巖土與地質(zhì)工程中分布式光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展

高 磊，陳暉東，余湘娟，周 斌

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院巖土工程研究所，江蘇 南京 210098)

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，大量高速公路、地鐵、隧道等基礎(chǔ)工程設(shè)施開(kāi)工建設(shè)，為了保證工程設(shè)施的安全使用，對(duì)其進(jìn)行健康評(píng)估與安全監(jiān)測(cè)顯得尤為重要.目前，對(duì)工程設(shè)施(含大型工程)的監(jiān)測(cè)多采用電阻式、電感式和振弦式等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，但其傳感器為電感式或振弦式，材料為金屬，在一些惡劣的巖土與地質(zhì)環(huán)境中，存在易受潮生銹失效、耐久性差、接觸不良、成活率低等缺陷，不能實(shí)時(shí)多點(diǎn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè);同時(shí)以上傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)采用均點(diǎn)式布設(shè)，布點(diǎn)具有隨意性，可能漏檢重要部位，在長(zhǎng)距離和大面積布點(diǎn)時(shí)經(jīng)濟(jì)效益不高，管理起來(lái)也很困難，難以滿足快速發(fā)展的大中型工程設(shè)施建設(shè)的實(shí)際需求，制約著基礎(chǔ)工程設(shè)施安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展.

分布式光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)末提出和發(fā)展起來(lái)的一種新型工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù).與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段相比，光纖既作為傳感介質(zhì)又是傳輸通道，可以進(jìn)行空間上的連續(xù)測(cè)量，當(dāng)光纖布入被測(cè)對(duì)象中并和被測(cè)對(duì)象的變形協(xié)調(diào)時(shí)，一次測(cè)量可以獲取整個(gè)光纖應(yīng)變或溫度的一維分布圖;如果將光纖布置成網(wǎng)狀，可得到多維的應(yīng)變或溫度分布數(shù)據(jù)，更加有利于對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形分布情況的分析;還具有靈敏度高、抗電磁干擾、電絕緣性好、耐久性好等優(yōu)點(diǎn).由于分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)具有上述多種優(yōu)勢(shì)，非常適用于巖土與地質(zhì)工程安全監(jiān)測(cè)，引起了工程設(shè)施健康與安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)W者和工程技術(shù)人員的重視［1］.

在對(duì)巖土與地質(zhì)工程設(shè)施應(yīng)力、應(yīng)變、位移等監(jiān)測(cè)中，常見(jiàn)的分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)包括自發(fā)布里淵光時(shí)域散射分析技術(shù)BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer)、受激布里淵光時(shí)域散射分析技術(shù)BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)、光纖布喇格光柵技術(shù)FBG(Fiber Bragg Grating)、拉曼光時(shí)域反射分析技術(shù)ROTDR(Raman Optical Time Domain Reflectometry)等.

目前國(guó)內(nèi)外已將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于巖土與地質(zhì)工程領(lǐng)域，并從以下幾個(gè)方面開(kāi)展了大量富有成效的研究工作.

1 混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要通過(guò)鋼筋承受拉力，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或鋼筋銹蝕后會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，裂縫和鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響一直是工程領(lǐng)域備受關(guān)注的問(wèn)題.2007年，吳永紅等［2］通過(guò)分析光纖涂覆層對(duì)裂縫傳感靈敏性影響，制作出靈敏性與存活率較高的光纖試驗(yàn)樣本，為裂縫傳感光纖的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了基本參照.針對(duì)大型工程結(jié)構(gòu)需要對(duì)隨機(jī)裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，歐進(jìn)萍等［3］提出了同時(shí)探測(cè)多處隨機(jī)裂縫的多段分布式光纖裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并用OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)識(shí)別光纖中的菲涅爾反射確定裂縫位置和監(jiān)測(cè)多處隨機(jī)裂縫.陳池等［4］進(jìn)行了水電站的地質(zhì)平峒裂縫監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)光纖的組合能夠?qū)崿F(xiàn)多量程、高精度的觀測(cè)，為將分布式光纖應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn).甘玉寬等［5］制作了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬鋼筋銹蝕過(guò)程，通過(guò)光纖傳感技術(shù)對(duì)銹蝕過(guò)程和外圍混凝土膨脹變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，初步證明了分布式傳感光纖對(duì)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)的有效性，但尚未應(yīng)用到實(shí)際工程監(jiān)測(cè)中.鋼筋的變形規(guī)律和受力分布特征對(duì)于結(jié)構(gòu)物的健康監(jiān)測(cè)也非常重要.張丹等［6］用BOTDR檢測(cè)不同荷載下鋼筋上、下表面的應(yīng)變分布，通過(guò)與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，證明BOTDR可以較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變分布;同時(shí)在研究過(guò)程中提出了一些問(wèn)題，如測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨率為1 m時(shí)，不能完全滿足工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的需要，對(duì)結(jié)構(gòu)的高變形區(qū)及易損部位的監(jiān)測(cè)還需要進(jìn)一步研究.張少杰等［7］研究碳涂覆光纖時(shí)發(fā)現(xiàn)碳涂覆光纖與普通單模光纖相比，分辨率更高，動(dòng)態(tài)范圍更廣，為惡劣條件下采用碳涂覆光纖進(jìn)行工程健康監(jiān)測(cè)提供了依據(jù).總體來(lái)說(shuō)，分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于裂縫和銹蝕監(jiān)測(cè)還處于室內(nèi)試驗(yàn)階段，對(duì)裂縫和銹蝕的識(shí)別只能定性評(píng)價(jià)，不能定量評(píng)價(jià)，且鋼筋銹蝕對(duì)光纖和鋼筋的變形協(xié)調(diào)有一定影響，在工程應(yīng)用中還不夠成熟.

2 樁基工程及基坑監(jiān)測(cè)

樁基對(duì)于上部結(jié)構(gòu)工程的安全具有重要影響，樁的強(qiáng)度對(duì)承載能力起重要作用，樁的壓縮變形關(guān)系到樁基穩(wěn)定和上部結(jié)構(gòu)的安全.由于傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感器不能全面監(jiān)測(cè)和反映樁基的受力和變形情況，而分布式光纖傳感技術(shù)則能夠全面地監(jiān)測(cè)樁身應(yīng)變，因而后者具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景.近年來(lái)樸春德等［8－9］先后將分布式光纖傳感技術(shù)BOTDR用于鉆孔灌注樁、PHC樁、預(yù)制樁的軸力分布、側(cè)摩阻力分布和樁身?yè)p傷識(shí)別中;研發(fā)了光纖埋設(shè)方法和數(shù)據(jù)處理方法，并證明相對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)而言，分布式光纖傳感技術(shù)能夠更全面有效地對(duì)樁基進(jìn)行監(jiān)測(cè);同時(shí)提出了一些減小誤差的建議和具體方法.江宏［10］將脈沖預(yù)泵浦BOTDA技術(shù)(PPP－BOTDA)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管樁進(jìn)行負(fù)摩阻力和樁身應(yīng)變測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)10 cm的空間分辨率測(cè)量，應(yīng)變測(cè)量精度達(dá)到了±7.5 με，所測(cè)結(jié)果與滑動(dòng)微測(cè)計(jì)測(cè)量結(jié)果一致.邱松等［11］將FBG傳感技術(shù)應(yīng)用到混凝土管樁的水平靜載荷試驗(yàn)中，結(jié)果表明傳感器埋設(shè)工藝良好，傳感器存活率超過(guò)90%，測(cè)試數(shù)據(jù)可靠、精度能夠滿足工程要求.劉永莉等［12］通過(guò)在抗滑樁上布置光纖傳感器，運(yùn)用BOTDR監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取抗滑樁的內(nèi)力分布數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)抗滑樁工作狀態(tài)，結(jié)果表明這種測(cè)量方法能夠?qū)崿F(xiàn)從抗滑樁澆注完成至滑坡推力作用整個(gè)過(guò)程的應(yīng)變監(jiān)測(cè).以上工程實(shí)踐表明，分布式光纖傳感技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠全面有效地對(duì)樁基受力和變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè);但光纖的埋設(shè)和損傷需要格外注意，以確保傳感器的存活率;后期數(shù)據(jù)分析處理有待進(jìn)一步研究.

基坑開(kāi)挖時(shí)的自身穩(wěn)定和對(duì)周圍建筑物的影響是基坑工程中的重要問(wèn)題.基坑工程的監(jiān)測(cè)，特別是基坑深部土體的位移監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)基坑穩(wěn)定性和對(duì)周圍建筑影響程度的必要工作.劉杰等［13］通過(guò)布里淵光時(shí)域反射計(jì)BOTDR技術(shù)，將傳感光纖按照一定的工藝粘貼在埋置于土體中的測(cè)斜管上，實(shí)測(cè)傳感光纖的應(yīng)變分布，實(shí)現(xiàn)了深部土體水平位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).在實(shí)際施工過(guò)程中，丁勇等［14］進(jìn)行了基于分布式光纖傳感技術(shù)BOTDA的SMW工法樁測(cè)量研究，安裝有分布式傳感光纖的H型鋼可作為一種具有實(shí)時(shí)獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)的基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其具有良好的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分布式測(cè)量、溫度自補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn).H.Mohamad等［15］運(yùn)用BOTDR光纖傳感技術(shù)對(duì)施工過(guò)程中排樁的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，詳細(xì)介紹了傳感器的安裝方法和數(shù)據(jù)處理方法，提出了溫度補(bǔ)償方法，測(cè)得的應(yīng)變、溫度、應(yīng)力等與傳統(tǒng)的測(cè)量方法和FREW軟件模擬分析相比，吻合度很高.采用光纖傳感技術(shù)長(zhǎng)期進(jìn)行基坑監(jiān)測(cè)目前還存在很多問(wèn)題，如傳感光纖的布設(shè)、傳感器的封裝、運(yùn)行期間的維護(hù)等.

3 邊坡監(jiān)測(cè)

邊坡工程對(duì)周邊高速公路、住宅、水利設(shè)施等安全影響至關(guān)重要，由于強(qiáng)降雨、水位變化、地震等因素容易引起滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)邊坡的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)必不可少，光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究和穩(wěn)定評(píng)估提供依據(jù).近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)之研究頗多，如王寶軍等［16］探究了BOTDR技術(shù)對(duì)埋入土工織布的邊坡形變穩(wěn)定監(jiān)測(cè)及早期破壞警報(bào)的可行性，發(fā)現(xiàn)由于光纖與土體的變形協(xié)調(diào)性不高，將光纖依附于錨桿和框梁中進(jìn)行監(jiān)測(cè)比直接將光纖埋入土體中監(jiān)測(cè)效果更好.朱萍玉等［17］嘗試把分布式光纖用于土堤壩的安全監(jiān)測(cè)，取得了良好的效果.裴華富等［18］介紹了一種基于光纖布拉格光柵傳感技術(shù)FBG的新型原位測(cè)斜儀及其分析方法;并通過(guò)室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證了該新型原位測(cè)斜儀和分析方法的有效性.殷建華等［19］在北川縣西山坡滑坡群監(jiān)測(cè)和香港新界鹿徑道公路邊坡監(jiān)測(cè)中運(yùn)用光纖傳感技術(shù)，分析了部分光纖監(jiān)測(cè)成果，總結(jié)了光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在邊坡現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn).國(guó)外，日本與意大利2007年將基于OTDR光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在富士山的Takisaka邊坡上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)光纖的彎曲雖會(huì)引起傳輸光的衰弱，但該技術(shù)測(cè)得的位移與位移計(jì)測(cè)得的結(jié)果誤差僅有幾毫米［20］.T.Zimmie等［21］介紹了美國(guó)自主開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)SAA(Shape Accel Array)，可同時(shí)測(cè)量100 m深度范圍內(nèi)三維土體加速度和永久變形，并用該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了加利福利亞的現(xiàn)場(chǎng)邊坡，監(jiān)測(cè)結(jié)果與原先埋入邊坡中的傳統(tǒng)傳感器所測(cè)結(jié)果一致.

4 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)

分布式光纖傳感技術(shù)在溫度監(jiān)測(cè)方面也取得了很大的進(jìn)展.周智等［22］對(duì)光纖布拉格光柵的溫度傳感特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:光纖光柵對(duì)溫度非常敏感，經(jīng)過(guò)管式環(huán)氧樹(shù)脂封裝的光纖光柵明顯地提高了溫度敏感特性，用光纖光柵可以方便制作分布式溫度傳感器.張巍等［23］提出基于拉曼光時(shí)域反射計(jì)的ROTDR技術(shù)可以識(shí)別出環(huán)境負(fù)溫驟升行為對(duì)凍土瞬態(tài)溫度場(chǎng)形態(tài)分布的擾動(dòng)特征，研發(fā)出凍土瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布式光纖監(jiān)測(cè)方法，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)傳感光纖護(hù)套對(duì)其溫度響應(yīng)具有延遲效應(yīng)，選用具有更高導(dǎo)熱系數(shù)的不銹鋼管等護(hù)套材料可以縮短溫度響應(yīng)時(shí)間;為凍土的工程防災(zāi)與理論研究提供了一種全新的解決思路.聶俊等［24］研究了基于BOTDA的溫度和應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在溫度測(cè)試中光纖的保護(hù)層厚度制約了光纖測(cè)溫的精度，對(duì)光纖保護(hù)層改進(jìn)可以提高測(cè)溫的精度.

5 土體變形監(jiān)測(cè)

光纖監(jiān)測(cè)土體變形是一個(gè)難題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)其做了很多有意義的探索.李科等［25］將3種不同光纖布置在同一泥漿中，通過(guò)光纖監(jiān)測(cè)不同含水率時(shí)的土體干縮變形，研究表明用布里淵散射時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)BOTDR監(jiān)測(cè)土體變形的測(cè)量精度和準(zhǔn)確性，其與土和傳感光纖表面的粘結(jié)力有關(guān)，當(dāng)含水率過(guò)大或光纖表面過(guò)于光滑時(shí)，土與傳感光纖之間的粘結(jié)力很小，兩者容易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn);因此在以后的光纖護(hù)套研究中應(yīng)積極探索能夠增加光纖表面摩擦力的方法和材料.為了掌握不同層位的失水壓縮變形規(guī)律并選擇合理的立井井壁破壞監(jiān)測(cè)層位，柴敬等［26］采用深孔多點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)，對(duì)在第四系松散地層段埋設(shè)的18個(gè)光纖光柵傳感器進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，總結(jié)典型地層的應(yīng)變變化，把地層的應(yīng)變變化與水位變化聯(lián)系起來(lái)，發(fā)現(xiàn)水位處于穩(wěn)定和增長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)層位應(yīng)變值在減小，地表降雨量與松散層的沉降變形沒(méi)有直接聯(lián)系.張勇等［27］在即將開(kāi)挖的隧道上方土體表面開(kāi)槽埋入水平網(wǎng)狀布設(shè)的光纖，對(duì)城市暗挖隧道土體應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證基于BOTDR的分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)土體應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)的可行性和可靠性;研究結(jié)果表明該技術(shù)可對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中土體應(yīng)變場(chǎng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，且可以對(duì)土體變形破壞進(jìn)行預(yù)警，這為將來(lái)的隧道建設(shè)監(jiān)測(cè)工程提供了全新的技術(shù)和思路.張丹等［28］為研究失水條件下飽和膨脹土干縮裂隙發(fā)育過(guò)程中土體內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)、分布以及變化規(guī)律，采用高精度的FBG傳感技術(shù)對(duì)膨脹土裂隙發(fā)育全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、并揭示膨脹土失水致裂機(jī)理，以及膨脹土裂隙性特征.

6 工程布設(shè)和溫度補(bǔ)償方法

分布式光纖傳感技術(shù)在工程中使用需要考慮布設(shè)方法和溫度補(bǔ)償.對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)直接澆注的樁，如灌注樁，可將光纖固定在一對(duì)對(duì)稱的主筋側(cè)面，方便采用兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，也易檢測(cè)到加載時(shí)出現(xiàn)的偏壓;在鋪設(shè)過(guò)程中盡量讓光纖保持挺直，在光纖接頭處采用一定的保護(hù)措施進(jìn)行保護(hù);為了更好地保證鋼筋與光纖的變形協(xié)調(diào)性，采用特種膠水或者特殊接頭進(jìn)行固定，露在外面的光纖應(yīng)套上波紋管進(jìn)行保護(hù)［8］.對(duì)于預(yù)制樁，則用切割工具在樁身表面沿著設(shè)計(jì)路線開(kāi)槽，槽寬和槽深應(yīng)能滿足放入光纖的要求，光纖放入槽內(nèi)定點(diǎn)固定;用高強(qiáng)膠劑充填入槽內(nèi)進(jìn)行粘貼和表面保護(hù)，在光纖外露的兩頭采用套管保護(hù)后再用緩沖材料包裹固定，將已布設(shè)好光纖的樁按先后順序打入;在樁施工對(duì)接時(shí)，待樁焊接完成后將上下樁對(duì)應(yīng)的各條光纖進(jìn)行對(duì)接并保護(hù)，冗余的光纖盤在樁接頭處加特殊保護(hù)層后繼續(xù)打入;在施工過(guò)程中重點(diǎn)要對(duì)樁接頭處和樁頭外露的光纖進(jìn)行防擠壓、防撞擊和防電焊火花保護(hù)［9］.基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)時(shí)，埋設(shè)測(cè)斜管前，在測(cè)斜管的外壁凹槽內(nèi)并行粘貼2根光纖，其中1根朝向基坑壁一側(cè)，當(dāng)土體發(fā)生位移時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)變;另一根背向基坑壁，當(dāng)土體發(fā)生位移時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)變.土體發(fā)生位移時(shí)測(cè)斜管隨之發(fā)生變形，粘貼在測(cè)斜管外表面的光纖能夠感應(yīng)到測(cè)斜管的變形，從而得到基坑周圍任意位置土體的水平位移分布［13］.在對(duì)隧道和邊坡應(yīng)力應(yīng)變和位移等監(jiān)測(cè)時(shí)，由于工程面積很大，可在工程中把單根光纖布置成網(wǎng)格狀，并盡量減少轉(zhuǎn)角數(shù)量，防止光束在傳輸過(guò)程中損耗過(guò)多，測(cè)量效果達(dá)不到要求;同時(shí)為了提高測(cè)量靈敏度，網(wǎng)格的邊長(zhǎng)需大于檢測(cè)儀的最大空間分辨率［23］.

由于布里淵頻移對(duì)應(yīng)變和溫度都敏感，當(dāng)光纖溫度不變時(shí)，BOTDR的應(yīng)變測(cè)量值即表示光纖變形.因此，采用BOTDR檢測(cè)對(duì)象時(shí)，在對(duì)象中預(yù)埋一根松弛傳感光纖封裝在金屬波紋管里面作為溫度補(bǔ)償傳感器，這根傳感光纖所測(cè)得的布里淵散射光頻率偏移量，就是由溫度變化引起的等效應(yīng)變值，可作為溫度補(bǔ)償;而預(yù)埋的其他傳感光纖則作為測(cè)試過(guò)程中的應(yīng)變傳感器.通過(guò)比較兩者結(jié)果，獲取相對(duì)布里淵散射光頻率偏移量，對(duì)實(shí)測(cè)的分布式應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償［29］.基于BOTDA的分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)則可以簡(jiǎn)便地進(jìn)行溫度補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量中的溫度補(bǔ)償，提高了應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性，具有很高的性價(jià)比.

7 新型傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

在巖土工程新型傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面也有很多學(xué)者做了大量的研究.魏廣慶等［30］介紹了傳感器的封裝(粘貼封裝、管片式封裝、植入復(fù)合材料封裝)，提出了幾種溫度補(bǔ)償方法.朱鴻鵠等［31－32］針對(duì)建筑物基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)一直存在著精度低、穩(wěn)定性差、不易安裝等缺點(diǎn)，研制出光纖光柵應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、沉降儀和水平測(cè)斜儀等傳感器，用于監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)的應(yīng)變、溫度、位移等;并在某建筑物的施工過(guò)程中，在筏式基礎(chǔ)中安裝了以上光纖光柵傳感器，構(gòu)成準(zhǔn)分布式的基礎(chǔ)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程化;同時(shí)還針對(duì)大壩模型試驗(yàn)中內(nèi)部變形難以監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，研制了一種新型的基于光纖布拉格光柵FBG技術(shù)的圓棒式結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，監(jiān)測(cè)大壩的內(nèi)部變形.曹建梅等［33］設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)格狀的光纖傳感器陣列，并將該陣列與BOTDR分析儀相結(jié)合組成一個(gè)完整的系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)隧道變形，結(jié)果表明，這套光纖網(wǎng)格隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

8 展望

在巖土、地質(zhì)、土木工程等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量分布式光纖傳感技術(shù)的理論和應(yīng)用研究.分布式光纖傳感技術(shù)在應(yīng)用廣度和深度上都有了較大發(fā)展，尤其在巖土與地質(zhì)工程安全監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中展現(xiàn)出非常廣闊的應(yīng)用前景.

通過(guò)對(duì)近年來(lái)巖土與地質(zhì)工程中分布式光纖傳感技術(shù)研究的總結(jié)，得出下列問(wèn)題有待深入研究:(1)分布式光纖傳感器和設(shè)備的研發(fā)，如光纖傳感器的封裝、研制、溫度補(bǔ)償?shù)?，尤其是?shù)據(jù)采集設(shè)備性能的提升和改進(jìn)，將有助于分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展;(2)傳感光纖與工程巖土體的協(xié)調(diào)變形、匹配和耦合等，一直是制約傳感光纖技術(shù)在巖土體監(jiān)測(cè)方面的重要障礙;(3)光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和挖掘、異常數(shù)據(jù)的識(shí)別、數(shù)據(jù)的處理方法和手段等;(4)基于分布式光纖監(jiān)測(cè)應(yīng)變和溫度的巖土體分析評(píng)價(jià)理論與方法，構(gòu)建科學(xué)的分布式光纖傳感技術(shù)評(píng)價(jià)體系;(5)分布式傳感技術(shù)的關(guān)鍵器件、集成、工程監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)等.以上問(wèn)題也將是巖土與地質(zhì)工程分布式光纖傳感技術(shù)未來(lái)的研究熱點(diǎn).

［1］施斌，張丹，王寶軍.地質(zhì)與巖土工程分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)及其發(fā)展［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15(增刊2):109-116.(SHI Bin，ZHANG Dan，WANG Bao-jun.Distributed optical fiber monitoring technologies of geological and geotechnical engineering and its development［J］.Journal of Engineering Geology，2007，15(Suppl2):109-116.(in Chinese))

［2］吳永紅，蔡海文，劉浩吾，等.裂縫光纖傳感的工程應(yīng)用［J］.光電子·激光，2007，18(12):1438-1441.(WU Yonghong，CAI Hai-wen，LIU Hao-wu，et al.Study on engineering applicability of optic fiber crack sensing［J］.Journal of Optoelectronics·Laser，2007，18(12):1438-1441.(in Chinese))

［3］歐進(jìn)萍，侯爽，周智，等.多段分布式光纖裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.壓電與聲光，2007，29(2):144-147.(OU Jinping，HOU Shuang，ZHOU Zhi，et al.The multi-line distributed fiber optic crack detection system and its application［J］.Piezoelectrics＆ Acoustooptics，2007，29(2):144-147.(in Chinese))

［4］陳池，柯賢金，蔡順德，等.分布式光纖技術(shù)在錦屏一級(jí)水電站地質(zhì)平硐邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.水利水電技術(shù)，2009，40(3):27-29.(CHEN Chi，KE Xian-jin，CAI Shun-de，et al.Study on application of distributed optical fiber technique to monitoring slope structure of geological adit for Jinping Hydropower StationⅠ［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2009，40(3):27-29.(in Chinese))

［5］甘玉寬，施斌，魏廣慶，等.混凝土中鋼筋銹脹分布式光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2010(3):27-29.(GAN Yu-kuan，SHI Bin，WEI Guang-qing，et al.An experimental study on the distributed monitoring of the corrosion expansion of reinforcing steel in concrete using BOTDR［J］.Optical Fiber＆ Electric Cable，2010(3):27-29.(in Chinese))

［6］張丹，施斌，吳智深，等.BOTDR分布式光纖傳感器及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2003，36(11):83-87.(ZHANG Dan，SHI Bin，WU Zhi-shen，et al.Distributed optical fiber sensor based on BOTDR and its application to structural health monitoring［J］.China Civil Engineering Journal，2003，36(11):83-87.(in Chinese))

［7］張少杰，陳江，閔興鑫，等.碳涂覆光纖用于分布式裂縫檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版，2010，42(4):230-233.(ZHANG Shao-jie，CHEN Jiang，MIN Xing-xin，et al.The distributed crack monitoring using carbon coated optical fiber［J］.Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition)，2010，42(4):230-233.(in Chinese))

［8］樸春德，施斌，魏廣慶，等.分布式光纖傳感技術(shù)在鉆孔灌注樁檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(7):977-981.(PIAO Chun-de，SHI Bin，WEI Guang-qing，et al.Application of distributed fiber optic sensing techniques in bored pile detection［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(7):977-981.(in Chinese))

［9］魏廣慶，施斌，賈建勛，等.分布式光纖傳感技術(shù)在預(yù)制樁基樁內(nèi)力測(cè)試中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(6):911-916.(WEI Guang-qing，SHI Bin，JIA Jian-xun，et al.Application of distributed optical fiber sensing to testing inner force of prefabricated piles［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(6):911-916.(in Chinese))

［10］江宏.PPP-BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)及其在試樁中應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2011，32(10):3190-3196.(JIANG Hong.PPP-BOTDA distributed fiber optic sensing techniques and its application to pile tests［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(10):3190-3196.(in Chinese))

［11］邱松，顧浩，曹進(jìn)捷，等.FBG傳感技術(shù)在混凝土預(yù)制樁水平載荷試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(增刊2):105-107.(QIU Song，GU Hao，CAO Jin-jie，et al.Application of FBG sensing technology in lateral load tests on precast concrete piles［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(Suppl2):105-107.(in Chinese))

［12］劉永莉，孫紅月，于洋，等.抗滑樁內(nèi)力的BOTDR監(jiān)測(cè)分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2012，46(2):243-249.(LIU Yong-li，SUN Hong-yue，YU Yang，et al.BOTDR monitoring analysis of anti-sliding pile internal force［J］.Journal of Zhejiang University(Engineering Science)，2012，46(2):243-249.(in Chinese))

［13］劉杰，施斌，張丹，等.基于BOTDR的基坑變形分布式監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27(7):1224-1228.(LIU Jie，SHI Bin，ZHANG Dan，et al.Experimental study of foundation pit monitoring using BOTDR-based on distributed optical fiber sensor［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27(7):1224-1228.(in Chinese))

［14］丁勇，王平，何寧，等.基于BOTDA光纖傳感技術(shù)的SMW工法樁分布式測(cè)量研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(5):719-724.(DING Yong，WANG Ping，HE Ning，et al.New method to measure deformation of SMW piles based on BOTDA［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(5):719-724.(in Chinese))

［15］MOHAMAD H，SOGA K，PELLEW A，et al.Performance monitoring of a secant piled wall using distributed fiber optic strain sensing［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2011，137(12):1236-1243.

［16］WANG Bao-jun，LI Ke，SHI Bin，et al.Test on application of distributed fiber optic sensing technique into soil slope monitoring［J］.Landslide，2009，6(1):61-68.

［17］ZHU P Y，LENG Y B，ZHOU Y，et al.Safety inspection strategy for earth embankment dams using fully distributed sensing［C］∥SHI Bin.Proceeding of the 3rdInternational Forum on Opto-electronic Sensor-based Monitoring in Geo-engineering.Suzhou，2010:90-95.

［18］裴華富，殷建華，朱鴻鵠，等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的邊坡原位測(cè)斜及穩(wěn)定性評(píng)估方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(8):1570-1576.(PEI Hua-fu，YIN Jian-hua，ZHU Hong-hu，et al.In-situ monitoring of displacements and stability evaluation of slope based on fiber Bragg grating sensing technology［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(8):1570-1576.(in Chinese))

［19］殷建華，崔鵬，裵華富，等.基于光纖傳感技術(shù)的邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，47(增刊1):290-292.(YIN Jian-hua，CUI Peng，PEI Hua-fu，et al.Application of landslides monitoring systems based on optical fiber sensing technique［J］.Journal of Lanzhou University(Natural Sciences)，2011，47(Suppl1):290-292.(in Chinese))［20］HIGUCHI K，F(xiàn)UJISAWA K，ASAI K，et al.New landslide monitoring technique using Optical Fiber Sensor in Japan［C］∥1stNorth American Landslide Conference Vail，Colorado，2007:73-76.

［21］ZIMMIE T，ABDOUM T，BENNETT V，et al.Wireless MEMS-based in-place inclinometer-accelerometer array for real-time geotechnical instrumentation of active slopes［C］∥SHI Bin.Proceeding of the 3rdInternational Forum on Opto-electronic Sensorbased Monitoring in Geo-engineering.Suzhou，2010:51-56.

［22］周智，武湛君，田石柱，等.光纖布喇格光柵溫度傳感特性的研究［J］.壓電與聲光，2002，24(6):430-433.(ZHOU Zhi，WU Zhan-jun，TIAN Shi-zhu，et al.Studies on properties of temperature sensing for optical fiber FBGs［J］.Piezoelectrics＆ Acoustooptics，2002，24(6):430-433.(in Chinese))

［23］張巍，施斌，索文斌，等.凍土瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布式光纖監(jiān)測(cè)方法及應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(5):723-728.(ZHANG Wei，SHI Bin，SUO Wen-bin，et al.Monitoring and application of distributed optical fiber sensors in transient temperature field of frozen soil［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(5):723-728.(in Chinese))

［24］聶俊，李端友，梁俊.基于BOTDA的溫度和應(yīng)變測(cè)試探討［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011，28(4):67-70.(NIE Jun，LI Duan-you，LIANG Jun.Temperature and strain test based on BOTDA［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(4):67-70.(in Chinese))

［25］李科，施斌，唐朝生，等.黏性土體干縮變形分布式光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(2):1781-1785.(LI Ke，SHI Bin，TANG Chao-sheng，et al.Feasibility research on soil deformation monitoring with distributed optical fiber sensing technique［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(2):1781-1785.(in Chinese))

［26］柴敬，董梁，李毅，等.濟(jì)三礦風(fēng)井厚松散層沉降變形光纖光柵監(jiān)測(cè)方法［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(5):13-16.(CHAI Jing，DONG Liang，LI Yi，et al.Monitoring and measuring method with optical fiber and optical grating for thick loose strata subsidence and deformation in mine ventilation shaft of Jisan mine［J］.Coal Science and Technology，2010，38(5):13-16.(in Chinese))

［27］ZHANG Yong，ZHAO Hong-yan，CHEN Feng-jun，et al.Study on soil strain field monitoring technology for urban mining tunnel［C］∥ SHI Bin.Proceedings of the 3rdInternational Forum on Opto-electronic Sensor-based Monitoring in Geoengineering.Suzhou，2010:106-109.

［28］張丹，徐洪鐘，施斌，等.基于FBG技術(shù)的飽和膨脹土失水致裂過(guò)程試驗(yàn)研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012，20(1):103-108.(ZHANG Dan，XU Hong-zhong，SHI Bin，et al.FBG technology based experimental studies on cracking of expansive soil due to dehydration［J］.Journal of Engineering Geology，2012，20(1):103-108.(in Chinese))

［29］樸春德，施斌，朱友群，等.灌注樁檢測(cè)中BOTDR溫度補(bǔ)償試驗(yàn)研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2009，29(2):161-164.(PIAO Chun-de，SHI Bin，ZHU You-qun，et al.Experimental study on BOTDR temperature compensation in bored pile detection［J］.Journal of Disaster Prevent and Mitigation Engineering，2009，29(2):161-164.(in Chinese))

［30］魏廣慶，施斌，胡盛，等.FBG在隧道施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及關(guān)鍵問(wèn)題探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(4):571-575.(WEI Guang-qing，SHI Bin，HU Sheng，et al.Several key problems in tunnel construction monitoring with FBG［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(4):571-575.(in Chinese))

［31］朱鴻鵠，殷建華，靳偉，等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的地基基礎(chǔ)健康監(jiān)測(cè)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43(6):109-115.(ZHU Hong-hu，YIN Jian-hua，JIN Wei，et al.Health monitoring of foundations using fiber Bragg grating sensing technology［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43(6):109-115.(in Chinese))

［32］朱鴻鵠，殷建華，張林，等.大壩模型試驗(yàn)的光纖傳感變形監(jiān)測(cè)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(6):1188-1194.(ZHU Hong-hu，YIN Jian-hua，ZHANG Lin，et al.Deformation monitoring of dam model test by optical fiber sensors［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(6):1188-1194.(in Chinese))

［33］曹建梅，任春年.基于BOTDR的光纖網(wǎng)格隧道形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(11):2616-2619.(CAO Jian-mei，REN Chun-nian.BOTDR-based optical fiber grid strain measurement system for tunnel［J］.Computer Measurement and Control，2011，19(11):2616-2619.(in Chinese))