基于BOTDR和光纤网格结构的隧道形变测量监控.doc

青岛科技大学本科毕业论文引 言截至2008年底，我国公路总里程达373.02万公里，其中高等级公路里程达到39.97万公里，而在山岳地带修建高等级公路，公路隧道是不可避免的。在我国已建成的373.02万公里的公路中，就有公路隧道5426处、318.64万延米，其中长隧道743处、122.62万延米，特长隧道120处、52.57万延米。而隧道施工过程和使用过程中的实时检测监控，一直是一项公认的难题。因此，一些隧道的安全形势不容乐观，诸如在施工过程中会出现坍塌、突水、涌砂现象以及隧道建成后出现渗漏甚至危险变形等工程质量和安全问题，如不能及时发现并解决这些问题，将极有可能发生如下这些事故：2006年7月10日晚，美国东北部城市波士顿的一处主要交通隧道发生水泥板坠落事故，造成1人死亡，当地交通受到严重影响。2007年11月20日上午8时40分许，湖北省宜万铁路巴东段高阳寨隧道进口处发生岩崩，32人遇难，318国道被迫中断。2008月10日，加沙地带南部发生地下隧道坍塌事故，造成6名巴勒斯坦人死亡。 2009年5月12日6时30分许，位于湖北宜昌的三峡翻坝高速公路一隧道施工现场发生冒顶坍塌事故，导致一名工人当场死亡，一名工人受轻伤。通过以上案例我们可以发现，隧道工程建设中的质量和安全问题不仅严重影响工程的完成进度和完成质量，更时刻威胁着施工人员和隧道受用者的人身安全。因此，为了避免悲剧的发生，全面提高隧道工程质量，加强施工期间隧道的形变监控极为必要。一般来说，隧道形变监测的作用为：1. 掌握隧道围岩在开挖过程中的变化趋势。2. 掌握支护结构的适应性、性能状况及支护施工速度。3. 了解施工条件及施工速度对隧道围岩变形的影响。4. 预测各类灾害与施工险情。5. 确保施工安全和隧道结构稳定，在掌握监测信息的基础上，确定对原有设计是否进行调整的量值等级，完成监控信息反馈与控制，科学评判隧道整体的稳定性。6. 调整开挖及支护参数，修改施工设计，保证施工顺利进行，同时优化设计与施工，为后续工程提供技术依据。传统的监控措施存在着很多问题，远远没有满足安全需求。以往的定点测量，隧道的周围环境和力学参数往往是非常复杂的，存在较大的风险误区。而且是一次测量，边建设边挪动测试工具，使用起来费时费力且不能进行整体实时测量和长时监控。而我们提出的基于BOTDR（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer布里渊散射光时域反射计）和光纤网格结构的隧道形变监测装置则很好地解决了这个问题。BOTDR是近些年研究出来的一项用于光通讯和各类构筑物应变监测的光纤技术。区别于常规的监测技术，它具有分布式、长距离、实时性、精度高、抗干扰和耐久性长等诸多优点。我们首先设计一种光纤网状结构，如同给隧道穿上一层外衣，每一个网格就是一个面压力探测器；之后利用基于布里渊散射的BOTDR技术，分析光时域反射信号，将每一个节点处的信息都呈现在时空域内。一旦隧道结构体的表层有应力变化，监控系统都能第一时间监测到其准确位置和应力大小，从而达到对隧道形变进行实时监控，提前防范事故的发生，提高工程质量的目的。近年来，一些发达国家，如美国、日本、瑞士、加拿大和法国等国都在竞相开展这项技术的理论和应用研究，并在各类大型基础工程设施的应变监测中进行了成功应用。这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。其中南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR 分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中。而且在实际应用中可以发现，利用光纤制作出的无源传感器阵列，具有灵敏度高，质量轻，抗外界干扰能力强的优点。因此我们有理由相信，这是一套有着较高开发价值和应用价值的应变监测系统。1 BOTDR简介1.1 光纤传感技术简介光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具，由前香港中文大学校长高锟发明。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（lightemittingdiode，LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤一般被用作长距离的信息传递。光纤传感技术是20世纪70年代后期发展起来的一种新技术，已在航空、航天等领域中得到广泛地应用。近十几年，光纤传感技术已逐步地应用于岩土工程和土木工程等领域，而且发展迅速。与传统的差动电阻式和钢弦式传感器相比，光纤传感器具有如下优点 1 ：1. 光纤传感器采用光信号作为载体，光纤的纤芯材料为二氧化硅，该传感器具有抗电磁干扰，防雷击，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性。2. 光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积较小、重量较轻，便于铺设安装；此外，将其埋入结构物中不存在匹配的问题，对埋设部位的材料性能和力学参数影响较小。3. 现代的大型或超大型工程，如隧道、堤防、边坡等，通常为数公里、数十公里甚至上百公里，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，但光纤本身即可以作为传感体又可以作为传输介质，而且可以比较容易实现长距离、全方位监测。分布式光纤传感技术除了具有以上的特点外，其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、应变、温度、振动和损伤等信息。如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测方式漏检的弊端，提高监测的成功率。1.2 布里渊散射概述布里渊散射(Brillouin scattering)是光与物质作用后产生的一种光现象。很早人们就发现了光与物质相互作用的现象，如瑞利散射，它使大气显蓝色；如丁达尔散射在乳浊悬浮液中的表现为颗粒的半氏散射。我们称以上为弹性散射，其入射光频率与反射光频率一样。从弹性反射的名称中我们能够体会到为其取名的人是何等自信光就是粒子。既然有弹性反射，那就应该有非弹性反射，当然是有的：在物质的微结构中，光照射在分子、原子等微粒的转动、振动、晶格振动及各种微粒运动参与的作用下，光的散射频率不等同于入射频率的现象叫非弹性散射。最典型的当然要数拉曼、布里渊散射。布里渊散射是布里渊于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。正常情况下，光在光纤内传播时，由于光纤的中心层玻璃芯是由排列组合都极其规律的晶格组成，光在晶格之间进行规律的全反射来完成既定路径。而布里渊散射就是光在传播过程中由于光纤介质受到了应力、温度等外界因素影响，产生了形变，导致了光纤内部晶格排列组合的不规则变化，从而改变了一部分光在光纤中的传播路径。利用布里渊散射就是指利用其中传播方向变为反方向的这部分散射光。由于是背向散射，我们在光的发射端就可以检测到这种散射光。其散射光光谱如图1-1所示，包括了瑞利(Rayleigh)散射、布里渊散射和拉曼(Raman)散射。图1-1 光纤反向散射光谱Fig.1-1 Back scattering spectra of optical fiber布里渊频移光谱图如图1-2所示。图1-2 布里渊频移光谱Fig.1-2 Spectra of brillouin shiftBOTDR技术主要是利用光纤中的布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变和温度之间的线性关系（见图1-3）。图1-3 布里渊散射光频率漂移与应变、温度的关系Fig.1-3 Relation between Brillouin scattering light frequency shift and strain & temperature布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量，就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。1.3 BOTDR应变测量原理及过程BOTDR应变测量正是应用布里渊散射光频移与应力之间的线性关系来对光纤铺设处的形变进行测量和监控。其测量原理如图1-4 所示。图1-4 BOTDR 应变测量原理图Fig.1-4 Strain measuring principle of BOTDR如图，BOTDR应变测量的目的是计算光纤上任意一点至入射端的距离及光纤的应变。实现方法是使BOTDR仪器，依据布里渊频移现象监测光纤应变百分比，在超过一定应变时发出警报并计算具体位置。其测量过程为：探测的脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子相互作用产生布里渊散射，其中，背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入BOTDR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到该探测频率光纤沿线的布里渊背散光功率。光纤上任意一点至入射端的距离Z可以由公式（1-1）计算得到： （1-1）其中，c为真空中的光速；n为光纤的折射率；T为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。之后，按一定间隔不断变化入射脉冲光的频率，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊背向散射光增益谱（简称布里渊增益谱）。理论上，布里渊增益谱呈洛仑兹(Lorentz)形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，由布里渊频移的变化量与光纤应变之间的线性关系可以得到光纤的应变。去除温度影响后，光纤轴向应变与布里渊散射光频率的漂移量可用公式(1-2)表示： （1-2）式中，为光纤轴向拉伸时布里渊散射光频率；为光纤轴向无应力时布里渊散射光频率；为应变系数；为光纤的轴向应变。应变系数取决于探测光的波长和所采用的光纤的类型，试验前需要对其进行标定。布里渊散射光与其他散射光相比的另一个突出优点是它的频移变化量与温度相关性比应变的相关性要小得多(0.002%/)。因此，如果温度的变化不超过5 ，通常可以忽略不计。但当温度变化较大，可以通过式(1-3) 进行温度补偿： （1-3）其中， 为温度系数；为温度的变化量；其他与式(1-2) 相同。1.4 BOTDR应变测量标定方法由于布里渊光频率的漂移量与光纤的温度和所受应变相关，其关系可用式（1-4）表示： （1-4）由式(1)可知，对于任意一种单模传感光纤，对其温度系数和应变系数的标定可以分成两步进行。首先通过对一段自由传感光纤进行逐级加温(降温)，应用最小二乘法对所得数据进行拟合，可得温度布里渊频率漂移量关系曲线，从拟合曲线上可以直接得到温度系数和下的值；然后再保持温度不变的条件下，通过逐级加荷的拉伸实验可以得到应变-布里渊频率漂移量关系曲线，即可获得应变系数 2 。1.4.1 温度系数的标定原理首先考虑用自由的(不受应变的)传感光纤进行温度系数和下的标定。由于传感光纤处于自由状态，式（1-4）就变成如下形式： （1-5）因此就可以用式（1-5）设计标定实验，将一段自由光纤置于恒温箱中，对其进行逐级加温。考虑隧道工程应用实践以及传感护套单模光纤的工作参量，标定选取的加温区间和加温梯度，对所得数据进行拟合后即可得温度系数和下的值。1.4.2 应变系数的标定原理由于BOTDR仪器的空间分辨率是1m，并且实际工程中光纤传感器是全面接着在被测结构物上的，因此，要对分布式光纤传感器进行标定，其理想状态是在接着长度至少为1m的被测物上进行应变测量。我们依据材料力学的理论知识，使用一种基于等强度梁的分布式光纤应变系数的标定方法，其标定原理和标定过程如下：根据材料力学相关理论可知，等强度梁任意一点的应变，可以通过该点的挠度、横截面宽度和距固定端距离获得，并满足式（1-6）： （1-6）式中：为梁的横截面高度，为距固定端距离，为计算点挠度，为该点应变。等强度梁示意图如图1-5所示。图1-5等强度梁示意图Fig.1-5 Such as beam intensity diagram温度系数标定后，得到了下的值。因此，根据式（1-2）和式（1-4），在标定应变系数时，使室内温度保持在(或某一温度)的条件下，在等强度梁上进行应变系数的标定。由于BOTDR测得的和依据拟合的为绝对值，而参考应变为相对值，所以应变系数就可由式（1-7）获得： (1-7)式中： 以不加荷载时的为初值， 其他各级均与其作差，为逐级真实参考应变。1.5 BOTDR应变测量检测方法由于自发布里渊散射光极其微弱，相对于瑞利散射来说要低大约两、三个数量级，而且相对于人射光来说布里渊频移很小（对于一般光纤1550nm时约11GHz左右），检侧起来较为困难。因此人们提出了多种方法来侧量该光纤中由于外应力引起的布里渊后向散射光频移。通常采用的检侧方法有直接检侧和相干检测两种 3 。直接检测是利用F-P或Mach-Zebnder干涉仪将微弱的布里渊散射光从瑞利后向散射光中分离出来。但由于F-P干涉仪工作不稳定，插人损耗较大，且布里渊散射较弱，测得的布里渊频移往往不够准确。而M-Z干涉仪实现了自发布里渊散射和瑞利散射光的分离。在M-Z干涉仪的输人端同时注人布里渊散射和瑞利散射光，当设置干涉仪的自由程为两倍输出端分别输出，从而实现光纤背向散射中自发布里渊散射与瑞利散射信号的分离。相干检测的方法则需要采用光学移频装置将光波在人纤前先移频约11GHz，以使得布里渊散射光与本征参考光的差频位于传统窄带宽的外差接收机的频带范围内。该相干检测的方法相对于直接检测，系统构成较复杂，但测量距离增大及测量时间缩短，因此对相干检测研究较多。目前主要有三种相干检测技术，因此可将BOTDR以此分为三种：声光频移的BOTDR、电光频移的BOTDR及微波外差检测的BOTDR。1.5.1 声光移颇的BOTDR系统1994年Kaoru Shimizu等人首次在光路中引人了一个光移频环路实现了一个高精度的BOTDR相干检侧系统。激光器发出的连续相干光被分束器分成了参考与探测光波， 探测光被声光调制器调制成脉冲光，并且人射进由EDFA及声光移频器构成的光学移频环路。通过在光学移频环路中循环一定的次数可以使得探测脉冲光移频的量与布里渊频移量大致相同，然后探测脉冲光被EDFA放大后人射到测试光纤中。测试光纤中返回的后向布里渊散射光直接被外差接收机检测， 参考光波作为本征振荡波。由于布里渊散射， 返回的后向布里渊散射光的频率接近于参考光波的频率， 因此外差的差频为可以小于100MHz，而这是传统外差接收机的典型频带范围。调整移频环路中的声光移频器（AO）频率可以调整探测脉冲光的频率。连续改变探测脉冲光的频率可以测得布里渊频谱，布里渊频谱的峰值即为布里渊频移。根据(2-2)式中布里渊频移与应力的关系，可以解调光纤的轴向应力分布。但是由于AO通常一次最大只能移频120MHz，需要经上百次的频移才可达到11GHz。为构建布里渊频谱还需探测脉冲光可以扫频， 这就要求AO输出的频率精确可调。这些都对声光移频器的性能提出了更高要求。并且， 声光移频环路的采用增加系统光学部分的复杂度， 影响了系统的稳定性，从而影响了系统的侧量精度。1.5.2 电光移颇的BOTDR系统采用微波电光调制技术产生频率可调的本地参考光，再和后向布里渊散射光进行光相干检测，同样采用普通的外差接收机检测。和声光移频的BOTDR系统不同的是， 采用单只电光移频器取代了声光移频环路，电光移频器一次就可以移频11GHz，相对简化了系统的光路， 但是电光调制器对光路的偏振控制特性提出了更高要求。同样为获得布里渊频谱，要求电光移频器的频率精确可调。国内目前该方法尚处于实验室研究阶段。国外目前有将电光移频技术用于布里渊频谱的检测的报道，但尚未见有商业仪器的研制成品。1.5.3 微波外差检测的BOTDR系统使用微波外差检测的仪系统总的原理为：从光源发出的光(频率为)被分成探测光和参考光两束，其中参考光作为光学本振光。对探测光采用声光调制器进行脉冲调制，然后采用EDFA将该信号功率放大到合适值。当光在光纤中发生布里渊散射时，后向的布里渊散射光相对于原来的人射光要产生一个布里渊频移，在1550nm时普通单模光纤中产生频移为（约为11GHz）的后向布里渊散射光。将该后向布里渊散射光和参考光混频，差频项就是。该差频信号由宽带光电二极管检测。此后，该信号被进一步放大，并通过电容来去除直流成分。此时，只有差频项，将其和微波频率源产生的频率再次混频。两次外差可将差频信号降至基带范围内。通过连续改变微波频率源的频率，可构建布里渊频谱。经模数转换后，进行数据的分析与处理。对频谱进行洛伦兹曲线拟合可计算得到。在国外，英国Southampton大学最早提出微波外差检测方法，但比较成熟地开展并应用此项技术的主要研究单位是日本NTT公司及Ando电子公司，他们在2001年已将该项技术成功地应用于BOTDR（型号为AQ8603），相对以前采用声光移频装置的BOTDR而言，采用该微波外差检侧技术可简化BOTDR的系统构成， 使得BOTDR更加稳定， 应力测量准确度更高， 并且造价减半。和电光移频的BOTDR相比，微波外差检测技术更为成熟， 系统也更为稳定。因此，微波外差检测的BOTDR分布式光纤传感器在桥梁、大坝、隧道等人居工程、灾害监测与山体滑坡自然灾害方面将都有很好的应用前景。AQ8603型BOTDR将在下文中的2.1节中做详细介绍。1.6 BOTDR应变测量系统结构目前普遍使用的基于布里渊散射术的应变传感系统BOTDR，其系统结构如图1-6所示。图1-6 布里渊散射应变传感系统Fig.1-6 Brillouin scattering strain sensing system1.7 BOTDR应变测量的特点BOTDR用于隧道形变测量和监控具有以下几个特点：1. 分布式BOTDR实现了最大空间分辨率1m的分布式应变测量。根据隧道现场情况，应用各种特定的铺设方式，可以避免监测点选择的主观臆断，能够对隧道结构整体情况进行监测。2. 累积损伤的监测BOTDR适合对结构体累积损伤的监测。通过与过往数据的比较，能够清晰地发现微小变化在时间轴上对于隧道结构体的影响。通过数学模型等分析方法，对于结构体未来的发展方向进行预判，对可能出现的事故和质量问题进行提前预警。3. 长距离BOTDR的标称测量距离最大可以达到80km，完全满足各种隧道结构体的要求。1.8 BOTDR应用概述BOTDR 技术起初应用于航天领域，在发达国家相继应用于电力、通讯、工程等领域。工程领域主要应用于桥梁、大坝、隧道等大型基础工程的安全检测，并取得了很多成功的经验。其在土木、交通、地质工程及地质灾害防治等领域的应用也受到了各国研究机构的普遍重视，发展前景十分良好。从90年代开始，我国就开始了光纤传感技术的应用研究。目前，国内BOTDR 技术主要应用于隧道、桥梁、管道等构筑工程的变形监测中，并取得了一定成果。2 BOTDR监测仪及时域信号分析方法2.1 BOTDR监测仪目前国内主要采用的BOTDR监测仪是由日本研制生产的AQ8603型光纤应变分析仪，该仪器可以监测最长80km 光纤的应变，应变的测量范围可以达到1. 5 % ，应变测量精度最高可以达到0. 003 % ，空间分辨率为1m ，基本能够满足工程安全监测的要求。其主要技术性能指标见表2-1。表2-1 AQ8603 光纤应变分析仪的主要性能指标Tab.2-1 Specifications of AQ8603 strain analyzer测量范围(km)12510204080空间采样间隔(m)1.000.500.200.100.05空间定位精度(m)(2.0105测量范围(m)0.2m2距离采样间隔(m)应变测量范围-1.5%1.5%（15000）脉冲宽度(ns)102050100200空间分解度(m)1251122应变测量精度0.004(40）0.003(30）重复性0.040.02AQ8603型光纤应变分析仪的默认参数设置见表2-2。表2-2 AQ8603 光纤应变分析仪的默认参数设置Tab.2-2 Default parameter settings of AQ8603 strain analyzer入射光波长/m1. 55脉冲宽度/ ns10采样间距/ m0. 05起始频率/ GHz10. 760扫频步长/ GHz2 10- 3终止频率/ GHz11. 118vB (0) / GHz10. 835该光纤应变分析仪的特点是： 高应变测量精度：0.003%。 易于光纤缺陷定位。 高重复性：0.02%。 高距离取样分辨率：5 cm。 距离分辨率(最小1m)。 高速度测量数据处理：数字取样技术可以达到高速数据处理和及时扫描显示。 多样的分析功能：应变分布，布里渊谱型分布，布里渊损耗分布波形等 分析功能。 备有以太网连接：方便快速的数据下载。 多种外部接口：可连接外种外设(鼠标，键盘，打印机，显示器等等)。 数据存储能力：内置3.5英寸软驱和硬盘。 大屏幕，高亮度TFT LCD显示器。 内置高速打印机。2.2 BOTDR观测数据的小波处理BOTDR只提供光纤采样点的应变值，要实现隧道结构的形变监测，还需对测量结果进行进一步的处理和分析。小波变换是一种信号的时频分析方法，具有多分辨分析的特点，且在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，很适合检测正常信号中夹带的反常现象并显示其成分。小波变换可实现对信号的消噪处理和异常值检测 4 。现截取某隧道某一天的BOTDR观测成果中距离为120m的一段进行分析，数据点数为1200，采样间隔为0.1m。利用小波变换对其进行去噪，采用的小波为DB(4)，分解层数为5。图2-1所示为BOTDR 观测值序列及其小波变换分解图。对高频系数进行阈值处理，而后进行信号重构。图2-2(a)所示为含有测量噪声的BOTDR检测信号，图2-2(b)为该信号的小波消噪结果。图2-1 BOTDR 观测信号及其小波分解Fig.2-1 BOTDR observation signal and its wavelet decomposition图2-2 BOTDR检测信号及消噪信号Fig.3-2 BOTDR observation signal and de-noised signal图2-3所示为信号消噪后的残差序列分析图，可从中看出残差的统计特征。图2-3 信号消噪后的残差序列分析图Fig.2-3 De-noising signal sequence analysis of residual在实际工程中，BOTDR观测数据是含有噪声的，有必要采用小波分析的手段对信号进行处理，以达到消噪和异常值探测的目的。以上便是采用了一段隧道形变测量和监控的观测数据进行小波处理，处理结果表明，小波变换手段对于处理BOTDR观测信号能够取得很好的效果。3 隧道变形监测中的BOTDR和光纤网格系统以上分析可以看出BOTDR技术在隧道、涵洞形变测量和监控过程中有着很好的技术优势，为了将该技术应用到实际的环境中，我们首先设计了一个网格状的光纤传感器阵列，并将该阵列跟BOTDR分析仪相结合组成一个完整的系统。3.1 传感光纤的接着方式应用BOTDR 进行隧道形变测量和监控，其传感光纤可以植入岩土结构里面，也可接着在岩土结构表面。接着方式一般有两种：一是定点接着，二是全面接着。结合隧道工程实际情况以及 AQ8603 应力分布式光纤传感器的特点，接着方式可如图3-1所示。图3-1 定点接着方式与全面接着方式Fig.3-1 Partially attached method and fully attached method全面接着方式是将光纤拉直后，使用粘结剂将光纤完全贴附在被测工程结构的表面，可以近似认为传感光纤与接着处结构的变形保持同步，这种粘贴方式主要用于隧道整体变形监测；定点接着方式是将传感光纤适当施加一定的预应变后，按一定的间隔定点接着在被测工程上，可以得到两接着点间的变形情况，该铺设方式主要用于监测变形量较大的局部变形。根据光纤网格结构及实地情况，采用合适的接着方式铺设传感光纤的各个部分。3.2光纤的布设工艺光纤在岩土工程中的布设涉及到以下几个基本问题：1. 如何将光纤无损地埋入岩土工程中是首先要解决的问题，因为光纤非常脆弱，即使是加了护套的光纤也会因施工过程中混凝土的捣实、固化以及粗骨料的加入而受到损伤，甚至折断。实际工程中，合理地设计光纤的保护方案与设计光纤的布设方案同等重要。2. 土工程的变形是比较复杂的，传感光纤的合理布设是检测成功与否的关键，布设的理论分析或数值计算是必要的，也可以借鉴相似工程的工作经验。3. 由于BOTDR的空间分辨率为1m，在传感光纤的布设过程中也要研究光纤的固定或粘贴方式，最大程度地消除空间分辨率对监测结果的影响。在实际的工程应用中可以采用定点接着与全面接着相结合的方法，在一定程度上消除了空间分辨率对监测结果的影响。3.3 光纤网格结构光纤传感器设计的基本要求是尽量采用单根光纤完成网格铺设，并且网格的各个转角要符合光纤的材质和光学特性，不可以有90度直角转弯，并尽量减少转角数量；同时，要争取达到监测精度和设施成本的平衡。下面针对一种相对简单的隧道结构表层，设计一种光纤网格结构，采用全面接着的方式进行铺设。采用全面接着方式的目的是实施全程监测，监测对象为隧道整体，监测结果为整个隧道结构表层的形变情况。全面接着方式应用特定的铺设工艺，使用实验测定的效果优良的混合胶粘剂（以环氧树脂为主），将传感光纤按照设计线路接着在混凝土的表面，并在传感光纤的末段接驳光纤终端，光纤终端盒可以提供光纤终端的安放和余端光纤存储的空间，给予光纤及其元件机械保护和环境保护，并可以使光纤构件与光纤末端壳体绝缘，而且能方便地引出接地。在实际工程中，可以选择以光纤终端盒作为光纤终端对光纤加以保护，也可以将光纤末端引出接地。全部光纤传感器完成后如同给隧道穿上一层外衣，而每一个网格就是一个面压力探测器。系统结构如图3-2。此种光纤网格的规格以目前国内主要采用的BOTDR监测仪AQ8603为例：AQ8603的最大距离分辨率为1m，为使每个网格内发生应变时网格的四条光纤传感器均能感应到应变，提高测量灵敏度，网格的边长定为1m，这也基本能够满足隧道工程对监控分辨率的要求。图3-2 BOTDR光纤网格应变监测系统Fig.3-2 Botdr optical fiber strain monitoring system for grid3.4 光纤网格结构监测原理在以往的隧道形变监测中，光纤传感器多采用较为简单的S型设计，如图3-3。图3-3 S型光纤传感器Fig.3-3 S-type fiber-optic sensors这种光纤传感器的设计与网格结构相比，由于采用单层光纤铺设，减少了光纤的使用，系统造价较低。但对于隧道的形变监测来说，准确度和安全性是第一要务，而这种光纤传感器由于结构相对简单，掌握的光纤应变点数据较少，对应力点位置的判断速度较慢，在监测过程中有漏检的可能，存在一定的安全隐患。而光纤网格设计与其相比具有诸多优点，尤其是在测量精度方面，网格的设计充分提高了测量和监控时对应力点确认的速度和准确度。首先我们将每个网格编号，也就是为每个面压力探测器编号，如图3-4。在隧道应变检测的过程中，当发现有危险的光纤轴向应变时，依据BOTDR仪器反应出的应变点在光纤传感器的位置，来确定发生应变的一个或多个网格；再由实地的勘察检测来确定准确的地质应变点，既完成一个从点到面，再从面到点的测量和监控过程。图3-4光纤网格编号Fig.3-4 Optical fiber grid code由图3-4可以看出，模拟的光纤网格为13*8的大小。而在这104个网格中，除最外围的网格外，每个网格都是由两横两纵两条光纤传感器组成。在发生隧道表层应力时，这种设计可以令光纤传感器所反馈回的4个应变时域信号在时间上充分隔离，提高监测精度，应变点的定位工作更迅速、更准确。如图3-5所示