史賓丁勇所高文彬琦君
(南京大學光電傳感工程監控中心，江蘇南京，210093)
分布式光纖傳感技術，如布裏淵散射時域反射儀(BOTDR)，是近年來發展起來的尖端技術，在世界範圍內得到廣泛應用。本文主要介紹BOTDR分布式光纖傳感技術在隧道、基坑、路面中的應用。工程監測過程中積累的大量監測數據表明，BOTDR分布式光纖傳感技術是壹種全新的、可靠的監測方法，其在工程實踐中的應用為工程監測提供了新的思路，因此將具有廣闊的發展前景。
BOTDR光纖傳感；工程監測；應變
1簡介
隨著對工程安全需求的不斷增加，近年來，許多新的傳感和監測技術得到了發展。它們不是簡單地改進傳統的傳感和監測技術，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，BOTDR分布式光纖傳感技術備受世人矚目。它使用普通的通信光纖，以類似神經系統的方式植入建築物中，獲得全面的應變和溫度信息。這項技術已成為日本、加拿大、瑞士、法國和美國等發達國家的研發課題。該技術在國內尚處於發展階段，已成功應用於部分隧道工程監控，並逐步推廣到其他工程領域。
在南京大學985工程和教育部重點項目的支持下，南京大學光電傳感工程監測中心建成了國內首個大型基礎工程BOTDR分布式光纖應變監測實驗室，開展了壹系列實驗研究，並將該技術成功應用於地下隧道等工程的實際監測中，取得了壹批重要成果， 為該技術在我國各種大型基礎工程和地質工程的質量監測和健康診斷中的廣泛應用奠定了堅實的基礎。
2 BOTDR分布式光纖傳感技術原理
布裏淵散射同時受到應變和溫度的影響。當光纖沿線的溫度發生變化或者存在軸向應變時，光纖中的後向散射布裏淵光的頻率會發生漂移，並且頻率漂移與光纖的應變和溫度變化有很好的線性關系。因此，通過測量光纖中反向散射的自然布裏淵光的頻率漂移(vB ),可以獲得溫度和應變沿光纖的分布信息。BOTDR的應變測量原理如圖1所示。
為了得到沿光纖的應變分布，BOTDR需要得到沿光纖的布裏淵散射譜，即得到沿光纖的vB分布。BOTDR的測量原理與OTDR(光時域反射器)非常相似。脈沖光以壹定的頻率從光纖的壹端入射，入射的脈沖光與光纖中的聲學聲子相互作用產生布裏淵散射，其中反向散射的布裏淵光沿著光纖的原路徑返回到脈沖光的入射端。經過壹系列復雜的信號處理，進入BOT-DR的光接收部分和信號處理單元後，可以得到沿光纖的布裏淵反向散射的功率分布，如圖1中(b)所示。散射位置到脈沖光入射端即BOTDR的距離z可以用公式(1)計算。然後，根據上述方法，以壹定的間隔改變入射光的頻率並重復測量，可以獲得光纖上每個采樣點的布裏淵散射光的頻譜。
圖1 BOTDR應變測量示意圖
如圖1 (c)所示，理論上，布裏淵反向散射譜呈洛倫茲形狀，其峰值功率對應的頻率為布裏淵頻移vB。如果對光纖進行軸向拉伸，被拉伸光纖的布裏淵頻移會發生變化，通過頻移的變化與光纖的應變之間的線性關系可以得到應變。其中: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是指發射脈沖光和接收散射光之間的時間間隔。
目前，世界上最先進的BOTDR監測設備是以日本NTT公司最新研制的最新壹代AQ8603 BOTDR光纖應變分析儀為代表。表1是AQ8603的主要技術性能指標。
表1 AQ8603光纖應變分析儀主要技術性能指標
3隧道安全監控
BOTDR分布式光纖傳感技術在我國隧道中的應用日趨成熟。在多個隧道變形監測系統的建設過程中，我們形成了壹套成功的經驗，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光纖敷設
為了準確反映被測結構的應變狀態，光纖必須與結構緊密連接並敷設在結構上。鋪設質量直接關系到監測的實際效果，因此在工程應用中具有重要意義。
根據光纖監測系統的設計原理，結合實際工程情況和AQ8603應力分布式光纖傳感器的特點，基本有以下兩種敷設方式:綜合敷設和定點敷設，如圖2所示。
圖2滿量程連接和定點連接
3.1.1全連續鋪設
傳感光纖分別沿隧道深度方向和橫截面綜合連接布置。沿深度方向鋪設的傳感光纖用於監測隧道縱向的整體變形，而沿橫截面鋪設的光纖用於監測隧道橫向的變形。
綜合連續鋪設的特點是可以全程監測隧道的健康狀況，監測對象是整個隧道，監測結果是整個隧道的變形。在這種連接方式中，應用了特定的鋪設工藝，使用實驗效果優異的混合膠(主要是環氧樹脂)將傳感光纖按照設計的線路粘貼在混凝土表面，在傳感光纖末端連接光纜，將監測信號傳輸到隧道監控中心。
3.1.2定點連續鋪設
這種連接方式的特點是重點監測變形縫、應力集中區等潛在(或假定)變形場所的變形。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。這種連接方式的鋪設方法與整體連接方式大致相當，不同的是在設計施工面上選取壹些特殊點進行粘貼，即每1m ~ 1.5m為光纖確定壹個固定點，粘貼在混凝土墻上，檢測隧道局部接縫處的變形(見圖3)。在壹些特征位置，根據實際情況，在特定線路的特定位置安裝接縫傳感器，監測變形縫的變形情況(見圖4)。
圖3隧道接頭接線示意圖
3.2變形計算
由於隧道變形的原因比較復雜，既有溫度引起的整體變形，也有不同方向的裂縫和位錯引起的局部變形，因此有時很難將BOTDR測得的隧道應變換算成變形。因此，可行的解決方案是:首先合理布置光纖監測網絡，分別監測隧道整體應變和局部應變及其方向，根據變形特征計算結構整體變形和局部變形；其次，應采用相應的計算方法，將光纖的應變轉化為隧道的變形。
圖4焊縫傳感器示意圖
例如，對於均勻應變，變形可通過以下公式計算:
地質災害調查與監測技術方法論文集
其中ε為應變，d為應變段長度，δ為變形量。
對於不均勻變形，可在壹定距離內采用定點連接的方式鋪設光纖。兩個鍵合點之間的應變近似認為是均勻應變，沿光纖的非均勻變形也可以根據上式得到。
如果隧道發生整體不均勻沈降，可根據撓度計算方法(見公式(3))近似計算沈降變形:
地質災害調查與監測技術方法論文集
其中ε1和ε2分別為敷設在結構頂部和底部的兩根光纖的應變，d為兩根光纖之間的距離。
此外，結合數值模擬技術，還可以實現變形計算。光纖的應變可以作為數值計算的邊界條件或已知條件，通過有限元或有限差分計算方法可以得到結構不同部位的各種變形。
總之，隧道從應變到變形的計算往往比較復雜，但只要合理布置光纖監測網，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的。
4基坑變形監測
基坑變形監測是巖土工程中的基本問題之壹，基坑穩定性的重要性不言而喻。半年來，課題組通過大量的室內外試驗研究，成功地將BOTDR技術應用於南京多個深大基坑工程，取得了壹些非常有價值的成果。
眾所周知，基坑變形的原因是復雜多樣的，但總的來說，主要原因是基坑開挖引起的基坑水平位移和基底隆起。傳統的監測方法，如土壓箱、測斜管等，由於自身傳感方式的限制，往往存在精度低、抗腐蝕性差、損耗大、浪費人力等缺點。通過研究，課題組成功開發了基於BOTDR技術的基坑位移監測專利分布式光纖傳感系統(分布式光纖傳感智能測斜儀)。
圖5基坑位移監測分布式光纖傳感系統
如圖5所示，該傳感器是通過將傳統的傾角儀設備與先進的BOTDR技術相結合而開發的。應用傳統測斜儀裝置的目的是:①測斜儀能理想地反映土體的變形，是壹種良好的材料；(2)測斜管本身有槽，無需人工開槽；(3)該材料是基坑常用的監測材料，方便、易得、經濟；(4)使用與傳統監測方法壹致的材料，便於新舊技術對比。簡而言之，系統的組成就是將光纖按照壹定的施工工藝，用經過室內外試驗和工程實踐驗證的專用膠粘貼在測斜管上，形成傳感系統，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所有優點，可用於準實時監測。
利用BOTDR技術的分布式光纖傳感器獲得的監測結果是軸向物理信息(應變、溫度等。)沿著光纖傳感器。因此，如何利用光纖傳感器獲取基坑沿程分布的水平變形就成為了問題的核心。經研究，通過計算撓度近似計算基坑的水平變形。
根據材料力學的知識，沿線各點的撓度可由下式計算。
地質災害調查與監測技術方法論文集
其中:εx為待測點光纖的實測應變，其值為測斜儀兩側兩光纖的應變差；d是貼在測斜儀兩側的光纖之間的距離；積分的起點是壹個較深的無應變點，v(x)是各點的撓度，可以近似認為是基坑的水平變形。
5連續鋼筋混凝土路面檢測
連續鋼筋混凝土路面(CRCP)是壹種完全省略接縫的連續混凝土板，用於減少接縫引起的振動和噪聲，或提高平整度和駕駛舒適性。對於這種高性能路面結構，路面的鋼筋應力狀態、混凝土應力狀態和裂縫分布是反映路面性能的主要因素[8.9]。應用BOTDR這壹優秀的無損檢測技術對CRCP路面上鋼筋和混凝土的應力以及路面裂縫進行監測具有重要意義。
圖6顯示了連續配筋混凝土路面中BOTDR分布式光纖傳感系統的布局。路面上有11根縱向鋼筋。傳感光纖、4根溫度補償光纖和5根應變傳感光纖沿中心對稱鋪設在9根鋼筋上。
圖7顯示了在澆註混凝土後5天內由BOTDR檢測的板表面上混凝土應變的變化。從圖中我們可以清楚地看到混凝土應變沿路面縱向表面的分布，並可以根據最大拉應變的位置來預測路面上可能出現裂縫的位置。如圖所示，裂縫最容易出現在79m處。
圖6光纖傳感系統的布置
圖7混凝土在板表面的應變分布
圖8顯示了在澆註混凝土後5天內由BOTDR檢測到的鋼筋應變的變化。從圖中可以清楚地看到，鋼筋的應變沿路面縱向分布。在混凝土硬化期間，鋼筋應變是不均勻的。連續監測鋼筋應變有助於預測路面性能。
試驗結果表明，BOTDR分布式光纖傳感系統能夠有效地在線檢測連續配筋混凝土路面板中鋼筋和混凝土的應變。這表明BOTDR在路面板、橋面板等類似工程中具有良好的適用性和廣闊的應用前景。
6結論
分布式光纖傳感技術在中國還處於起步階段。雖然在隧道、基坑等壹些領域取得了壹定的成功，但仍有許多研究工作需要進壹步開展，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完善；二是不斷解決工程監測中的技術難題。相信隨著這壹技術的不斷發展和成熟，越來越多的大型基礎設施項目將采用這壹技術進行分布式監測和健康診斷，其應用前景十分廣闊，不可估量。
圖8鋼筋應變分布
參考
[1]Horiguchi T，Kurashima T，Tateda M .石英光纖中布裏淵頻移的拉伸應變依賴性。IEEE光子技術快報，1989，1(5):107~108
[2]Ohno H，Naruse H，Kihara M，Shimada A，BOTDR光纖應變傳感器的工業應用。光纖技術，2001，7(1):45~64
[3]吳誌生，高橋泰，金浩，平松光，混凝土結構裂縫的光纖傳感檢測。日本混凝土學會會議錄，2000，22(1):409~414
[4]Wu Z S，Takahashi T和Sudo K，用光纖傳感器監測連續應變和裂紋的實驗研究。混凝土研究與技術，2002，13(2):139 ~ 148
[5]李春等，用於輸氣幹線管道的分布式光纖雙向應變傳感器。工程中的光學與激光，2001，(36):41~47
[6]Uchiyama H，Sakairi Y，Nozaki T，壹種采用新檢測方法的光纖應變分布測量儀。安藤技術通報，2002，(10):52~60
黃敏雙，陳為民，黃尚廉。基於布裏淵散射的分布式光纖拉伸應變傳感器的理論分析。光電工程，1995，22 (4): 11 ~ 36。
查旭東，張啟森，李玉枝，蘇慶貴，黃晴。高速公路連續配筋混凝土路面施工技術研究。中外公路，2003，23 (1): 1 ~ 4
[9]謝軍，查旭東，編譯。連續鋼筋混凝土路面設計指南。國外公路，2000，20 (5): 4 ~ 6。
[10]史斌等. BOTDR應變監測技術應用於大型基礎工程健康診斷的可行性研究。巖石力學與工程雜誌。第22卷，第12期，2003年。
[11]施斌等，BOTDR在隧道工程變形監測、結構健康監測和智能基礎設施中的應用研究，巴爾克馬出版社，2003:1025~1030
許，史斌，張丹，，崔，。基於小波分析的BOTDR光纖傳感器信號處理方法。光電激光，2003(7)。
[13]徐海鐘，石寶林，，丁勇，，崔，基於小波分析的botdr分布式應變測量數據處理，結構健康監測與智能基礎設施，北京:科學出版社，2003:345~349
安迪，呂誌濤。用於橋梁監測的光纖傳感器。公路交通科技，2003，20 (3): 91 ~ 95。
張丹，史斌，，許，，崔。BOTDR分布式光纖傳感器及其在結構健康監測中的應用。土木工程學報，2003，36 (11): 83 ~ 87。
[16]，，徐，，丁勇，，崔，，高，BOTDR在結構彎曲監測，結構健康監測和智能基礎設施中的應用，巴爾克馬出版社，2003:271~276
[17]，，，高，，徐，基於BOTDR的分布式光纖傳感器對鋼筋混凝土T梁結構裂縫的識別與定位，，2004
張丹，史斌，許，高，朱虹。BOTDR監測鋼筋混凝土T梁變形的試驗研究。東南大學學報(待出版)
[19]丁勇，史斌，吳智深。巖土工程監測中的光纖傳感器。第四屆全國巖土工程會議論文集2003: 283 ~ 291。
[20]丁，楊，石，王，崔，高，陳建清，陳，2003 .光纖應變傳感器在恒定應力下的穩定性。結構健康監測與智能基礎設施，巴爾克馬出版社，2003:267~270