标准规范下载简介和部分内容预览：
基于BOTDA的隧道变形监测技术研究基于BOTDA（布里渊光时域分析）的隧道变形监测技术是一种先进的分布式光纤传感方法，能够实现对隧道结构健康状况的高精度、实时监测。该技术利用光纤作为传感器，通过测量光纤中布里渊散射信号的变化来感知外界应变和温度场的分布。在隧道工程中，光纤通常沿隧道轴向或关键部位敷设，当隧道发生形变（如沉降、膨胀或开裂）时，光纤随之产生相应的应变变化，这些变化可通过BOTDA系统解调并转化为具体的变形数据。
相比传统监测手段，BOTDA技术具有显著优势：首先，其分布式特性允许对隧道进行全范围、连续监测，覆盖长距离且无盲区；其次，该技术具备高空间分辨率和抗电磁干扰能力，适合复杂地下环境；此外，BOTDA系统可同时监测应变与温度，为数据分析提供多维度支持。
在实际应用中，BOTDA技术已被广泛用于地铁隧道、公路隧道及铁路隧道的变形监测。通过对监测数据的分析，可以及时发现潜在风险，评估隧道结构稳定性，并为维护决策提供科学依据。然而，该技术也面临挑战，例如如何提高信噪比以适应更复杂的工况，以及降低系统成本以推广普及。未来，随着光纤传感技术的发展，BOTDA有望成为隧道安全监测的核心工具之一。
布里渊散射是指入射到介质的光波与介质内的 弹性声波发生互相作用而产生的光散射现象。当光 纤沿线的温度发生变化或存在轴向应变时，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布里渊散射的频率漂移 量（v）就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信 息。BOTDA技术从光纤的两端分别注入脉冲光信 号和连续光信号，当脉冲光与连续光的频率差与光 纤中某个区间的布里渊频移相等时2013浙j57：建筑防水构造(二)，该区域就会发 生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转 移。根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间 的关系，对两激光的频率进行连续的调节，监测从光 纤一端耦合出来的连续光功率，可以确定光纤各小 区间上能量转移达到最大时的频率。BOTDR的测 量原理如图1所示。
光纤应变量、温度变化量与布里渊频率漂移 间的关系如式（1）所示：
张桂生等：基于BOTDA的隧道变形监测技术研究
支护一起共同受力，以抵抗围岩压力，且初期支护对 二衬的接触压力也较大。二衬拱圈的受力较为复 杂，衬砌拱顶、拱腰和拱脚往往承受较大的拉、压应 力作用1。为实现对隧道整体变形的全面监测，沿 隧道长度方向在拱顶、拱腰、拱脚位置布设连续光纤 传感器（图2），沿拱圈环向光纤传感器的间距根据 围岩类型、经济性及施工可操作性等各方面经优化 设计后确定。V级围岩二衬混凝土作为隧道变形监 测的重点，须在一模二衬"混凝土（10m）内埋设两 道或多道环向光纤传感器，Ⅲ级、IV级围岩的光纤传 感器布设间距根据实际情况调整，环向光纤传感器 总体布置如图3所示
图2纵向监测光纤布置
隧道整体变形监测网优化设计
为对运营隧道进行全面的变形监测和健康诊 断，需从围岩类型、应力水平、施工可操作性及经济 性等多方面出发，合理设计光纤监测网络。隧道本 质上是围岩和支护结构的综合体。对于Ⅲ级、IV 级等地质状况较好的围岩，结构体主要是靠初期支 护来平衡围岩应力，二衬结构的基本作用在于保持 断面的使用净空，防止围岩质量的进一步恶化，承受 可能出现的各种荷载，使隧道支护体系有足够安全 度。而对V级围岩而言，则通过二次衬砌与初期
3分布式光纤传感器铺设研究
目前，隧道分布式光纤变形监测主要是在二衬 混凝土表面粘贴传感光纤。该方法应用于长隧道变 形全面监测时铺设工作量大，后期各工种施工也可 能破坏光纤传感器，且黏结剂的老化将影响测量精 度。浙江大学结构工程研究所采用气吹敷设传 感光纤和真空灌浆固定传感光纤相结合的分布式光 纤铺设方法完成了某海底管道的健康监测。本文将 该方法应用于隧道整体变形的长期监测中.具有如
下优点：可在短期内将光纤传感器埋入混凝土内部； 光纤传感器能监测到混凝土内部应变，利于分析二 衬支护结构的整体性能；光纤传感器工作环境稳定 可靠，能保证后期监测数据的连续有效性。该方法 只需在隧道主体施工过程中，将微管按照预定位置 铺设，待主体完成后将预埋环向和纵向微管连成整 体后敷设传感光纤。
1982年英国电信首次发明了气吹光缆技术， 该技术于1997年正式引|入我国。气吹法是利用 机械推进器把带保护层的光纤推进微管，同时空 气压缩机把强大的气流通过气吹机的密封仓将高 压空气流送入管内。光纤表面采用了特殊的涂 层，当压缩空气进入微管以后，光纤能借助空气动 力悬浮在管内，并随空气涡流作用向前飘行，因此 光纤在微管中是被气流推动前进而不是被拉进微 管的。气吹过程中纤芯没有方向性，光纤在微管 中的前进方向只是取决于压缩空气的吹动方向，并 且光纤端头没有应力，光纤不易被破坏。气吹法在 通信领域应用非常广泛，但用气吹法布设传感光纤 在国内外尚无先例。 在隧道变形监测中，绕拱微管的设置使气吹线 路弯曲、复杂，大量的90°转角也增大了气吹铺设的 难度。为解决气吹过程中回压明显、摩擦阻力大等 问题，通过设置转角微管、控制气吹速度以及添加润 滑剂等措施，实现隧道分布式传感光纤的长距离 气吹。
3.2真空灌浆固定传感光纤
真空灌浆在预应力混凝土施工中应用广泛，但 用来在微管中固定传感光纤鲜有报道。真空灌浆固 定传感光纤是利用高压灌浆机和真空泵将特殊配合 比的水泥浆灌入微管，水泥浆硬化后固定传感光纤。 其特点是：管内浆体在负压下流动，可实现长距离灌 浆：真空状态下，管内空气、水分及灌浆料中气泡被 消除，减少了孔隙：管两端的正负压力差及整个灌浆 系统的良好密封性，提高了管内浆体的饱满度和密 实度；灌浆过程连续且迅速，缩短了施工时间。 隧道变形监测中选用的微管为满足气吹要求及 避免对隧道二衬混凝土完整性造成破坏，选用小直 径微管（Φ6mm）且一次性灌浆长度达数百米。灌 浆料的流动性决定了灌浆距离，硬化后水泥浆的密 实性影响应变传递性能，本文采用优化设计的灌浆 料[对内部敷设了传感光纤的微管进行真空灌浆
试验，密实性效果如图4所示
图4灌浆料密实性示意
3.3应变传递有效性分析
传统分布式光纤传感器主要由纤芯、包层、涂覆 层组成。涂覆层的弹性模量与纤芯弹性模量相差很 大（约10倍），同时涂覆层和混凝土基体的弹性模量 也相差较大，致使纤芯感应到的应变与结构实际应 变存在差异。Ansari等l根据剪滞理论首先得到 了光纤传感器的应变传递理论公式，通过有限元分 析验证了上述理论的正确性[），并提出短光纤才出 现基体与传感光纤应变不协调问题。本文提出的分 布式光纤传感器采用在微管内灌入水泥净浆作为黏 结层固定传感光纤，其结构模型及力学模型如图5、 图6所示。
有文献根据剪滞理论并假设各层之间同步 变形，即相邻层之间应变变化梯度接近：
光纤与各中间层不直接受力，光纤传感器端部 为自由端面，得到边界条件为：
并认为各中间层弹性模量相比纤芯、基体的弹 性模量可以忽略，推导得到多层界面应变传递的理 论公式：
张桂生等：基于BOTDA的隧道变形监测技术研究
混凝土工程安全技术交底卡（二）图7应变传递系数沿长度变化
的光纤长度满足要求；当黏结长度为1000mm时， 有90%的光纤长度满足要求；当黏结长度为 1500mm时，有93%的光纤长度满足要求。气吹 灌浆铺设预埋分布式光纤传感器为全面黏结方式 并布设在二衬混凝土内部，因此能有效将结构应变 传递到纤芯上
预埋分布式光纤传感器为多层界面传递模型， 该模型中水泥净浆填充层的弹性模量和纤芯及基体 材料的弹性模量相近，因此结构应变传递到纤芯时需 考虑各中间层的弹性模量。本文依据上述过程，考虑 了各中间层弹性模量对应变传递的影响，推导得到光 纤传感器应变传递的理论公式。纤芯应变和基体应 变之间的关系和式（5）相同参数k由式（7）计算：
².²E r Eg Eg 2r² E
本文将预埋分布式光纤传感器应用于某在建公 路隧道，以对其进行运营阶段整体变形监测。根据 地质勘察报告，该隧道V级围岩长度为148m，地处 雨水丰富的浙江省境内，对其进行整体应变监测是 保证隧道健康营运的重要手段。 为实现隧道整体变形的全面监测，在拱顶、拱腰 及拱脚共5个位置铺设沿隧道全长的光纤传感器。 司时沿拱圈全断面铺设光纤传感器，间距依据不同 围岩类型选择，V级围岩间距5m，IV级围岩间距 10m，Ⅲ级围岩间距20m。该隧道长度达790m， 温度的分布沿隧道长度不同，为得到结构精确的应 变信息，必须考虑应变测量中的温度补偿问题。通 过在应变传感光纤相同位置铺设微管，于其内部气 吹松弛状态下的温度传感光纤，作为BOTDA技术 的温度补偿光纤。隧道微管布置实景如图8所示 图中标记处为预理微管。光纤传感器敷设完成后通 过通信光缆接入中央控制室的BOTDA，由开发的 监测系统可对运营隧道进行实时健康监测。对隧道 异常的变形、温度变化给出预警，并通过远程控制通 知管理部门，同时依据长期的监测数据对隧道健康 状况进行分析诊断。
隧道作为一种半隐蔽工程，其衬砌结构往往存 在变形侵限、裂缝、错台、掉块、坍塌、渗漏水、边墙下 沉等病害江阴陶新璐改造项目eps线条施工方案，影响隧道健康运营。BOTDA作为一种 分布式光纤传感技术，非常适用于隧道衬砌结构的 变形监测和健康诊断，然而将长距离光纤埋入混凝 土内部一直是实际工程应用中的一个难题。本文提 出一种将气吹敷设传感光纤法和真空灌浆固定传感 光纤法相结合的预埋式光纤传感器的铺设方法，并 通过理论推导得出了光纤应变传递的理论公式，验 证了用该工艺铺设的光纤传感器能有效感应结构应 变，同时该方法还具有如下优点： （1）不影响结构物的正常施工。施工单位只需 在施工过程中将微管按预定位置埋设在结构物内 部，而后期气吹、灌浆工序在隧道主体完成后机械化 施工，整个过程对隧道的正常施工影响较小，且光纤 铺设工期短。 (2）易实现温度补偿。传统分布式光纤传感技 术在结构物表面设置瓦余光纤作为温度补偿光纤 不能准确反映混凝土内部温度场。本文通过在应变 光纤相同位置设置微管，并在其内部放置松弛的温 度补偿光纤，可以很好地解决温度补偿问题。 (3）保证监测过程稳定性。光纤表面粘贴法存 在黏结剂老化以及现场施工、隧道后期维护对光纤 干扰大等问题，使得监测系统不能长期稳定工作，而 埋入式光纤传感器受外界因素影响小，可以保证长 期、稳定的监测性能。
公路2010年2月第2期