光纖傳感技術在隧道結構健康監測中的運用

丁建峰，王燕平，徐雨歌

(1.揚州市隧道管理處，江蘇 揚州 225000；2.揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225000)

1 光纖傳感技術及其基本原理

光纖傳感技術始于1979年，是美國國家航空局所研發出的一種新型傳感技術。該技術最先是在飛機蒙皮結構的監測之中得以應用，主要用來檢測復合材料的溫度和應變。后來，美國和加拿大兩個國家對光纖傳感器在復合材料結構的損傷檢測、無損檢測、固化、評估以及識別等方面進行了深入研究。隨著近年來科學技術的不斷發展，光纖傳感技術也開始日益成熟，并且在眾多領域之中都得到了廣泛應用。在光纖傳感技術的應用和發展之中，建筑工程的健康監測領域逐漸成為了該技術的主要發展陣地。相比較傳統的電子傳感技術而言，光纖傳感技術的信息載體是光，其信息傳遞介質是有著更高抗干擾、抗腐蝕、高傳輸帶寬且使用壽命長的光纖[1]。同時，由于光纖的直徑很小，質量很輕，且具有可彎曲特點，所以在具體的應用過程中，可以將光纖埋設到復合材料內部，也可以將其貼在材料的表面，這樣就可以和被檢測的材料之間實現良好的融合。在光柵光纖傳感器的應用之中，可以將很多個傳感器布設在同一根光纖上，以此來對被監測的材料進行分布式的測量。而借助于光時域技術，也可以對被監測的材料實現分布式的測量。因此，將光纖傳感技術應用到結構監測之中，可以對結構的溫度、應變、腐蝕情況、動態響應以及裂縫情況等的各項參數進行檢測，且有著極高的靈敏度，屬于一種理想化的傳感裝置。

在目前的數據傳輸領域之中，光纖傳感技術已經成為了一種首選技術，而該技術在整個傳感器領域之中也有著十分光明的發展前景。借助于光纖傳感技術，可以讓傳統的光信號編碼信息特征得到科學應用，使其產生出可以表現外部擾動的一種光電信號，以此來采集待測信息。

在光纖傳感技術之中，光調制技術最為關鍵。實際上，光調制技術就是借助于光纖內部的載體光波來承載攜帶者待測信息的信號，這一技術主要是借助于光敏元件實現。在待測區域之中，光敏元件可能會受到溫度和應變等的外部因素影響，進而對光信號的強度、波長、頻率、相位、偏振以及顏色等這些參數之中的一種進行調制，然后通過光纖對調制好的光波進行傳輸[2]。位于監測終端的光電裝置可以進行光信號的解調，以此來將光信號轉換成模擬的電子信號，然后對轉換成的電子信號進行適當處理，最終獲得到待測參數的數字信息。

2 隧道施工概況

南京市某市政隧道總長度是2.66 km，其中有1.66 km穿越湖底，雙向六車道，屬于三箱室的結構形式，在這三個箱室之中，左邊和右邊兩個箱室作為行車道使用，中間的箱室作為綜合管廊以及隧道檢修通道。隧道的陸地隧道長度是0.9 km，屬于雙向四車道。隧道的設計寬度大約是32 m，凈空高度大約是4.5 m，每隔90 m長就設置一道橫向的變形裂縫。

在本次隧道工程的施工之中，地質條件較差，尤其是在湖底的施工之中，松散粉細沙層分布范圍比較廣，有著較大的厚度，且存在承壓水，土層之間有著顯著的性質差異，土層類別十分復雜，且分布情況不均勻。

在該隧道的光纖監測系統建設施工過程中，主要將BOTDR這一光纖監測系統應用到了隧道結構的健康監測之中，分別沿著兩車行速調的軸向進行4根光纖的敷設，其敷設方式是兩根全面接著，兩根定點接著。全面接著形式的光纖主要是對隧道整體進行監測，通過這兩根光纖，可以及時發現隧道整體變形情況。定點接著形式的光纖主要是對變形縫進行應力集中區域以及變形縫等這些具有假定變形特征或潛在變形特征的位置進行監測，通過這兩條光纖，可以及時發現這些位置的變形情況。在該隧道的數據采集方面，應用的是由日本NTT公司所研發的AQ8603型BOTDR光纖應變分析儀。

3 BOTDR光纖監測原理分析及監測方案

3.1 監測原理

按照光纖所具備的物理特征，溫度以及應變都會對Brillouin scattering造成影響，也就是說，在光纖沿線發生溫度變化或者是產生軸向應變的情況下，光纖之中的背向Brillouin scattering光頻率也將會出現漂移，而其頻率所產生的漂移量將會和光纖溫度變化及其應變呈現出十分顯著的線性關系[3]。所以，通過對光纖之中背向自然布理淵散射光頻率漂移情況的測量，就可以或得到其沿線的溫度信息及其應變分布信息。

3.2 光纖監測技術在隧道施工之中的監測方案

3.2.1 光纖的敷設方式

按照BOTDR這種光纖監測系統的具體設計原則，并結合樣本隧道光纖監測系統施工的實際情況，同時也全面考慮到了AQ8603型號BOTDR光纖傳感器的實際應用特征，在本次的研究之中，主要通過兩種方式對光纖監測系統進行布設，首先是通過全面接著形式來進行敷設，其次是通過定點接著形式來進行敷設。圖1是這兩種敷設形式具體的敷設方法。

圖1 全面和定點接著敷設形式的敷設方法

3.2.2 光纖監控系統的布設和線路敷設

按照隧道實際的施工情況和施工之中對于儀器設備的要求，本次設計的光纖傳感器敷設線路共有8條，以此來達到對隧道之中所有變形情況數據的綜合性、全方位采集效果。在該線路方案的設定過程中，設計單位和建設單位經過了多次的論證、推敲和修改，最終設計出了合理化的線路方案，并將其應用到了實際的施工之中[4]。本次工程所敷設的8條光纖線路分別在隧道的南側和北側墻壁上進行布設。在本次工程所布設的8條線路之中，一號線路、四號線路和八號線路屬于全面接著形式的線路，僅僅在變形縫的位置采用了定點接著形式，其余的線路均屬于定點接著形式的線路。具體敷設過程中，將這8條線路的起點布設在了隧道的出口位置，線路的中點布設在了K0+506位置，并通過傳光光纜在中點位置將光纖傳感器引入到隧道監控中心。

3.2.3 數據監測和分析

在隧道監測數據具體分析過程中，如果獲得到的應變是正數，則表明被測結構在測量當天受到了拉伸力作用，反之，如果獲得到的應變是負數，則表明被測結構在測量當天受到了壓縮力的作用。因為本次研究所涉及到的檢測數據很多，所以在此僅僅選擇了N4光纖來作為本次檢測和應變分析之中的研究對象。具體監測過程中，每周對應變數據采集一次，數據采集中并未對溫度補償加以考慮。

從最后的監測數據可以看出應變和溫度之間有著負相關的關系，且這種負相關十分良好。伴隨著溫度的不斷上升，應力就會隨之逐漸下降，而伴隨著溫度的逐漸下降，應力也會隨之逐漸上升[5]。

而且在整個監測過程可見，溫度變化可以對應變起到主要的影響作用，伴隨著溫度的逐漸上升，應變將會逐漸變小，而伴隨著溫度的逐漸降低，應變會逐漸變大。

4 光纖傳感技術在隧道健康監測中的問題

1)應變和溫度之間的區分問題。在很多的光纖傳感器之中，應變和溫度之間的交叉問題都有待進一步解決。在BOTDR光纖監測系統的實際應用之中，如果溫度變化不超過5℃，就可以忽略溫度對應變的影響，但是如果溫度變化超過了5℃，就應該考慮到相應溫度補償措施的應用[6]。但是就目前的情況來看，光纖傳感器溫度補償方面的計算方式存在明顯的不足，這就需要在今后的應用和研究之中做出進一步的完善。

2)光纖的接入、接出以及線路保護問題。因為應用到隧道健康監測之中的光纖十分脆弱，尤其將光纖植入到混凝土的過程中，更是非常容易遭到破壞。因此，在具體的應用之中，應該注意加強光纖的保護工作，以此避免光纖損壞的情況發生，在保障監測效果的基礎上節約成本。同時，在光纖的接入和接出過程中，也應該做好線路保護措施，以此保障光纖線路的敷設質量?；谶@一情況，在光纖傳感技術的實際應用中，要加大力度進行光纖線路保護方面的研究。

3)光纖傳感器的封裝問題。光纖傳感器的封裝就是在光纖的測量和保護之間達到一種平衡狀態，不僅需要避免外界的環境因素對光纖造成的不利影響，而且應該注重保持光纖傳感器的精準性和靈敏性。為達到這一目的，光纖傳感器的生產廠家應該對光纖傳感器的封裝工藝做到足夠重視，加大力度對光纖傳感器的封裝技術和封裝工藝進行研究，在此過程中，生產企業也應該組建起一個專業的課題組，專門來研究關于光纖傳感器封裝方面的技術和工藝。通過這樣的方式，才可以在保障光纖傳感器不受影響的基礎上保障其使用性能。

4)大量數據的處理問題。在隧道健康監測之中，光纖傳感器的主要應用方法是定期進行監測數據的收集，因此，監測的頻次越高，需要收集的數據也就越多，尤其是一些需要進行在線監測的隧道結構，更是有著相當巨大的監測數據量，因此，這些數據的日常處理工作也就會十分繁瑣?；谶@一情況，在光纖傳感器的應用與研究之中，應該加大力度對數據分析和處理系統加以完善，這樣才可以讓大量的數據得到及時有效的處理，提升系統的使用性能和監測的精準性。

5 結束語

光纖傳感技術是當今傳感技術領域之中一項全新的、先進的技術。經光纖傳感技術應用到隧道健康監測之中，可以對隧道結構問題做到及時發現，以此來保障隧道的質量與安全性。本文主要以隧道健康監測之中的光纖傳感系統實際應用為例，對光纖傳感技術在隧道健康監測之中的應用進行分析。希望通過本文的分析，可以為類似工程之中光纖傳感技術的合理應用與發展提供出一定的參考依據。

[ID:010455]