略接縫的連續混凝土板，是為了減輕因接縫而引起的振動與噪音，或為改善平整度、提高行車舒適性而使用的路面。對於這種高性能的路面結構形式，其鋼筋應力狀態、混凝土應力狀態和路面的裂縫分布是反映該路面使用性能的主要因素[8.9]。將 BOTDR這項優秀的無損檢測技術應用於監測 CRCP路面鋼筋、混凝土應力和路面裂縫，具有重要意義。
圖6為BOTDR分布式光纖傳感系統在連續配筋混凝土路面中的布置圖。路面縱向鋼筋***有11根。在其中9根鋼筋上布設了傳感光纖，溫度補償光纖4根，應變傳感光纖5根，沿中心對稱鋪設。
圖7為澆註混凝土開始5天內BOTDR檢測的板表面混凝土應變變化。從圖上可以清楚看出沿路面縱向表面混凝土應變分布情況，而且可以根據最大拉應變的位置預測出路面可能產生裂縫的位置。如圖中79m處最有可能出現裂縫。
圖6 光纖傳感系統布置
圖7 板表面混凝土應變分布
圖8為澆註混凝土開始5天內 BOTDR檢測的鋼筋應變變化。從圖上可以清楚看出沿路面縱向鋼筋應變分布情況。在混凝土硬化這段時間裏，鋼筋應變不是均勻的，通過連續監測鋼筋應變，有助於預測路面的使用性能。
本實驗測試結果表明，BOTDR分布式光纖傳感系統能夠在線對連續配筋混凝土路面板中的鋼筋和混凝土應變進行有效的檢測。這說明BOTDR在路面板、橋面板及其他壹些類似工程中具有良好的適用性及廣闊的應用前景。
6 結語
分布式光纖傳感技術在我國尚處於起步階段，雖然在隧道、基坑等部分領域取得了壹定成功，但仍然有許多研究工作有待進壹步開展，這包括兩個方面，壹是分布式光纖傳感監測技術本身的進壹步改良；二是要不斷地解決在工程監測中的技術問題。可以相信，隨著這壹技術的不斷研發和成熟，越來越多的大型基礎工程將采用這壹技術進行分布式監控和健康診斷，應用前景十分廣闊，無法估量。
圖8 鋼筋應變分布
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