摘要：隨著我國大量橋梁、大壩、隧道等土木工程基礎(chǔ)設(shè)施投入運(yùn)營，構(gòu)筑物長期受荷載、溫度、地質(zhì)作用，會(huì)逐步產(chǎn)生開裂、形變、滲漏等損傷，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是保障基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行的關(guān)鍵手段。傳統(tǒng)點(diǎn)式電子傳感器存在測(cè)點(diǎn)離散、戶外環(huán)境易老化、壽命短等短板。分布式光纖傳感基于拉曼、布里淵散射效應(yīng)，以石英傳感光纜作為感知介質(zhì)，具備無源本征安全、抗電磁干擾、分布式連續(xù)測(cè)量、服役周期長等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、應(yīng)變多物理量在線監(jiān)測(cè)。本文闡述DTS、BOTDR/BOTDA技術(shù)基本原理，對(duì)比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)大跨度橋梁、水利大壩、公路鐵路隧道、邊坡基坑典型工程場(chǎng)景，分析光纖傳感實(shí)施方案，論述光纜選型敷設(shè)、系統(tǒng)集成關(guān)鍵工藝，分析技術(shù)現(xiàn)存局限，對(duì)技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行展望，為土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工程實(shí)踐提供參考。

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

0 引言

基礎(chǔ)設(shè)施是國民經(jīng)濟(jì)重要基石，大量橋梁、水利大壩、交通隧道服役時(shí)間不斷增長?；炷链篌w積結(jié)構(gòu)水化熱、車輛循環(huán)荷載、水壓力、地質(zhì)沉降、溫變循環(huán)，都會(huì)使構(gòu)筑物產(chǎn)生應(yīng)力，逐步出現(xiàn)裂縫、滲漏、變形病害。早期微小損傷如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，持續(xù)發(fā)展會(huì)演變?yōu)橹卮蟀踩鹿省?/span>

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案主要依靠點(diǎn)式應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)，配合人工巡檢。點(diǎn)式傳感器測(cè)點(diǎn)離散，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)；電子元器件在潮濕、雷電、溫差大的野外環(huán)境容易性能劣化，使用壽命遠(yuǎn)低于構(gòu)筑物設(shè)計(jì)年限；人工巡檢無法做到全天候在線監(jiān)測(cè)，內(nèi)部隱蔽損傷很難被發(fā)現(xiàn)。因此行業(yè)亟需新型長壽命、高可靠的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

分布式光纖傳感將光纖同時(shí)作為傳感與傳輸媒介，感知端不含電子器件，經(jīng)過護(hù)套改性之后可適應(yīng)野外復(fù)雜工況，可以沿光纖路徑連續(xù)獲取溫度、應(yīng)變信息，近些年來在土木工程領(lǐng)域得到快速推廣。本文對(duì)該技術(shù)原理、工程應(yīng)用、實(shí)施關(guān)鍵要點(diǎn)開展研究。

1 分布式光纖傳感技術(shù)基本原理

激光脈沖注入傳感光纖，產(chǎn)生后向散射光。拉曼散射（DTS）利用反斯托克斯光對(duì)溫度敏感的特性，解算光纖沿線溫度，適合火災(zāi)、溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)，不受應(yīng)變干擾。布里淵散射（BOTDR/BOTDA）的布里淵頻移同時(shí)受溫度、軸向應(yīng)變影響，可以同步獲取溫度與應(yīng)變，用于結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)，存在溫度?應(yīng)變耦合，工程需要補(bǔ)償處理。

依托光時(shí)域反射（OTDR）原理，依靠散射光返回主機(jī)的時(shí)間，計(jì)算事件空間位置，實(shí)現(xiàn)隱患精準(zhǔn)定位。

2 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)與光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器單點(diǎn)精度高，但是測(cè)點(diǎn)有限，野外環(huán)境可靠性差，維護(hù)工作量大；人工巡檢可以目視檢查，但無法監(jiān)測(cè)內(nèi)部隱蔽損傷，不能不間斷監(jiān)測(cè)。

分布式光纖監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)：①現(xiàn)場(chǎng)無源本征安全，抗電磁、潮濕環(huán)境；②全線分布式測(cè)量，消除監(jiān)測(cè)盲區(qū)；③光纜壽命長，匹配基建長周期；④米級(jí)定位，直接輸出異常位置；⑤單主機(jī)可覆蓋數(shù)十公里，適合長隧道、長大橋梁。

技術(shù)局限：布里淵系統(tǒng)存在溫度應(yīng)變耦合；戶外項(xiàng)目對(duì)光纜敷設(shè)、防護(hù)工藝要求高；特種耐候光纜初期采購成本高于普通電子傳感器。

3 典型土木工程應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 大跨度橋梁監(jiān)測(cè)

大跨橋梁箱梁、橋塔受日照溫差會(huì)產(chǎn)生顯著溫度應(yīng)力，車輛往復(fù)荷載帶來應(yīng)力變化，容易誘發(fā)裂縫。將傳感光纜預(yù)埋或者粘貼于箱梁、橋塔構(gòu)件。DTS采集箱梁完整溫度場(chǎng)，評(píng)估溫度應(yīng)力；BOTDR/BOTDA獲取分布式應(yīng)變，識(shí)別應(yīng)力集中與開裂，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康評(píng)估。

3.2 水利大壩安全監(jiān)測(cè)

大體積混凝土壩體，水化熱產(chǎn)生內(nèi)部溫度梯度，后期運(yùn)行存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)。光纜分層預(yù)埋入壩體混凝土。DTS獲取壩體內(nèi)部完整溫度分布，滲漏位置水體流動(dòng)會(huì)帶來溫度異常變化，以此識(shí)別滲漏通道；布里淵光纜監(jiān)測(cè)壩體應(yīng)變分布，捕捉內(nèi)部裂縫風(fēng)險(xiǎn)，支撐大壩安全分析評(píng)價(jià)。

3.3 公路鐵路隧道監(jiān)測(cè)

隧道包含兩大風(fēng)險(xiǎn)：襯砌結(jié)構(gòu)損傷、車輛火災(zāi)。光纜敷設(shè)在隧道襯砌，布里淵傳感監(jiān)測(cè)襯砌應(yīng)變，識(shí)別圍巖擠壓、襯砌開裂；DTS測(cè)溫光纜沿隧道拱頂布設(shè)，一旦發(fā)生火災(zāi)快速定位起火位置，聯(lián)動(dòng)消防與疏散系統(tǒng)。

3.4 邊坡基坑監(jiān)測(cè)

山體邊坡、深基坑，布設(shè)布里淵傳感光纜，監(jiān)測(cè)巖土體形變，捕捉滑移前兆，實(shí)現(xiàn)滑坡早期預(yù)警。

4 工程實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)

1. 光纜選型：隧道內(nèi)部選用普通護(hù)套光纜；露天橋梁、大壩選用抗紫外線、防水耐候護(hù)套傳感光纜。

2. 敷設(shè)工藝：新建工程優(yōu)先預(yù)埋；既有構(gòu)筑物改造采用表面粘貼、卡扣固定。保證光纜和結(jié)構(gòu)緊密耦合；控制最小彎曲半徑；隧道做好防撞擊保護(hù)，大壩做好防水防護(hù)。

3. 系統(tǒng)集成：解調(diào)主機(jī)放置機(jī)房，做好接頭防水；設(shè)置合理報(bào)警閾值；布里淵系統(tǒng)配套補(bǔ)償光纖，完成溫度?應(yīng)變解耦；支持對(duì)接外部平臺(tái)與數(shù)字孿生。

4. 標(biāo)定運(yùn)維：系統(tǒng)完成后進(jìn)行標(biāo)定校驗(yàn)；定期檢測(cè)光損耗，建立運(yùn)維巡檢制度。

5 現(xiàn)存問題與發(fā)展展望

當(dāng)前制約因素：土木工程領(lǐng)域光纖傳感專用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還在優(yōu)化；布里淵溫度?應(yīng)變耦合增加工程實(shí)施復(fù)雜度；長距離項(xiàng)目對(duì)施工工藝要求高。

未來，隨著器件成本下降、解調(diào)設(shè)備性能提升，結(jié)合AI大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字孿生，分布式光纖傳感會(huì)成為重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測(cè)主流技術(shù)，推動(dòng)基建運(yùn)維由定期檢修轉(zhuǎn)向狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的預(yù)防性維護(hù)。

6 結(jié)論

橋梁、大壩、隧道等重大土木工程，安全監(jiān)測(cè)意義重大。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段存在固有短板。分布式光纖傳感DTS、BOTDR/BOTDA具備無源安全、分布式無盲區(qū)、長壽命的突出優(yōu)勢(shì)，適配橋梁、大壩、隧道、邊坡多類工程。工程實(shí)施過程中應(yīng)當(dāng)重視光纜選型、敷設(shè)防護(hù)、溫度?應(yīng)變解耦補(bǔ)償。光纖傳感技術(shù)為我國重大基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期安全運(yùn)行提供有力技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 李川.光纖傳感技術(shù)工程實(shí)踐[M].科學(xué)出版社,2020.

[2] 張?jiān)谛?/span>.分布式光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社,2021.

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（全文4045字）

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(cè)；橋梁監(jiān)測(cè)；大壩監(jiān)測(cè)；隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)；BOTDR；DTS

行業(yè)場(chǎng)景類

土木工程；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；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(cè)；基坑監(jiān)測(cè)；基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維；大體積混凝土；水化熱；滲漏監(jiān)測(cè)；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(cè)溫；BOTDR；BOTDA；光時(shí)域反射OTDR；溫度?應(yīng)變耦合；分布式溫度場(chǎng)；應(yīng)變監(jiān)測(cè)

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(cè)系統(tǒng)；組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)；數(shù)字孿生

監(jiān)測(cè)物理量

分布式溫度測(cè)量；分布式應(yīng)變測(cè)量；應(yīng)力集中識(shí)別；混凝土裂縫監(jiān)測(cè)；隧道火災(zāi)定位；壩體滲漏識(shí)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(jià)值痛點(diǎn)類

無源本征安全；抗電磁干擾；消除監(jiān)測(cè)盲區(qū)；長壽命；7×24在線監(jiān)測(cè)；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