光纖傳感技術在巖土與地質工程中的應用研究進展

柴敬　張丁丁　李毅

摘要：首先分析了光纖傳感技術的特點，介紹了光纖傳感技術的市場發(fā)展趨勢；其次，從巖土與地質工程應用的角度分別闡述了光纖傳感技術在光纖傳感系統(tǒng)的優(yōu)化及光纖傳感器的研制、光纖傳感器標定、光纖傳感器安裝工藝、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理4個方面的研究進展，討論了光纖傳感技術在工程應用中存在的關鍵技術問題；最后，結合研究進展及應用中的關鍵技術問題，對光纖傳感技術的發(fā)展進行了展望，指出了仍需研究的相關課題。結果表明：光纖傳感技術在巖土與地質工程應用領域具有廣闊的前景和技術優(yōu)勢。

關鍵詞：光纖傳感技術；巖土工程；地質工程；監(jiān)測；研究進展

中圖分類號：TU42文獻標志碼：A

0引言

近年來，伴隨中國經濟發(fā)展，公路、橋梁、石油、礦山等巖土與地質工程建設迅速[1]。由于巖土與地質工程的設計基準期較長，使用環(huán)境比較惡劣，且受到外界環(huán)境荷載、疲勞效應以及腐蝕和材料老化等不利因素的影響，工程結構將不可避免地產生損傷累積和抗力衰減，健康問題日益凸顯，例如邊坡的失穩(wěn)破壞、混凝土結構開裂變形、地基基礎沉降等[2-5]；同時，中國是世界上地質災害最嚴重的國家之一，災害種類多，分布廣，危害大，對地質工程造成不同程度的損傷破壞[6-7]。因此，為了保證工程設施的安全使用，對其進行安全監(jiān)測并準確評估災害后的結構健康和剩余壽命顯得尤為重要，這已經成為巖土與地質工程發(fā)展的迫切要求和當前各國學者研究的熱點[8-11]。

長期的工程研究實踐表明，工程力學參數(shù)測試和工程監(jiān)測具有長時效性、環(huán)境復雜、監(jiān)測對象的時空限制、施工環(huán)境制約的特點[12]。目前，對工程設施的監(jiān)測多采用電感式、差動電阻式、振弦式和電阻應變計式等傳統(tǒng)監(jiān)測傳感器，受傳感器材料、使用方法、信號傳輸?shù)纫蛩叵拗?，具有易受潮、耐久性差、成活率低、實時及自動化監(jiān)測程度低等缺點，并且多為點式監(jiān)測，不能滿足復雜工程的智能健康監(jiān)測的需求[13-15]。

光纖傳感技術是以光波為載體、光纖為媒質、感知和傳輸外部測量信號的傳感技術，自20世紀70年代誕生以來受到強烈關注[16]。1979年，光纖傳感器最早由美國航空航天局嘗試性地埋入復合材料內部用于測試；1989年，Mendez等[17]首先提出了將光纖傳感器引入巖土工程領域用于混凝土結構的健康檢測。光纖傳感技術憑借其抗電磁干擾、防水防潮、耐久性長、便于安裝、靈敏度高，可實現(xiàn)遠距離大范圍面式監(jiān)測及傳輸信號損耗小等優(yōu)點，逐漸成為一種新的巖土與地質工程健康與安全監(jiān)測方法[18-22]。本文通過分析光纖傳感技術在巖土與地質工程應用中的最新進展，討論工程應用過程中光纖傳感的關鍵技術及亟待解決的問題，并在現(xiàn)有研究的基礎上對光纖傳感技術發(fā)展進行展望。

1光纖傳感技術

光纖傳感技術應用于巖土與地質工程中時，根據(jù)隨距離的增加是否能夠連續(xù)的監(jiān)測被測量基體可將其分為點式、準分布式和分布式監(jiān)測。點式光纖傳感技術主要有邁克爾遜干涉（SOFO）傳感技術和非本征型法布里-珀羅干涉（EFPI）傳感技術[23]，適用于精度要求較高的結構局部變形監(jiān)測，但不能復用。準分布式光纖傳感技術是基于光纖布拉格光柵（FBG），通過波分復用（WDM）、時分復用（TDM）和空分復用（SDM）技術，構建多點準分布式傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)[9]。分布式光纖傳感技術現(xiàn)應用較多的主要有基于瑞利散射光時域分析（OTDR）、自發(fā)布里淵光時域散射分析（BOTDR）、受激布里淵光時域散射分析（BOTDA）、拉曼光時域反射分析（ROTDR）等原理的傳感技術，分布式光纖傳感系統(tǒng)是根據(jù)沿線光波分布參量，同時獲取在傳感光纖區(qū)域內隨時間和空間變化的被測量的分布信息，可以實現(xiàn)長距離、大范圍的連續(xù)、長期傳感。光纖傳感技術的主要特點如表1所示。

根據(jù)美國MCH公司Mendez[24]對世界范圍內光纖傳感技術的市場研究分析，光纖傳感應用領域所占比例最高的為工業(yè)制造自動化控制，占市場份額的28%，其次為汽車制造領域，占25%；巖土與地質工程中，占市場份額最高的應用領域是橋梁，為12%。預測到2016年，光纖傳感技術應用增速較快的領域主要集中于石油、軍事領域，巖土與地質工程領域中光纖傳感技術仍發(fā)展緩慢。巖土與地質工程中基于不同原理的光纖傳感技術所占市場比例預測如圖1所示。2013年，基于拉曼散射的光纖傳感技術應用比例最大，約占34%，推廣應用較好；其次為光纖布拉格光柵傳感技術，約占26%；基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術所占比例僅為1%。預測到2018年，基于拉曼散射和瑞利散射的光纖傳感技術所占比例將加大，光纖布拉格光柵和布里淵散射傳感技術所占比例基本不變。由此說明，只對溫度或應變敏感的光纖傳感技術更易被推廣使用，同時巖土工程中局部高精度變形測量逐漸受到重視。

2光纖傳感技術在巖土與地質工程中的應用雖然光纖傳感技術有傳統(tǒng)傳感器不可替代的優(yōu)點，且在巖土與地質工程中應用范圍逐漸擴大，但應用時間較短，未普及，許多關鍵技術尚未解決。在光纖傳感器工程應用過程中，主要經歷了光纖傳感系統(tǒng)的優(yōu)化及光纖傳感器的研制、光纖傳感器標定、光纖傳感器安裝工藝、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理等。

2.1光纖傳感系統(tǒng)的優(yōu)化及光纖傳感器的研制

復雜巖土與地質工程中同時存在應力場、溫度場、滲流場等多場耦合，且工程結構復雜，需要研制新型光纖傳感器和設計優(yōu)化光纖傳感系統(tǒng)，使之適用于工程應用環(huán)境，其研究進展主要有：曹建梅等[25]設計了一套網(wǎng)格結構的光纖探測陣列，并將傳感系統(tǒng)應用到隧道工程的變形監(jiān)測中，間接地增加了光纖傳感系統(tǒng)的空間分辨率，但系統(tǒng)布設復雜，增加了工程成本，不便于推廣應用；Nannipieri等[26-27]研究了同步時域內光纖布拉格光柵和布里淵光時域分析傳感技術的兼容性，得出FBG波長能影響受激布里淵散射的頻率和功率，由此BOTDA傳感技術可利用FBG和布里淵光時域信號之間的關系，用于定位低空間分辨率的遠距離分布式監(jiān)控；蘭春光等[28]結合光纖光柵與光纖布里淵智能筋（FRP-BOTDA-OFBG）的特點，開發(fā)出一種新型的智能鋼絞線，通過與傳統(tǒng)的應力損傷監(jiān)測傳感器試驗對比，BOTDA-FBG智能鋼絞線能夠適用于鋼絞線復雜環(huán)境下的預應力監(jiān)測；Kim等[29]將鋁制包層的光纖光柵固定在碳纖維復合材料中，研制出一種碳纖維增強塑料（CFRP）封裝的光纖光柵傳感器，并在萬能試驗機上進行了試驗，試驗表明，這種傳感器可以記憶碳纖維復合材料的最大應變，可用于基體材料殘余應變的監(jiān)測；何祖源應用射頻（RF）調整技術解決了可調諧激光器的波長可重復性，實現(xiàn)了光纖傳感的納米級應變分辨率。Chai等[30-31]設計并實現(xiàn)了一個由24個光纖光柵傳感器組成的光纖波分復用/空分復用混合陣列的光纖監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了深部地層沉降變形的實時監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖2所示，設計光柵波長帶寬為±4.5 nm，通過深度152 m、直徑133 mm的鉆孔將系統(tǒng)植入第四紀深厚松散地層的92～148 m段砂礫、粘土層的12個層位中，研究了光纖布拉格光柵監(jiān)測系統(tǒng)植入過程中光纖光柵的波長傳輸特性及其變化。

2.2光纖傳感器標定

光纖傳感器應用于工程監(jiān)測中通常為多層封裝結構，光纖在感測基體應變或溫度變化過程中，受中間介質的影響會產生能量損失，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)不能如實反映基體真實值。因此，在光纖傳感器進行工程應用前有必要進行標定，減小監(jiān)測誤差。對于點式和準分布式光纖傳感器，測量參數(shù)為應變、溫度或滲壓等單一物理量，只需采用高一級精度標準傳感器對單一參數(shù)進行標定，建立該參數(shù)與光纖干涉條紋或波長的關系。對于分布式光纖傳感器，除了對被測參數(shù)進行標定外還需對空間分辨率進行校準和標定，通常在拉伸試驗機上進行。柴敬等[32-33]建立了光纖光柵監(jiān)測巖石變形的應變傳遞數(shù)學模型，并進行了巖石試件MTS的標定試驗，驗證了計算模型的正確性；Zhang等[34]提出一種異種光纖接續(xù)的新標定方法，通過串聯(lián)異種光纖獲取不同的初始峰值頻率，用以校準和評價分布式光纖的空間分辨率；曹鼎峰等[35]通過碳纖維預加熱光纜的方法測定土壤含水率，對升溫過程中不同溫度下的含水率進行了標定，建立了溫度特征值和含水率之間的線性關系式，此方法標定和測量時間較長，土壤濕度變化較快時較難適用。

2.3光纖傳感器安裝工藝

光纖傳感器安裝工藝包括光纖傳感器的布設和安裝。光纖傳感器的優(yōu)化布置關系到光纖監(jiān)測系統(tǒng)的合理性、監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性、光纖傳感器的成活率及監(jiān)測經濟成本，對于大型工程的分布式監(jiān)測，由于布置距離較長，監(jiān)測周期大幅增加，還會影響監(jiān)測的實時性，因此，需要在結合工程地質條件、工程結構和經濟預算的基礎上對布置位置、傳感陣列布置形式、數(shù)據(jù)傳輸方法等進行合理設計。在傳感器布設方面，Ni等[36]通過在水管管壁內同時布設FBG溫度傳感器、FBG應變傳感器和FBG壓力傳感器（圖3）建立了FBG傳感網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測香港東江水管管線的結構完整性；Meo等[37]提出一種基于最大信息子集技術的變異方法，該方法的最大優(yōu)勢在于能夠給出最優(yōu)的傳感器數(shù)目，同時給出了傳感器的多種優(yōu)化方法。

巖土與地質工程應用中光纖傳感器的安裝方法分為內部植入式和表面固定式[38]。安裝過程中安裝工藝應滿足相容原則：①傳感器的安裝過程不影響結構的安裝和物理力學性能；②傳感器的安裝應能使其適用于周圍的變形、溫度、濕度等不良環(huán)境；③安裝過程中應盡量避免傳感器應力集中產生光損耗；④考慮被測結構的尺寸效應，傳感器和被測基體的動態(tài)變化范圍應相一致。光纖傳感器主要安裝工藝有定點式安裝和全接觸式安裝，定點式安裝是借助卡槽、焊接點等將光纖間接固定于被測基體上，此種方法的優(yōu)點是光纖與被測基體間不產生相對滑移，整體變形監(jiān)測結果可靠，但安裝工藝繁瑣，降低了光纖傳感器成活率，不適用于空間分辨率要求較高的結構健康監(jiān)測。實際應用中，應根據(jù)監(jiān)測環(huán)境差異選擇合適的方法進行安裝。例如，Bennett等[39]通過傳感光纖的定點焊接將光纜固定于鋼筋網(wǎng)上，如圖4所示，并通過注漿形成連續(xù)墻，從而建立連續(xù)墻變形分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。Mendez[40]將植入分布式光纖的土工布用于公路路面變形監(jiān)測中，監(jiān)測長度超過了10 km，實現(xiàn)了對公路結構健康實時監(jiān)測。柴敬等[41]研究了鉆孔植入式光纖傳感器的關鍵技術，采用鋼材制成的“雞心環(huán)”固定光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)的中點（圖5），使下放時配重物與光纖光柵傳感線路更好地銜接，增加了光纖光柵傳感器監(jiān)測點定位的準確性，確定了合理的鉆孔水泥砂漿封口材料的彈性模量為8～15 GPa，漿泵壓力為2～3 MPa。

2.4監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

隨著信息化逐漸成熟，監(jiān)測技術由傳統(tǒng)的人工手動監(jiān)測向實時無線自動化監(jiān)測轉變，促進了監(jiān)測技術自動化、實時化，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)類型復雜化、海量化[42]。光纖傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)處理主要有3個方面：①異常監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)失真、數(shù)據(jù)缺失等；②大數(shù)據(jù)量處理，特別是隨著分布式光纖傳感技術的推廣，監(jiān)測長度可達80 km，且單次監(jiān)測周期長，監(jiān)測數(shù)據(jù)量更為龐大；③多場耦合數(shù)據(jù)處理，在涉及應力場、溫度場、滲流場等多場共同作用的復雜監(jiān)測環(huán)境下，需要科學處理數(shù)據(jù)，建立各物理參數(shù)的相互耦合關系；④數(shù)據(jù)測量誤差校正。例如，F(xiàn)lynn等[43]在嵌入式FBG對復雜結構健康監(jiān)測過程中，通過提取共振峰值的特征向量，將殘余應變引起的雙峰值進行歸一化處理得到了標準化峰值，并通過軟件端傳感器漏碼的自回歸矯正修補了缺失數(shù)據(jù)，如圖6所示。Ni等[36]通過對應變、溫度、水壓力場監(jiān)測數(shù)據(jù)期望的統(tǒng)計分析給出了GRP管線性能的識別模式，成功應用于管道結構完整性的定性和定量評估。柴敬等開發(fā)了光纖地層沉降遠程監(jiān)測系統(tǒng)（圖7），實現(xiàn)了FBG監(jiān)測數(shù)據(jù)的3G遠程無線傳輸和在線處理，系統(tǒng)軟件功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解調、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)下載和故障診斷7個部分，可進行地層應變值和壓縮量值的計算，以及計算參數(shù)的設置。

3應用中存在的問題

3.1光纖傳感器與被測基體的耦合

在測量結構變形時，受光纖傳感器封裝材料及中間介質的力學特性和尺寸效應因素的影響，光纖傳感器應變與被測基體實際應變之間有一個應變傳遞過程，不能簡化為1∶1的關系，光纖傳感器與被測基體間的應變傳遞問題是準確測量基體變形的關鍵。工程中通常采用提高光纖傳感器和被測基體的耦合性來提高應變傳遞率。首先，光纖傳感器表面材料和中間耦合材料應與被測基體材料有較好的親和力，兩者不產生相對滑移；其次，保持光纖傳感器和中間耦合材料與被測基體材料力學特性相似，盡可能保持同步變形，防止發(fā)生較大的剪切位移。工程應用中，耦合材料可分為原位耦合材料和自配耦合材料，其目的都是使其與原位材料特性盡可能相近，提高應變傳遞率。孫義杰等[44]沿三峽馬家溝坡體縱向在不同高程設置光纖綜合監(jiān)測孔，將分布式感測光纖粘貼于測斜管外壁和直埋于測斜孔內，采用原位土體回填進行封孔，應變傳感光纖均有效識別和定位了邊坡表面變形的異常位置。Habel等[23]采用自制的水泥漿對鉆孔植入邊坡的光纖進行封孔，增加了光纖和邊坡的耦合。張丁丁等[45]給出了鉆孔植入光纖光柵傳感器的松散層應變傳遞計算模型，為鉆孔植入式光纖光柵監(jiān)測技術工程應用提供理論依據(jù)。光纖光柵進行應變測試時，除了膠結層、封裝層形成的傳感器要吸收一部分能量外，還經歷了光纖光柵傳感器—鉆孔封孔材料—松散地層的應變傳遞過程，推導得出平均應變傳遞率的表達式為

（k，L，M）=1（k1，L）2（k2，M）（1）

式中：（k，L，M）為光纖光柵和光纖光柵傳感器粘貼長度平均應變傳遞率，k為與光纖光柵和中間介質材料特性有關的系數(shù)，L為光纖光柵粘貼半長，M為光纖光柵傳感器粘貼半長；1（k1，L）為光纖光柵粘貼長度平均應變傳遞率；2（k2，M）為光纖光柵傳感器粘貼長度平均應變傳遞率；k1為與光纖和膠結層材料特性有關的系數(shù)；k2為與光纖光柵傳感器和鉆孔封孔材料特性有關的系數(shù)。

工程應用中，光纖傳感器與被測基體的耦合仍存在很多問題尚未解決：①原材料回填后與原位土體間力學性質有差異，同步變形需要一定的時間，時間確定困難；②自配耦合材料的應變傳遞率實驗室標定仍難以實現(xiàn)，現(xiàn)廣泛采用與基體材料相似的耦合材料，數(shù)據(jù)后處理中將應變傳遞率當作1處理，但存在監(jiān)測誤差；③光纖與基體直接接觸時的相對滑移問題尚未解決，目前多采用改進光纖制作工藝，設計增加摩阻力的構件改善。

3.2光纖傳感器的二維變形監(jiān)測

光纖傳感器在監(jiān)測結構變形時為沿軸向的一維變形，受光纖材料特性的限制，光纖傳感器不能承受較大的橫向剪切變形。實際工程應用中，光纖傳感器普遍存在同時受軸向變形和橫向變形的作用，因此，光纖傳感技術是處于二維或三維變形環(huán)境中的一維監(jiān)測手段，不能真實反映現(xiàn)實結構變形。許多研究學者通過改進光纖傳感器的布設方式和結構，實現(xiàn)了基體結構的二維、三維變形監(jiān)測?，F(xiàn)有的二維變形光纖傳感監(jiān)測方法主要有：

（1）光纖應變花。Lienhart[46]在同一水平面按120°角度布設3個大型SOFO光纖傳感器，形成應變花結構（圖8），則任意方向上的應變ε1，2為

（2）基于FBG的節(jié)理式偏斜儀水平位移監(jiān)測。黃安斌設計了一種光纖光柵偏斜儀，如圖9所示。通過節(jié)理式設計限制了光纖的軸向變形，可在某一水平方向自由彎曲，利用應變與旋轉角度關系計算水平位移，但是最大可量測范圍為±2°，適用范圍較小。

另外，Iten等[47]研究了光纖傳感器剪切位移的定量化描述范圍，給出了光纖傳感器沿水平方向移動的位移方向角在85°和95°之間才可定量化探測問題區(qū)域，并研究了其對結構的影響。受安裝工藝、光纖抗彎特性及傳感器制造水平的制約，光纖傳感器的二維監(jiān)測仍很難實現(xiàn)。

3.3光纖傳感器三維變形監(jiān)測

基于分布式光纖傳感技術，將3～4根分布式光纖傳感器（DOFS）等角度沿軸向粘貼到桿體或管體表面，如圖10所示。該布置方法可實現(xiàn)分布式光纖傳感的三維變形測量，方法是基于彎矩的積分計算，由斜管4個方向的應變數(shù)據(jù)信息來反推ux和uy兩個方向的變形量。位移靈敏度可達1 mm·m-1，最大安全位移可達到15 cm·m-1。Iten等[47]在邊坡樁基上安裝了4根分布式感測光纖對邊坡滑動進行監(jiān)測，并與測斜儀3年監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比，結果表明光纖傳感三維監(jiān)測可以獲得定量化的結果，能夠適用于邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測。Zeni[48]在意大利Basilicata地區(qū)將安裝有4根DOFS光纖的測斜管體豎直植入7.5 m深的鉆孔中，并用水泥漿回填，用以監(jiān)測緩慢移動的土體，盡管在長度測試上有所局限，光纖測斜管顯示了足夠的精度，可以檢測土體的最大位移。

基于分布式光纖傳感技術的三維變形監(jiān)測工程應用實例較少，監(jiān)測理論和工程經驗仍存在很多難題尚未解決：①雖然監(jiān)測結果存在量化的可能，但由于應變的誤差從邊界開始以平方形式傳遞，實際中很難做到；②桿體發(fā)生扭轉變形時，位移坐標軸的準確方向缺失，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際變形誤差較大；③受分布式光纖傳感技術空間分辨率的限制，正確地將4根DOFS的應變監(jiān)測值同時對應到管的每個部位較難實現(xiàn)；④需要同時安裝多根DOFS，增加了施工難度和經濟成本。

3.4溫度補償技術及工程技術經驗

由于FBG和DOFS同時對應變和溫度敏感，因此需要進行溫度補償，剔除溫度對應變監(jiān)測結果的影響。現(xiàn)有的溫度補償方法主要為安裝光纖光柵溫度補償傳感器。在長距離測量時，通常布設2套監(jiān)測系統(tǒng)，一套為對應變敏感的光纖應變傳感系統(tǒng)，另一套為對應變不敏感的光纖溫度補償系統(tǒng)。光纖測溫技術理論日趨成熟，但實際應用時仍有很多問題需要解決：首先，光纖測溫系統(tǒng)仍受到安裝工藝、布設方式的限制，難以保證復雜變形條件下光纖傳感器成活率和測溫數(shù)據(jù)的可靠性；其次，對于溫度測量要求較高的分布式測溫，BOTDA/R光纖傳感技術的測溫精度難以滿足要求，而基于拉曼散射的光纖傳感技術測溫響應時間較長。

光纖傳感技術在巖土與地質工程領域推廣應用還不成熟，仍存在現(xiàn)場技術經驗不足的問題，難以證明設計方案的可行性及量化誤差，工程技術難以實現(xiàn)，光纖傳感器安裝成活率難以保證，應逐步完善光纖傳感技術，使其能快速、準確地適用于復雜的工程環(huán)境安全監(jiān)測。4結語

光纖傳感技術正逐步信息化、網(wǎng)絡化，并憑借眾多的優(yōu)點使其在巖土與地質工程應用領域具有廣闊的前景和技術優(yōu)勢，能夠適用于工程結構健康監(jiān)測。光纖傳感技術在巖土與地質工程推廣應用中仍需繼續(xù)研究以下相關課題：

（1）局部范圍內的高精度測量逐步受到重視，需要進一步提高光纖傳感檢測儀器的精度以及空間分辨率，使其滿足監(jiān)測要求。

（2）提高光纖傳感器及解調儀器研制水平和產品性價比，促進光纖傳感技術的推廣應用。

（3）DOFS與FBG串聯(lián)或組合使用成為一種新的方法，可實現(xiàn)結構的分布式整體測試和局部的高精度測試，以及DOFS的空間定位，需在理論研究方面進一步完善。

（4）光纖傳感的二維、三維變形監(jiān)測的實現(xiàn)促進了傳感技術的推廣，但仍存在誤差傳播、扭轉變形等理論和工藝難題需要解決。

（5）需要進一步進行光纖傳感器安裝和布設的室內試驗研究，逐步完善工藝水平，提高光纖傳感器的成活率。

參考文獻：

[1]隋海波，施斌，張丹，等.地質和巖土工程光纖傳感監(jiān)測技術綜述[J].工程地質學報，2008，16（1）：135-143.