分布式光纤应变传感技术在交通基础设施监测中的研究进展.pdf

No.22023上语么晚1 6 7SHANGHWAYS综分布式光纤应变传感技术在交通基础设施监测中的研究进展金辰，蔡氧上海市城市建设设计研究总院（集团)有限公司，上海2 0 0 1 2 5摘要：交通基础设施安全关系到人类生命和财产的安全，实时掌握其健康状态，是交通基础设施安全可靠的重要保障。现概述了分布式光纤传感技术的分类，以分布式光纤应变传感技术为基础，对光纤封装、布设、协调机制、数据解析等关键技术问题进行了分析总结，并重点阐述了其在道路、桥梁、隧道中的工程应用情况。最后，对相关问题进行了展望。关键词：交通基础设施；分布式光纤；应变监测；关键问题0引言分布式光纤传感技术作为一种新型传感技术，使得整根光纤既是传感介质，又是传感通道。可沿着光纤路径，获得被测量物在时间和空间上的温度、应变等连续分布信息。相比其它传统监测方法，具有长距离、大范围、损耗小、抗干扰、连续性、自动化监测的优势，在道路、桥梁、隧道、建筑、桩基等领域，有着广泛的应用前景。本文介绍了分布式光纤传感技术分类，以分布式光纤应变传感技术为重点，综述了其在交通基础设施中的研究进展和应用情况，并分析了工程应用中的关键技术问题及其发展趋势。1分布式光纤传感技术分类目前，分布式光纤传感技术主要基于光纤中的后向散射来实现传感，如瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术主要有光时域反射法（OTDR)和光频域反射法（OFDR）。基于拉曼散射的分布式光纤传感技术主要有拉曼光时域反射(ROTDR)技术和拉曼光频域反射(ROFDR)技术。基于布里渊散射的全分布式光纤传感技术主要有布里渊光时域反射(BOTDR)技术、布里渊光时域分析(BOT-DA)技术和布里渊光频域分析(BOFDA)技术。而散射光的光频率或光强度与光纤的应变、温度等相关。通过光强度或光频率变化信息的解调，即可实现应变、温度等信息的分布式监测表1 对比了不同分布式光纤传感技术的优缺点。由表1 可见，基于布里渊散射的光纤传感技术具有传感距离长、空间分辨辩率高的双重优势，可实现长距离传感和较高精度的空间定位。因此，基于布里渊散射的光纤传感技术得到了较为广泛的应用。表1 不同分布式光纤传感技术的主要特点和应用类型方法传感距离空间分辨率应用OTDR长(千米级)低(分米级)测量光纤损耗和断点基于瑞利散射OFDR短（百米级）高(厘米级)测量光纤损耗、断点、温度、应变ROTDR基于拉曼散射长(千米级)低(分米级)测量光纤温度ROFDRBOTDR基于布里渊散射BOTDA长（千米级）高(厘米级)测量光纤温度、应变BOFDA收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 9基金项目：交通运输部2 0 2 0 年交通运输行业重点科技项目大交通量高速公路智慧化关键技术研究（2 0 2 0-ZD3-025）2023No.2168上涵么路SHANGHAI HIGHWAY2分布式光纤应变传感技术应用的关键问题2.1分布式光纤的封装封装是指将裸纤通过一定方式，装配在某一结构中，形成一个完整的传感元件。封装作用主要有：（1）光纤强度较低，在安装和使用过程中，易受到自然和人为的破坏，光纤封装可起到保护作用。（2)某些封装可增强光纤与被测物之间的耦合，便于实际应用与布设。（3)有些封装可将应变或温度向其他物理参数转换，实现其他参数监测。不同的应用场景往往需要不同的封装材料和结构。在封装材料方面，Bastianini等首次采用抗拉强度较高的FRP材料封装保护光纤，对桥梁结构进行了长期应变监测。Nother等 2 、Wu等 3 则对光纤在聚氨酯、尼龙、聚氨酯甲酸乙脂、金属丝等不同封装材料下的传感性能进行了对比试验。Xiang和Wangl4采用柔性沥青玛蹄脂封装光纤，以增强其与沥青路面的耦合。在封装结构方面，Lienhart5设计了光纤“应变花”封装结构，以获取被测物的主应变。Zeni等(6)将十字形布设的4条光纤黏结在塑料管上，制成光纤测斜仪。Liehr等 7 、王菀等 8 尝试将光纤封装于土工格栅、全氟化聚合物纺织纤维、PPR管等。2.2分布式光纤的布设分布式光纤的布设方法直接关系到光纤的成活率和监测的有效性。一方面，光纤的布设应尽可能减小对被测物体性质的影响；另一方面，应保证光纤与被测物之间的耦合，实现被测物响应量向光纤的有效传递。布设于基体表面时，常用全面黏接或多点固定的方式。施斌等 9 采用全面黏接、多点固定的方式，将光纤以形铺设于隧道衬砌表面。Naruse等 1 0 设计了一种可定点固定光纤的装置，通过装置两端的螺栓，将光纤夹紧，并利用托架，将其固定于隧道衬砌表面。刘永莉 针对光纤在边坡表面无法固定的问题，提出了缠绕固定光纤的方式，并探讨了合理的光纤缠绕长度。Suo等 1 2 为监测岩土体表面裂缝，设计了“T形梁”固定装置，将光纤定点固定于土体表面Iten等 1 3 则设计了一种“微型锚”固定装置。Minardo等 1 4 在桥梁表面黏贴分布式光纤，分别对比了两种不同黏合剂(环氧树脂黏合剂、环氧树脂黏合剂)的测试效果,结果表明,采用环氧树脂黏合的光纤测得的应变更规则。布设于基体内部时，对于既有结构物，通常采用钻孔植入的布设方法；对于处于施工期的结构物，则通常采用施工期间同步布设的方法。Sun等 1 5 采用钻孔并灌注水泥浆的方式，将光纤植人煤层顶板覆岩以及边坡内部。毛江鸿等 1 6 研发了“气吹灌浆布设工艺”，在混凝土内部预留管道，通过气吹结合灌浆的方式，将光纤植人。王兴等 1 7 在混凝土浇筑前，将光纤定点黏接于桩体主筋上，从而实现光纤的整体植入。2.3分布式光纤与被测物的协调机制光纤在通过封装与布设之后，封装材料、黏接介质等均会消耗被测物的部分响应量，致使光纤感知的响应量与实际不同。光纤与被测物界面的协调机制研究成为了消除传递误差的关键，而协调机制与光纤的封装、布设方式紧密相关。对于光纤与连续介质（水泥、砂浆）的协调，Cox早在1 9 52 年，即提出以剪滞理论分析光纤在基体中的受力。Pak则讨论了光纤保护层材料性质与厚度对应变传递的影响。Ansari和Libo18考虑了多层保护层下，应变传递的情况，并基于剪滞理论，得出了应变传递系数理论表达公式，为应变传递研究奠定了基础。其后，Qiao等 1 9 王花平和向平 2 0 修正了应变传递系数公式，并对封装层材料、厚度、长度、黏接层物理特性、厚度等因素进行了研究。光纤与松散介质（土体)协调机制的研究则相对较少。余骏宽等 2 1 、Zhang等 2 2-2 3 进行了室内拉拔试验，探讨了环境变化（上覆土压力、含水率、土密度)对光纤-土体拉拔耦合作用的影响，提出了光纤应力-位移模型。程刚等 2 4 进行了光纤-砂土拉拔试验，分析了两者的耦合性和应变传递规律2.4分布式光纤感知数据的解析目前，分布式光纤主要应用于结构物的应变、位移和沉降等变形监测。通过一定时间的监测，虽然可以获取光纤沿线应变在时空上的分布规律，然而要构建被测物的变形场，需要建立相关的计算模型，实现应变与变形的转换。在变形计算模型方面，目前主要有四类方法。2.4.1基于应变的物理定义若被测物变形方向与光纤布设方向一致，则可直接利用应变的物理定义来计算变形量，如式(1)所示。Wu等 3 为监测地下抽水导致的地面沉降，通过钻孔，将光纤竖向埋设于土体中，并利用式（1），计算了任意2023No.2上么路1 6 9SHANGHAIHIGHWAYS综深度处的土体压缩变形情况，证实了分布式光纤在土体沉降监测中的可靠性和先进性。2S=e(L)dl(1)JL1式中，S为l至l2的变形量；e()为光纤沿线应变。2.4.2基于解析几何原理推导关系式当被测物变形方向与光纤布设方向不一致时，则可利用几何关系来计算变形量。丁勇等 2 5 较早尝试利用三角函数原理，推导了坡面变形与光纤应变的关系。随后,葛捷 2 6 将光纤水平布设在海堤内部,利用该关系式，计算了堤坝沉降。王飞等 2 7 、Naruse等 2 8 将光纤布设于隧道衬砌表面，通过几何关系，建立了光纤应变与衬砌变形的计算式。2.4.3基于材料力学理论，建立应变与结构变形（挠度）的关系若光纤布设于具有一定刚度的结构物表面或内部，则可利用材料力学相关理论等，建立光纤应变与挠度的关系。Lu等 2 9 、王兴等 1 7 、Mohamad等 3 0 Ding等 3 1 通过在地下连续墙、H型钢、钻孔灌注桩、承载桩等桩基工程中布设光纤，基于梁弯曲变形理论，提出了桩身弯矩、挠度的计算方法。赵洪岩等 3 2 将光纤封装于PPR管表面，推求了光纤应变与管道挠度的关系。目前,这类方法均存在一定的误差累积问题，当被测物长度过长时，累积误差将影响测试精度。2.4.4基于室内或现场试验的回归模型当缺乏几何关系和理论模型时，国内学者往往采用室内外试验得到的经验数据来建立回归模型。朱鸿等 3 将带有光纤的测杆铺设于边坡内部，提出了坡顶荷载-安全系数-水平向特征应变的经验曲线。李博等 3 4 基于圆弧曲线和Logistic生长曲线,建立了光纤应变分布与土体剪切变形之间的映射关系。侯公羽等 3 5 基于隧道顶板的沉降规律，建立了光纤应变与隧道顶板沉降变形之间的对应关系。3分布式光纤监测技术在交通基础设施中的应用目前，分布式光纤监测技术以其长距离、大范围、连续性的监测优势，在道路、桥梁、隧道等领域得到了广泛应用，适用于自检测、自诊断的智能化结构和材料，也能适应大范围网格化和智能化的发展需求。3.1道路工程应用道路是运输线路中最重要的基础设施之一。路面开裂、路基沉降变形等问题，将极大地影响道路的使用寿命及乘客出行的舒适度。因此，开展道路全覆盖性能监测，对于精准掌控路基路面的运行状态，具有重要的意义。在路面健康状况监测方面。王书斌 3 6 、耿任山 3 7 钱振东等 3 8 、Chapeleau等 3 9 ,将分布式光纤布设于连续配筋混凝土板、水泥稳定碎石基层、沥青混凝土面层中，进行了结构层温度、变形及裂缝的监测。初步分析了裂缝萌生、扩展的时空发展规律，并进行现场试验，验证了分布式光纤在道路变形、裂缝监测中的应用可行性。此外，钱振东等 40 还将分布式光纤布设于钢桥面环氧沥青混凝土铺装层，并研究了铺装层疲劳裂缝与光纤应变的发展规律，拟合了以光纤应变为变量的裂缝疲劳扩展模型，为钢桥面铺装层的疲劳开裂监测提供了理论基础。Bao等 41 研究了混凝土面层分布式光纤裂缝监测系统，拟合并建立了裂缝宽度与峰值应变的相关关系，通过U型布设光纤，形成二维监测网络，可实现裂缝开裂位置及宽度的有效判别。Zhao等 42 研发了一种可将垂直压缩变形转变为光纤拉伸变形的传感元件，并标定了垂直压缩量与应变量的相关关系。将该元件布设在混凝土板底部，通过元件压缩量，可判定板底界面接触状态，评估板底支承条件。在路基健康状况监测方面。刘玉涛 43 、姜臻 44 利用分布式光纤，进行了路基应变监测。现场试验表明，分布式光纤可在一定程度上反映新旧路基不均匀沉降情况以及季冻地区路基冻胀融沉的病害特征。徐金龙 45设计了路基分布式光纤沉降监测系统，提出了路基沉降病害定性判定方法和路基沉降定量计算方法，并通过现场测试，验证了该监测技术的可行性。韦超群和邓清禄 46 则模仿沉降板的形式，设计了一种基于光纤传感监测技术的双向锯齿状布设方法，并提出了相应的路基变形计算方法。韦超等 47 针对地下水资源过度开采导致的路基塌陷问题，利用分布式光纤,开展了路基塌陷模型试验,研究了塌陷过程中,土体沉降的时空分布规律，为突发性灾害的早期识别提供支撑。Manandhar等 48 将光纤与土工格栅结合，并布设于路基顶面。基于土工格栅拉伸应变,实时监测,并定性反映L型挡墙下桩和土的荷载分布情况。No.22023170上涵么路综SHANGHAI HIGHWAYS-目前，分布式光纤在路面裂缝监测方面取得了长足进展，但在路基变形监测方面，受土颗粒随机挤压影响，以及应变-变形解析方法制约，路基变形量仍以定性判断为主，尚未形成能满足工程精度要求的路基变形监测方法。3.2桥梁工程应用目前，桥梁跨度愈来愈大，其健康监测已成为值得关注的问题。分布式光纤为桥梁大范围、长跨度的长期监测提供了可能。在应用时，分布式光纤一般有两种布设方法：表面黏贴法和内部植入法。对于已建桥梁，一般采用表面黏贴法；对于在建桥梁，可在混凝土浇筑过程中植人光纤。在光纤采用表面黏贴法布设的应用方面。Feng等 49 在工字梁表面黏贴分布式光纤。为清晰提取损伤特征，利用平稳小波变换，对光纤应变进行了多分辨率信号分析。试验表明，该方法可实现损伤位置的定量检测以及裂缝强度的定性测量。Xu等 50 将分布式光纤表贴于悬索桥的钢箱梁底部，在桥梁的不同位置，进行了加载试验，并测试了应变分布。结果表明,在加载位置处观察到最大应变，分布式光纤应变能够清楚地识别加载位置。Barrias等 51 将分布式光纤表贴在混凝土箱梁上，监测了桥梁改建期间既有箱梁的应变变化情况，定性评估了桥梁性能与安全性。徐金龙 45 设计了大型悬索桥分布式应变监测系统,基于应变响应值和应变分布模式，提出了桥梁状态评估方法，并基于梁弯曲变形理论,结合分布式光纤应变和GPS校正，建立了桥梁全长挠度的计算方法。通过实际工程应用，验证了评估方法和计算方法的有效性。杜传伟等 52 将光纤表贴于桥梁模型底面，基于几何关系，通过光纤沿线的位移累加，提出了桥梁挠度分布计算方法，并采用室内模型试验，验证了分布式光纤测量桥梁挠度的可行性。在光纤采用内部植入法布设的应用方面。Webb等 53 在制梁期间，将分布式光纤安装在混凝土梁中，并采用经验预测模型，预估了蠕变和收缩引起的应变。结果表明，尽管存在噪声，光纤应变的平均趋势与经验模型的结果相对一致。Ye等 54 在制梁期间，将分布式光纤固定在预应力钢筋上，并研究了预应力损失机制。应变监测技术可为预应力损失评估提供数据支撑。目前，国内外学者对于桥梁分布式光纤监测已进行了诸多尝试与应用，研究主要集中于裂缝损伤识别、预应力损失监测、桥梁挠度分布、异常应变监测等。众多研究表明，分布式光纤可为桥梁结构安全的分析与评估提供有力的数据支撑。3.3隧道工程应用隧道结构变形特征是评价隧道安全性的重要因素。隧道一旦发生安全事故，将产生不可估量的损失。因此，隧道的长期、大范围分布式监测便显得尤为重要。在利用分布式光纤监测隧道结构变形和受力特征方面。沈圣等 55 提出了一种通过测量内壁环向应变分布监测隧道任意横截面收敛变形的方法，包括基于共轭梁法的连续圆环变形-应变模型和基于图乘法的结构附加变形-应变模型，并通过数值仿真和缩尺试验，证明了计算方法的有效性，其最大误差仅为1 5%。安小诗等 56 ,梁斯铭等 57 针对管片开合度监测,采用定制圆盘，将光纤以一定间隔，定点固定在管片腰部位置。当管片之间的接缝大小发生变化时，两定点之间的光纤段随之产生应变变化。通过应变与变形的转换，可直接计算得到管片开合度。类似的，将光纤以一定角度斜拉定点，固定在管片上，形成Z字形布线。通过几何转换，可计算得到管片错台量。实际工程应用证明，该技术不仅能准确定位病害点，还能高效测量变形量。王飞等 2 7 同样采用在管片接头两侧定点固定光纤的方法，利用几何关系，推导了光纤应变与管片接头转动、管片接头张开量的计算公式，并通过室内试验，验证了该方法的有效性。侯公羽等 58 在初次支护混凝土上，沿隧道全长开槽，并将光纤放人其中，用速凝高强砂浆封堵，实现光纤的埋人式布设。根据隧道纵向沉降曲线接近抛物线的特点，提出了基于光纤应变的隧道沉降反演模型。经数值模拟、室内试验、现场应用，验证了反演模型的可靠性。Sui等 59-6 0 在管片预制过程中，将光纤黏结在管片内部钢筋笼的上、下表面，可获得沿管片环向的管片内、外表面应变数据。基于连续的应变数据，建立了管片位移（径向位移、环向位移）管片内力（轴力、弯矩、剪力)以及外荷载（环向外荷载、径向外荷载)的反演方法。通过现场监测与仿真验证，该反演方法可有效反映管片的位移与受力特征。在隧道施工过程监测及施工活动对既有隧道的影No.22023上语么缆1 7 1SHANGHWY综响方面。刘泉声等 6 1 将光纤应用于浅埋超大断面圆形隧道十字岩柱开挖模型试验中，揭示了十字岩柱开挖方法下的变形规律。将光纤监测数据与数值仿真结果及位移计监测结果进行对比，证明了该方法可准确记录围岩的应变分布。Mohamad等 6 2 为监测相邻隧道开挖对既有隧道衬砌的影响，将光纤沿衬砌环向定点布设。监测发现，在相邻隧道开挖过程中，衬砌出现了蛋形的变形形式,通过与伸长仪测试数据的对比，说明了该光纤监测方法的有效性。G6mez等 6 3 为监测附近建筑施工对既有隧道衬砌的影响，以全黏接的方式，沿衬砌环向布设光纤。通过对关键部位应变的分析以及数值仿真对比，验证了光纤进行隧道衬砌安全监测的可行性。综上可见，在隧道变形监测方面，国内外学者进行了大量的研究与应用，提出了管片开合度、错台量、转动量以及隧道纵向沉降等系列分布式光纤布设方法和变形计算方法。而在隧道施工过程控制及对周围土体扰动影响方面，分布式光纤的工程应用则较少。4分布式光纤应变传感技术研究方向展望分布式光纤应变传感技术的工程应用取得了长足发展，但仍有诸多问题呕需解决。未来可能的主要研究方向如下：(1)研究合理的光纤封装和布设方式，以提高光纤的应变监测与空间定位的精度，提高光纤布设存活率，减小对被测物性能的影响。(2)增强光纤与被测物的耦合性,提出科学合理的应变传递系数表达式以修正应变数据，减小应变传递误差。(3)基于工程监测需求，研究光纤数据解析方法，提出可靠的解析计算模型，实现光纤应变与所需参数的有效转化。(4)研究快速数据采集算法和信号处理算法，实现海量采样数据的高效挖掘与识别，提高数据处理效率。(5)面向多参数监测应用场景，构建光纤多参数集成监测系统，形成三维立体化监测感知体系。5结语随着基础设施智慧化以及城市更新的稳步推进，分布式光纤传感技术因其独特的监测优势，得到了广泛的应用。本文以分布式光纤应变传感技术为基础，具体分析了光纤应变监测中的关键技术问题，着重介绍了其在道路、桥梁、隧道中的工程应用，并展望了未来的研究方向，为今后分布式光纤应变传感的研究和工程应用提供了参考和借鉴参考文献：1 Bastianini F,Rizzo A,Galati N,et al.Discontinuous Brillouinstrain monitoring of small concrete bridges:comparison be-tween 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