光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用研究进展

材料老化等不利因素的影响，工程结构将不可避免地产生损伤累积和抗力衰减，健康问题日益凸显，例如边坡的失稳破坏、混凝土结构开裂变形、地基基础沉降等[2-5]；同时，中国是世界上地质灾害最严重的国家之一，灾害种类多，分布广，危害大，对地质工程造成不同程度的损伤破坏[6-7]。因此，为了保证工程设施的安全使用，对其进行安全监测并准确评估灾害后的结构健康和剩余寿命显得尤为重要，这已经成为岩土与地质工程发展的迫切要求和当前各国学者研究的热点[8-11]。

长期的工程研究实践表明，工程力学参数测试和工程监测具有长时效性、环境复杂、监测对象的时空限制、施工环境制约的特点[12]。目前，对工程设施的监测多采用电感式、差动电阻式、振弦式和电阻应变计式等传统监测传感器，受传感器材料、使用方法、信号传输等因素限制，具有易受潮、耐久性差、成活率低、实时及自动化监测程度低等缺点，并且多为点式监测，不能满足复杂工程的智能健康监测的需求[13-15]。

光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外部测量信号的传感技术，自20世纪70年代诞生以来受到强烈关注[16]。1979年，光纤传感器最早由美国航空航天局尝试性地埋入复合材料内部用于测试；1989年，Mendez等[17]首先提出了将光纤传感器引入岩土工程领域用于混凝土结构的健康检测。光纤传感技术凭借其抗电磁干扰、防水防潮、耐久性长、便于安装、灵敏度高，可实现远距离大范围面式监测及传输信号损耗小等优点，逐渐成为一种新的岩土与地质工程健康与安全监测方法[18-22]。本文通过分析光纤传感技术在岩土与地质工程应用中的最新进展，讨论工程应用过程中光纤传感的关键技术及亟待解决的问题，并在现有研究的基础上对光纤传感技术发展进行展望。

1光纤传感技术

光纤传感技术应用于岩土与地质工程中时，根据随距离的增加是否能够连续的监测被测量基体可将其分为点式、准分布式和分布式监测。点式光纤传感技术主要有迈克尔逊干涉（SOFO）传感技术和非本征型法布里-珀罗干涉（EFPI）传感技术[23]，适用于精度要求较高的结构局部变形监测，但不能复用。准分布式光纤传感技术是基于光纤布拉格光栅（FBG），通过波分复用（WDM）、时分复用（TDM）和空分复用（SDM）技术，构建多点准分布式传感网络系统实现[9]。分布式光纤传感技术现应用较多的主要有基于瑞利散射光时域分析（OTDR）、自发布里渊光时域散射分析（BOTDR）、受激布里渊光时域散射分析（BOTDA）、拉曼光时域反射分析（ROTDR）等原理的传感技术，分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以实现长距离、大范围的连续、长期传感。光纤传感技术的主要特点如表1所示。

根据美国MCH公司Mendez[24]对世界范围内光纤传感技术的市场研究分析，光纤传感应用领域所占比例最高的为工业制造自动化控制，占市场份额的28%，其次为汽车制造领域，占25%；岩土与地质工程中，占市场份额最高的应用领域是桥梁，为12%。预测到2016年，光纤传感技术应用增速较快的领域主要集中于石油、军事领域，岩土与地质工程领域中光纤传感技术仍发展缓慢。岩土与地质工程中基于不同原理的光纤传感技术所占市场比例预测如图1所示。2013年，基于拉曼散射的光纤传感技术应用比例最大，约占34%，推广应用较好；其次为光纤布拉格光栅传感技术，约占26%；基于布里渊散射的分布式光纤传感技术所占比例仅为1%。预测到2018年，基于拉曼散射和瑞利散射的光纤传感技术所占比例将加大，光纤布拉格光栅和布里渊散射传感技术所占比例基本不变。由此说明，只对温度或应变敏感的光纤传感技术更易被推广使用，同时岩土工程中局部高精度变形测量逐渐受到重视。

2光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用虽然光纤传感技术有传统传感器不可替代的优点，且在岩土与地质工程中应用范围逐渐扩大，但应用时间较短，未普及，许多关键技术尚未解决。在光纤传感器工程应用过程中，主要经历了光纤传感系统的优化及光纤传感器的研制、光纤传感器标定、光纤传感器安装工艺、监测数据处理等。

2.1光纤传感系统的优化及光纤传感器的研制

复杂岩土与地质工程中同时存在应力场、温度场、渗流场等多场耦合，且工程结构复杂，需要研制新型光纤传感器和设计优化光纤传感系统，使之适用于工程应用环境，其研究进展主要有：曹建梅等[25]设计了一套网格结构的光纤探测阵列，并将传感系统应用到隧道工程的变形监测中，间接地增加了光纤传感系统的空间分辨率，但系统布设复杂，增加了工程成本，不便于推广应用；Nannipieri等[26-27]研究了同步时域内光纤布拉格光栅和布里渊光时域分析传感技术的兼容性，得出FBG波长能影响受激布里渊散射的频率和功率，由此BOTDA传感技术可利用FBG和布里渊光时域信号之间的关系，用于定位低空间分辨率的远距离分布式监控；兰春光等[28]结合光纤光栅与光纤布里渊智能筋（FRP-BOTDA-OFBG）的特点，开发出一种新型的智能钢绞线，通过与传统的应力损伤监测传感器试验对比，BOTDA-FBG智能钢绞线能够适用于钢绞线复杂环境下的预应力监测；Kim等[29]将铝制包层的光纤光栅固定在碳纤维复合材料中，研制出一种碳纤维增强塑料（CFRP）封装的光纤光栅传感器，并在万能试验机上进行了试验，试验表明，这种传感器可以记忆碳纤维复合材料的最大应变，可用于基体材料残余应变的监测；何祖源应用射频（RF）调整技术解决了可调谐激光器的波长可重复性，实现了光纤传感的纳米级应变分辨率。Chai等[30-31]设计并实现了一个由24个光纤光栅传感器组成的光纤波分复用/空分复用混合阵列的光纤监测系统，实现了深部地层沉降变形的实时监测，监测系统原理如图2所示，设计光栅波长带宽为±4.5 nm，通过深度152 m、直径133 mm的钻孔将系统植入第四纪深厚松散地层的92～148 m段砂砾、粘土层的12个层位中，研究了光纤布拉格光栅监测系统植入过程中光纤光栅的波长传输特性及其变化。