用于巷道沉降变形监测的光纤锯齿状布设技术与原理

矿山巷道、交通隧道等工程的顶板沉降变形监测是不可缺少的安全保障手段之一,现有的直线分布式光纤布设技术监测巷道沉降变形存在灵敏度较低的问题。将光纤沿巷道顶板的纵向铅垂平面布设成锯齿形状,构建相应的计算模型,给出具体的布设参数,获得了基于AV6419型号的光纤应变测试仪的监测精度和量测范围。试验结果表明,将光纤由直线式布设改变为锯齿状布设时不仅满足分布式光纤传感技术对于提取大范围测量场分布式信息能力的要求,而且通过巷道纵向分布式光纤的布设实现了监测巷道径向变形(如顶板沉降)的目的。计算模型监测的灵敏度相比于直线式有大幅度提高,为基于BOTDR技术的分布式光纤传感技术的应用与推广提供了新的方法和思路。     

基于分布式光纤应变传感技术的隧道沉降监测研究

隧道沉降是评估隧道结构安全性和稳定性的重要指标,通过分布式光纤监测技术,可以获得被测部位的应变分布情况,但不能直观地反映出隧道各个部位的沉降量大小。提出了基于分布式光纤应变的隧道沉降反演模型,将光纤应变曲线和隧道沉降曲线联系起来,并通过理论推导、数值模拟、室内试验,验证了模型的可行性。通过北京轨道交通新机场线07标暗挖区间分布式光纤监测项目,对隧道临时支护的破除阶段进行了监测,获得了不同工况下隧道拱顶处的应变曲线,并借助提出的隧道沉降反演模型,对隧道拱顶沉降进行了计算,计算结果和现场实测结果能够较好的吻合,其误差可以满足工程需要。研究结果可以为分布式光纤传感技术应用于隧道沉降监测提供理论与试验基础。     

定点式布设光纤在隧道结构健康监测中的预拉应变损失研究

基于布里渊光频域分析(BOFDA)的分布式光纤监测技术已在岩土工程领域得到初步应用。应变监测结果显示:将光纤进行预拉布设后,随着时间的推移,光纤预拉段会产生一定的应变损失。应变损失的产生主要是由光纤的疲劳特性所造成的。显然,光纤因疲劳产生的应变损失对于工程监测是极其不利的,在实际监测中需要将其剔除。针对分布式光纤监测技术,选取HY料新型紧套应变光纤、聚氨酯紧套光纤2种应变光纤,在实验室进行了点固定式预拉布设(10 000×10~(-6)),并进行了8个月的应变损失监测。对比分析2种光纤的预拉应变损失的差异,获得了光纤应变损失随时间的变化规律,以及预拉状态下的光纤在温度和湿度升高状态下应变损失的速率变化。研究了运用分布式光纤监测技术进行隧道变形监测的点固定式预拉布设方法,可为工程应用提供理论基础和施工指导。     

用于隧道变形监测的分布式光纤定点式布设监测误差测定研究

使用分布式光纤进行隧道变形监测,当采用定点的方式来固定传感光纤时,为了更灵敏地感测隧道变形,需要对锚固点之间的应变光纤进行预拉处理。在进行预拉的同时,光纤内部产生一定量预拉应变值,试验表明,施加不同的预拉量对该光纤的监测结果会产生一定的影响。为了减小光纤监测的误差,提高光纤的监测精度,根据感测光纤的应变特性、力学特性设计了光纤的张拉试验方案、构建了试验系统,进行了不同初始预拉值下的光纤张拉试验。通过对监测数据计算与分析,获得了两种特制传感光纤的最佳初始预拉值。结合以上研究成果,在北京市地铁8号线三期工程大红门桥站-和义站区间采用定点方式布设了传感光纤进行了监测。该研究结果可以为结构健康监测工程中传感光纤的布设问题提供参考。     

FBG-BOTDA联合感测管桩击入土层模型试验研究

管桩施工过程中常出现桩身裂缝、爆桩等病害。将具有实时动态监测功能的布拉格光纤光栅（FBG）准分布式光纤传感监测技术和具有分布式监测功能的布里渊散射光时域分析技术（BOTDA）联合应用到管桩打入过程中的监测,提出了分布式光纤传感技术数据处理方法,设计了管桩打入过程的模型试验。试验结果表明,FBG传感技术能够较好地动态监测打入过程中桩身应变变化特征,反映桩身不同部位随不同深度应变变化规律;BOTDA分布式光纤传感技术能够较好地监测管桩在打入过程中暂停（接管）状态下桩身应变变化特征;根据应变变化分析管桩受偏心荷载程度,分析管桩是否出现裂缝、破坏等病害,研究管桩打入过程中桩土作用规律。试验结果还表明,FBG联合BOTDA光纤监测技术在管桩打入过程中监测管桩质量具有广阔的技术优势和应用前景。     

分布式布里渊光纤传感技术在海堤沉降监测中的应用

阐述了海堤沉降长期在线监测的重要性,介绍了利用分布式布里渊光纤传感技术（布里渊光纤应变仪BOTDR）对上海临港新城海堤k3+640和k3+780两个断面进行长期监测的系统设计、实施和监测结果。通过对k3+780断面光纤传感数据和水准观测数据比对表明,最大应变位置与现场冲泥管带位置吻合;计算得到了断面沉降分布,其趋势和现场情况以及水准测量结果吻合;5个原位观测点上最大偏差为94 mm,平均偏差为39.2 mm。     

分布式光纤监测技术在三峡库区马家沟滑坡中的应用

针对传统感测技术的不足,本文开展了滑坡分布式光纤感测技术(DFOS)研究。对当前主要的几种DFOS技术及其相关原理做了简单的介绍,重点阐述了分布式传感光纤在三峡马家沟滑坡的布设方式。根据马家沟滑坡的工程地质环境特点,在抗滑桩内布设应变和温度感测光纤;沿坡体走向,采用直埋和定点相结合的方式开槽植入感测光纤;沿坡体纵向,在不同高程设置光纤综合监测孔,将分布式感测光纤粘贴于测斜管外壁和直埋于测斜孔内,同时在孔内布设FBG准分布传感器。监测结果表明:各类应变传感光纤均有效识别和定位了边坡表面变形的异常位置,证明了DFOS技术应用于滑坡监测的优越性。     

基于BOTDR的光纤应变与顶板沉降变形关系的模型构建与试验研究

可以实现分布式、长距离、实时监测的BOTDR监测技术已在土木工程领域得到了较为广泛的应用,但在岩土工程领域的应用研究起步较晚,相关技术还有待于进一步完善。以布里渊BOTDR的巷道/隧道应变监测技术为基础,研究了沿巷道轴向进行一维布设的光纤应变测量值与隧道顶板沉降变形之间的关系。首先,根据巷道/隧道顶板的变形规律,建立了光纤沿巷道/隧道轴向发生的应变与巷道/隧道顶板的沉降变形之间的数学模型,即圆弧模型、抛物线模型和三角形模型。其次,对巷道/隧道顶板的沉降变形与光纤应变之间的关系进行了试验研究。对比分析表明,理论计算值与试验值具有很好的一致性。利用圆弧模型、抛物线模型和三角形模型等3个计算模型,可以将光纤应变与顶板沉降联系起来,这对于BOTDR技术的应用与推广具有重要的理论意义和工程实用价值。     

边坡变形的分布式光纤监测模拟试验研究

布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)作为一项新型光电传感监测技术,因其具有良好的抗干扰、长距离、可植入性和分布式监测的特点而被广泛应用于结构工程健康监测中。而直接将光纤布设在土体中则存在变形协调性差、易折断及空间定位难等问题。本次研究通过室内小比例尺模型试验,分别将光纤植入土工布和土工格栅等柔性复合材料中并一起铺设在边坡模型不同深度处,利用BOTDR监测边坡在外荷作用下的变形特征。试验结果表明,布设在土工格栅中的光纤稳定性最好;土工布中的光纤变形协调性和敏感性优于土工格栅;通过合理布置光纤能够对异常应变进行较为准确的识别和定位。试验初步验证了该方法应用于土质边坡变形监测的可行性。     

地质和岩土工程光电传感监测研究进展及趋势第五届OSMG国际论坛综述

第五届地质(岩土)工程光电传感监测国际论坛于2014年10月在南京大学成功举办。本次论坛显示,国内外地质和岩土工程光电传感监测领域的研究工作取得了以下一些进展:(1)光电解调技术不断进步,解调精度、稳定性不断提高,一些新型的技术如微弱FBG拉丝塔技术被开发出来; (2)国内外都研发了大量的适用于地质与岩土工程监测的光纤传感器,基本上覆盖了工程监测领域的各种需求; (3)光电传感器的性能测试和布设工艺成为研究热点; (4)基于光电传感器的健康诊断和监测理论日益成熟; (5)光电传感监测技术的工程应用领域越来越广阔,在边坡工程、隧道工程、采矿工程、基坑工程、道桥工程等领域发挥了越来越重要的作用。未来的研究建议包括以下几个方面:(1)高性价比的分布式光纤传感解调技术的研发; (2)适合于地质、岩土工程分布式监测的光纤传感器的研发; (3)适应恶劣地质环境的分布式光纤传感器布设工艺研究; (4)海量监测数据的实时处理、误差分析和异常识别; (5)海量监测数据传输技术的开发; (6)基于分布式监测的地质灾害预警和岩土工程安全评估理论研究。     

地质和岩土工程分布式光电传感监测技术现状和发展趋势第四届OSMG国际论坛综述

第四届地质(岩土)工程光电传感监测国际论坛显示了国内外地质和岩土工程光电传感监测领域研究工作的以下几个特点:(1)理论研究不断加强,出现了一系列新的基础性研究成果; (2)开发出越来越多的适用于地质和岩土工程监测的新型传感器,这些传感器在精度、稳定性、可靠性、可集成性等方面具备了独特的优势; (3)分布式传感技术在地质灾害与岩土工程安全监测方面的应用日益增多,已开发出一些针对具体工程的监测系统; (4)全分布式和准分布式光纤传感技术已逐渐渗透到水利水电、交通、消防、电力、国防等相关行业,技术标准、监测规范的制定进一步受到重视。未来的研究建议包括以下几个方面:(1)研发具有优越性能价格比的全分布式光纤传感解调技术; (2)特种地质和岩土工程光纤传感器及其现场安装工艺的研究; (3)海量分布式光纤感测数据的传输和处理技术; (4)基于分布式监测技术的地质灾害预警和岩土工程安全评估理论和方法研究。     

深圳市龙岗中心城岩溶塌陷光纤传感监测研究

岩溶塌陷具有的突发性、隐蔽性、不确定性,使其监测、预警预报问题一直未解决。通过多年的研发,光纤传感器监测技术已成为当今最为先进的岩土变形现场监测技术,特别是BOTDR技术,它的分布式、长距离、远程实时监控以及光纤耐久性好的特点正好弥补了传统监测技术的不足。目前光纤传感技术在岩溶塌陷（沉陷）灾害的监测上开展工作较少,本次工作主要目的为利用光纤传感技术实时监测岩溶塌陷。     

分布式布里渊光纤传感技术在工程安全监测的应用

工程安全监测是通过对工程本体及其周边环境进行实时、在线监测,分析其稳定性,并对工程安全进行预警。相对于电子传感系统,分布式光纤传感技术具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和准确性等,可满足工程安全监测和早期预警的要求。以基坑测斜和隧道涵洞变形监测为例,介绍了依据布里渊频移原理和分布式光纤传感器技术在安全监测方面的应用。结果表明:分布式布里渊频光纤技术能够分别准确地反映基坑工程的变形情况和地铁涵洞顶部的岩层应变,是一种比较理想的工程安全监测方法。     

基于温度测量的分布式光纤渗漏监测技术机理探讨

在简述分布式光纤传感技术测温原理的基础上,从三维微元体传热过程出发,推导了具有渗漏和内热源的多孔介质传热微分方程,给出了基于温度测量的分布式光纤渗漏监测技术的不同监测方法的监测方程。最后,从持续线热源的角度,阐述了分布式光纤监测渗漏的基本原理     

地面沉降钻孔全断面分布式光纤监测技术

本文介绍了一种钻孔全断面分布式光纤监测技术,可以获得地面沉降过程中多场多参量数据,实现钻孔全断面的精细化监测。阐述了钻孔全断面分布式光纤监测技术的概念,并重点介绍了该技术涉及的传感光缆和传感器选择、钻孔回填材料、光缆-土的耦合性评价和光缆及传感器植入方法等关键技术。在此基础上,构建了钻孔全断面光纤监测系统。最后,结合苏州盛泽地面沉降光纤监测案例,介绍了钻孔全断面光纤监测过程和技术特点。     

面向地面沉降长期自主监测的分布式光纤物联网系统

地面沉降具有变化缓慢、趋势多变和范围广等特点。当前的传统测量法(包括水准测量、基岩标和分层标测量等)和InSAR、GPS等主要方法的监测存在不持续、分辨率低、不适应高动态及监测精度有限等缺陷,无法满足高精度、长期自主持续监测的发展要求。集信息采集与传输为一体的分布式光纤传感技术,具有沿光纤链路一维空间连续感知和传输外界信号的特点,且无需外部供电和不存在检测盲区,为地面沉降的大范围、长期持续监测提供了新方法和新途径。本文通过深入分析各种典型的地面沉降与分布式光纤传感技术,提出基于分布式光纤传感物联网、大数据和云计算的系统架构,对地面沉降过程中发生的温度、应力等物理变化进行监测,并将持续的监测数据上传云计算平台,再通过深层的数据挖掘与分析,研判沉降机理和沉降规律,可以对地面沉降进行及时和广泛的预测。     

地质和岩土工程光纤传感监测技术综述

光纤传感器与常规传感器相比具有很大的优越性,已经成为地质和岩土工程监测领域中的研究热点。本文介绍了光纤传感监测系统的种类、基本测量原理和目前国内外的研究发展状况,并对各种传感技术的性能和特点进行了比较,指出了光纤传感监测技术应用于地质和岩土工程监测尚需研究的相关课题。     

基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统研究

BOTDR是一种新型的分布式光纤传感监测技术,其分布式、高精度、长距离、实时性、远程控制等特点,已逐渐受到工程界的广泛关注。本文结合工程实践中遇到的具体问题,研发了一套基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统,讨论了系统的设计要求。并结合某隧道BOTDR监测工程实例,开发了一套相应的监测数据管理系统。该系统集工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化、监测信息的对比查询等功能于一体,是一套集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。     

地质和岩土工程光电传感监测研究新进展——第六届OSMG国际论坛综述

第六届地质(岩土)工程光电传感监测国际论坛于2017年11月3~5日在南京大学顺利召开。本届论坛主题为"基础设施监测技术前沿及应用",共设置了35场特邀报告,来自近20个国家和地区的350余位代表参会。本届论坛显示,近几年来国内外地质和岩土工程光电传感监测领域的研究工作又取得了很多新进展:(1)光电感测解调技术不断成熟和完善,监测信噪比、空间分辨率等指标也突飞猛进;(2)国际上出现了一系列适用于地质与岩土工程监测的新型光电传感器,如聚合物光纤土工织物等;(3)光电传感器及其监测系统成为保障隧道、堤坝、核电站、桥梁等基础设施安全运营的有力工具,为这些设施的健康状态诊断和损伤识别提供了数据支撑;(4)光电传感监测技术在地质灾害监测预警中扮演了越来越重要的角色。未来的研究热点主要集中于3个方面:(1)高性价比的分布式光纤传感解调技术的研发;(2)匹配地质和岩土工程监测需求的新型光纤传感器及其布设工艺的研发;(3)基于人工智能的监测数据处理和灾害预警系统的开发。     

植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究

为探究植入式光纤传感器与隧道衬砌的应变传递的边界效应,分别从理论、试验和现场应用3个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤在混凝土衬砌中的应变传递模型,进行光纤应变传递机制分析,计算了光纤应变传递效率,并与数值计算结果对比,验证了力学计算模型的准确性。使用钢筋混凝土梁模拟隧道的混凝土衬砌,在其表面植入分布式光纤,进行了2组试验。对试验梁进行分级加载并使用BOFDA技术对光纤进行测试。试验结果表明：植入式光纤传感器存在边界效应,结构两端为光纤的低效率应变传递区,不能完全传递试验梁的应变;试验梁中部为光纤的高效率应变传递区,能够完全传递试验梁的应变。基于以上研究成果,在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间,采用植入式工艺在隧道衬砌内布设了分布式光纤传感器,进行了工程应用研究。监测结果表明,边界效应对工程监测结果影响很小,分布埋入式光纤布设工艺是可行的。该研究可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供参考。