一、行業(yè)背景

我國基建規(guī)模龐大，大量橋梁、水利大壩、公路鐵路隧道、大型巖土構(gòu)筑物陸續(xù)建成并投入運(yùn)營。大型土木工程構(gòu)筑物在全生命周期服役過程中，長期承受溫度交變、車輛荷載、水壓力、地質(zhì)沉降、風(fēng)化侵蝕等多重外部作用，會逐步產(chǎn)生應(yīng)力集中、開裂、滲漏、形變等結(jié)構(gòu)損傷。如果隱患無法及時被發(fā)現(xiàn)，持續(xù)累積將誘發(fā)橋梁垮塌、大壩滲漏潰決、隧道襯砌破壞等重大安全事故，造成巨大人員與財產(chǎn)損失。

傳統(tǒng)土木工程監(jiān)測手段以點(diǎn)式傳感器、人工定期巡檢為主。點(diǎn)式應(yīng)變計、溫度計只能獲取離散點(diǎn)位數(shù)據(jù)，大量區(qū)域處于監(jiān)測盲區(qū)；傳感器多為電子器件，長期暴露在潮濕、強(qiáng)電磁、高低溫戶外環(huán)境，容易老化漂移，需要頻繁維護(hù)更換。人工巡檢受天氣、作業(yè)條件制約，只能做到周期性檢查，無法實(shí)現(xiàn)7×24小時不間斷在線監(jiān)測，微小早期裂縫、內(nèi)部溫度梯度變化很難被肉眼識別。伴隨著基建運(yùn)維向著一體化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，行業(yè)急需一套長距離、無源可靠、可以連續(xù)感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測技術(shù)。

北京鴻鷗成運(yùn)儀器設(shè)備有限公司推出面向土木工程領(lǐng)域分布式光纖傳感整體解決方案，依托拉曼DTS分布式測溫、布里淵BOTDR/BOTDA溫度?應(yīng)變一體化傳感技術(shù)，以傳感光纜作為感知載體，現(xiàn)場無有源電子器件，具備本征安全、抗電磁干擾、耐潮濕腐蝕、使用壽命長的特點(diǎn)?？舍槍?/span>大跨度橋梁、水利大壩、公路鐵路隧道、邊坡基坑開展分布式在線監(jiān)測，實(shí)時采集結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)變，識別應(yīng)力集中、混凝土開裂、滲漏滲水、隧道過熱火災(zāi)等風(fēng)險，精準(zhǔn)定位隱患位置，實(shí)現(xiàn)從“事后處置"轉(zhuǎn)向預(yù)防性維護(hù)，提升重大基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行安全性。

二、傳統(tǒng)監(jiān)測模式現(xiàn)存痛點(diǎn)

1. 測點(diǎn)離散，存在大量監(jiān)測盲區(qū)

傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器只能夠監(jiān)測傳感器安裝點(diǎn)位，兩個測點(diǎn)之間的區(qū)域無法感知。大壩內(nèi)部溫度梯度、橋梁箱梁局部應(yīng)力、隧道襯砌細(xì)微開裂很容易遺漏，早期損傷無法捕捉。

2. 戶外環(huán)境耐受性差，設(shè)備壽命短

橋梁、大壩、隧道現(xiàn)場濕度大、溫差劇烈，還有雷電電磁干擾。電子類傳感器極易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、防水失效故障。土木工程設(shè)計服役壽命普遍50?100年，普通傳感器僅5?8年壽命，需要反復(fù)更換，部分高危位置檢修施工難度大，運(yùn)維成本居高不下。

3. 故障定位能力不足

傳統(tǒng)傳感器只輸出本點(diǎn)位數(shù)值，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，無法給出精確位置，運(yùn)維人員需要大面積排查，耗費(fèi)大量時間人力。

4. 人工巡檢局限性突出

高危墩柱、大壩壩體、隧道頂部等位置人員作業(yè)風(fēng)險高；巡檢為周期式，無法捕捉突發(fā)形變、溫度突變；細(xì)微內(nèi)部損傷肉眼無法識別。

5. 多系統(tǒng)數(shù)據(jù)難以融合

各類分散傳感器型號繁雜，協(xié)議不統(tǒng)一，很難統(tǒng)一接入數(shù)字化平臺，不利于構(gòu)筑物數(shù)字孿生建設(shè)。

三、分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案與核心優(yōu)勢

整套土木工程光纖監(jiān)測系統(tǒng)包含：分布式光纖解調(diào)主機(jī)、通信傳感光纜、光纜固定與預(yù)埋配件、通信網(wǎng)關(guān)、組態(tài)監(jiān)控軟件、報警輸出模塊。根據(jù)監(jiān)測對象，靈活選用DTS分布式測溫系統(tǒng)，或者BOTDR/BOTDA溫度?應(yīng)變一體化監(jiān)測系統(tǒng)。光纜既是傳感元件也是傳輸介質(zhì)，監(jiān)測現(xiàn)場不需要供電。

3.1 無源本征安全，適應(yīng)復(fù)雜野外工況

傳感介質(zhì)二氧化硅光纖，現(xiàn)場全部無源，無電火花風(fēng)險；抗雷電、抗強(qiáng)電磁干擾，防水耐腐蝕，適配隧道潮濕環(huán)境、大壩高濕度環(huán)境、橋梁露天晝夜溫差大的工況。

3.2 全線分布式連續(xù)感知，消除監(jiān)測盲區(qū)

一條光纜可實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里鏈路連續(xù)測量，做到“光纜敷設(shè)到哪里，監(jiān)測就覆蓋到哪里"。光纜可以預(yù)埋進(jìn)混凝土內(nèi)部，也可以貼裝于結(jié)構(gòu)表面。米級空間分辨率，可以精準(zhǔn)捕捉局部應(yīng)變集中、局部溫升，直接輸出隱患距離位置，引導(dǎo)運(yùn)維精準(zhǔn)處置。

3.3 超長服役壽命，匹配基建長周期運(yùn)維

傳感光纜本體設(shè)計壽命30年以上，可以跟隨構(gòu)筑物長期服役，大幅降低傳感器更換頻次，減少高空、臨水高危作業(yè)，顯著降低全生命周期運(yùn)維成本。

3.4 多參量組合監(jiān)測，適配土木工程多類風(fēng)險

• DTS（拉曼散射）：分布式溫度監(jiān)測，適合隧道火災(zāi)預(yù)警、壩體溫度場監(jiān)測，支持多級溫度閾值報警；

• BOTDR/BOTDA（布里淵散射）：同步采集溫度與應(yīng)變，識別混凝土開裂、結(jié)構(gòu)形變、應(yīng)力集中，用于橋梁、大壩、邊坡結(jié)構(gòu)健康評估。

系統(tǒng)具備本地顯示、遠(yuǎn)程云訪問功能；超限實(shí)現(xiàn)聲光、繼電器、平臺彈窗多級告警；全部歷史數(shù)據(jù)自動存儲，支持趨勢分析、事故回溯，可對接項(xiàng)目現(xiàn)有平臺與數(shù)字孿生系統(tǒng)。

四、土木工程典型應(yīng)用場景

4.1 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

大跨斜拉橋、箱梁大橋長期受車輛荷載、溫度交變影響，箱梁內(nèi)部會出現(xiàn)溫度梯度，引發(fā)應(yīng)力集中，造成裂縫病害。

方案：傳感光纜預(yù)埋或者粘貼在箱梁、橋塔、拉索附屬結(jié)構(gòu)。布里淵系統(tǒng)監(jiān)測分布式應(yīng)變，識別應(yīng)力集中、開裂變形；DTS采集箱梁全域溫度，分析溫度應(yīng)力影響。及時捕捉早期結(jié)構(gòu)損傷，評估橋梁健康狀態(tài)。

4.2 水利大壩安全監(jiān)測

大壩安全事關(guān)下游群眾生命財產(chǎn)安全。大體積混凝土大壩澆筑后內(nèi)部水化熱形成溫度梯度，容易產(chǎn)生內(nèi)部裂縫；后期運(yùn)行存在滲漏、形變風(fēng)險。

將傳感光纜預(yù)埋到大壩混凝土各層內(nèi)部，BOTDR/BOTDA獲取壩體內(nèi)部應(yīng)變分布；DTS獲取大壩內(nèi)部完整溫度場。通過溫度數(shù)據(jù)識別滲漏通道（滲水區(qū)域溫度會發(fā)生明顯變化），預(yù)判裂縫、滲漏風(fēng)險，為大壩安全評估提供連續(xù)實(shí)測數(shù)據(jù)。

4.3 公路、鐵路隧道監(jiān)測

隧道兩大核心風(fēng)險：襯砌結(jié)構(gòu)開裂形變、隧道內(nèi)車輛起火火災(zāi)。

1）結(jié)構(gòu)健康：光纜貼附或者預(yù)埋隧道襯砌，布里淵系統(tǒng)監(jiān)測襯砌應(yīng)變變化，及時識別開裂、圍巖擠壓變形；

2）火災(zāi)預(yù)警：DTS測溫光纜沿隧道拱頂全線布設(shè)，一旦發(fā)生車輛起火，快速識別溫度異常，輸出火災(zāi)精確位置，聯(lián)動消防、應(yīng)急疏散系統(tǒng)，為應(yīng)急處置爭取寶貴時間。

4.4 邊坡與基坑工程監(jiān)測

山體邊坡、深基坑，受降雨地質(zhì)活動影響容易發(fā)生滑移。布設(shè)布里淵傳感光纜，監(jiān)測巖土體形變，提前捕捉滑移前兆，防范滑坡事故。

五、工程實(shí)施要點(diǎn)

6. 光纜選型：室內(nèi)隧道選用普通護(hù)套傳感光纜；露天橋梁、大壩戶外區(qū)域選用耐候防水、抗紫外線護(hù)套光纜。

7. 敷設(shè)工藝：新建工程優(yōu)先將光纜預(yù)埋進(jìn)混凝土構(gòu)件內(nèi)部；既有構(gòu)筑物改造，采用表面粘貼、卡扣固定。保證光纜和被測結(jié)構(gòu)緊密耦合；嚴(yán)格控制彎曲半徑，避免擠壓損傷光纜。隧道內(nèi)做好防沖擊防護(hù)；大壩做好防水防護(hù)。

8. 主機(jī)部署：解調(diào)主機(jī)放置于監(jiān)控機(jī)房，光纜做好防水接頭處理；完成系統(tǒng)標(biāo)定，設(shè)置項(xiàng)目專屬報警閾值。

9. 系統(tǒng)對接：支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對接第三方監(jiān)控平臺、數(shù)字孿生系統(tǒng)；做好人員培訓(xùn)，建立后期運(yùn)維校驗(yàn)機(jī)制。

六、綜合效益分析

安全效益：實(shí)現(xiàn)大型基礎(chǔ)設(shè)施7×24小時不間斷在線監(jiān)測，捕捉早期微小損傷，變事后搶修為預(yù)防性維護(hù)，規(guī)避橋梁垮塌、大壩滲漏、隧道火災(zāi)等重大事故風(fēng)險。

經(jīng)濟(jì)效益：減少高空、臨水高危巡檢頻次；長壽命光纜降低傳感器更換成本；隱患精準(zhǔn)定位，減少大面積排查工作量，降低運(yùn)維投入，避免重大事故帶來巨額經(jīng)濟(jì)損失。

數(shù)字化價值：連續(xù)海量實(shí)測數(shù)據(jù)，支撐基建數(shù)字化、數(shù)字孿生建設(shè)，為重大構(gòu)筑物全生命周期健康評估提供數(shù)據(jù)底座。

七、總結(jié)展望

我國大量橋梁、大壩、隧道逐步進(jìn)入運(yùn)維期，傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器加人工巡檢模式，越來越難以滿足現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施安全管控的需求。分布式光纖傳感技術(shù)憑借無源安全、分布式無盲區(qū)、長壽命的獨(dú)特優(yōu)勢，適配土木工程各類復(fù)雜工況。在大跨度橋梁應(yīng)力溫度監(jiān)測、水利大壩溫度場與滲漏識別、隧道結(jié)構(gòu)與火災(zāi)預(yù)警、邊坡基坑監(jiān)測領(lǐng)域，發(fā)揮重要價值。

北京鴻鷗成運(yùn)儀器設(shè)備有限公司，提供硬件設(shè)備、方案設(shè)計、技術(shù)支持一體化服務(wù)，以光纖感知技術(shù)守護(hù)重大土木工程基礎(chǔ)設(shè)施安全，助力國內(nèi)基建運(yùn)維智能化升級。

分類全套關(guān)鍵詞

論文摘要關(guān)鍵詞

分布式光纖傳感；土木工程；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；橋梁監(jiān)測；大壩監(jiān)測；隧道火災(zāi)監(jiān)測；BOTDR；DTS

行業(yè)場景類

土木工程；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；大跨度橋梁；水利大壩；混凝土壩；公路隧道；鐵路隧道；邊坡監(jiān)測；基坑監(jiān)測；基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維；大體積混凝土；水化熱；滲漏監(jiān)測；襯砌開裂；預(yù)防性維護(hù)

技術(shù)原理類

拉曼散射；布里淵散射；DTS分布式測溫；BOTDR；BOTDA；光時域反射OTDR；溫度?應(yīng)變耦合；分布式溫度場；應(yīng)變監(jiān)測

硬件設(shè)備類

光纖解調(diào)主機(jī)；耐候傳感光纜；預(yù)埋傳感光纜；表面貼裝光纜；光纖監(jiān)測系統(tǒng)；組態(tài)監(jiān)控平臺；數(shù)字孿生

監(jiān)測物理量

分布式溫度測量；分布式應(yīng)變測量；應(yīng)力集中識別；混凝土裂縫監(jiān)測；隧道火災(zāi)定位；壩體滲漏識別；溫度梯度

工程施工類

光纜預(yù)埋；表面粘貼敷設(shè)；光纜防護(hù)；解耦補(bǔ)償；系統(tǒng)標(biāo)定；野外工程施工

價值痛點(diǎn)類

無源本征安全；抗電磁干擾；消除監(jiān)測盲區(qū)；長壽命；7×24在線監(jiān)測；早期隱患預(yù)警；重大基礎(chǔ)設(shè)施安全

英文關(guān)鍵詞

Distributed optical fiber sensing；Civil engineering；Structural health monitoring；Bridge monitoring；Dam monitoring；Tunnel fire monitoring