光纤传感器在云南高速公路隧道中的应用

云南航天新技术工程有限公司

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Fiber Optic Sensors Applied in Highway Tunnel of Yunnan

Yunnan Aerospace New Technique Engineering Ltd.

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1. 引言

西部大开发战略的实施为西部特别是云南省的发展提供了良好的机遇，作为经济发展的先行产业，公路交通建设得到了迅猛地发展。随着高等级公路向西部延伸，新世纪前10年中，将有总长155 km以上的公路隧道将要投入建设。云南的公路肩负着建设“东南亚国际大通道”的重任，经过十年的投资建设，云南省纳入国家统计里程的公路已达164000 km，位居全国之首，其中高速公路已达750公里。特别是1999年以来，公路建设投资额年均达到100亿，公路建设的规模、等级和建设难度在西部各省名列前茅。

在山区建设高速公路，由于技术的要求，必然要采用隧道来穿山越岭。因此，在云南建设的山区高速公路，桥隧比例非常高。然而，云南地质条件复杂，需要采用有效手段对隧道结构进行实时监控和预警，以确保公路的畅通和运营安全。

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项目获云南省省院省校项目（）、云南省中青年学术与技术带头人后备人才（）、昆明市中小企业创新基金（）、和云南省交通厅科技项目（）的资助。

2. 光纤智能结构的传感技术

智能材料[1]（Intelligent Materials）是模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。智能材料来自功能材料。功能材料有两类：一类是对外界（或内部）的刺激强度（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知的材料，通称感知材料，用它可作成各种传感器；另一类是对外界环境条件（或内部状态）发生变化作出响应或驱动的材料，这种材料可以作成各种驱动（或执行）器。智能材料是利用上述材料作成传感器和执行器，借助现代信息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而作出灵敏、适当的反应，当外部刺激消除后又能迅速恢复到原始状态。这种集传感器、驱动器和控制系统于一体的智能材料，体现了生物的特有属性。若把智能材料植入工程结构中，就能使工程结构感知和处理信息，并执行处理结果，对环境的刺激作出自适应响应，使离线、静态、被动的检测变为在线、动态、实时、主动监测与控制，实现增强结构安全、减轻质量、降低能耗、提高结构性能等目标。这种工程结构称为智能结构（Intelligent Structures）[2]。

虽然，智能结构的研究最初是受美国国家航空航天局（NASA）支持，比如：“预测计划II”计划，并以飞机应用为目标开始，但，目前，美国各军事研究部门，如海军研究署（ONA），空军科学研究署（AFRD），陆军研究署（ARD），国防高级研究项目局（DARPA），以及美国国家科学基金会（NSF）等政府部门，都对智能结构表现极大兴趣，给予强力支持，其应用扩展到潜艇、坦克、空间站以及各类武器系统。同时，加拿大、英国、法国、德国、意大利、日本等科技发达国家，也倾注了极大热情，在国际上形成了智能材料系统与结构这一崭新的研究领域。其应用领域也从军事应用扩展到诸如智能建筑、智能水利、智能公路、智能桥梁、智能机器人结构、智能康复工程等民用领域[3~5]。

由于光纤细径，柔韧，质轻，具有优良的可埋入性，能集信息传输与传感于一体，便于实现分布式传感或多点传感器复用，宽频带与高的数据传输率，以及抗电磁干扰，固有的安全性，耐高温，抗腐蚀等优良的特性，是智能结构首选的信息传输与传感的载体[5, 6]——光纤智能结构。与光纤智能结构有关的技术及关系如表1所示。

表1 与光纤智能结构相联系的技术

光纤智能结构 系统结构 信号处理 多路复用 光纤传感器 光纤材料 相关技术 状态监测，性能监测，损伤控制 电，光，多通道，多传感 TDM，WDM，FM，相干，偏振，耦合器，星型 应变，温度，振动，声，电磁场，转动，加速，构造，兼容性 光纤涂层，联结器，定向，材料，衰减，石墨，环氧树脂，聚酰亚胺，肽，铝，陶瓷，碳-碳 对以光纤作为智能材料的系统——即光纤智能结构而言，其基本功能是：（1）感知结构内外部环境条件；（2）将信息传送回光电信号处理器；（3）根据感知到的信息作出反应。

3. 光纤传感技术在云南高速公路隧道中的应用

云南的公路肩负着建设东南亚国际大通道的重任，然而，云南省盆地河谷（~6%）、山地（~84%）、丘陵高原（~10%）相间分布，独特的立体气候类型（气候要素的垂直变化显著），位于亚欧板块与印度板块碰撞带的东缘附近（地震活动频繁和强烈），这些复杂的地形、地貌、地质、水文、气候等条件，决定了云南省在公路建设和运营过程中病害的多发性和监测的必要性、急迫性。在这样的情况下，传统的传感技术（如：电阻应变片和钢弦尺等）已难以完全胜任。因此，新型光电检测技术的研究就非常急迫，同时，在研究与应用过程中，云南的地理条件为其提供了天然的、复杂的实验场所，以及苛刻的测试条件。

云南省的第一座光纤监测隧道为白泥井3号隧道，该隧道位于功山至待补二级公路10合同腰店子段K83+580~K84+555之间，全长975米。隧道出口端K84+500~K84+555段位于一古滑坡体上，在对古滑坡处理后进行出口端正洞的开挖过程中基础出现下沉，下沉达40~60 cm，拱顶变形，侧壁位移，初衬被破坏，严重影响了隧道的质量和施工安全。受区域构造影响，隧道区域内次级构造发育，围岩破碎，节理裂隙发育，风化严重，强风化层最厚处达70 m。因此，我们选取了如图1所示的光纤纵向剖面布置图和如图2所示的光纤横向剖面布置图。

图1 隧道的光纤纵向剖面布置图

图2 隧道测量的横向剖面布置图。

光纤传感器的布设为2003年11月14日进场，2003年12月8日收工，完成了全部现场十个断面的光纤传感器布设工作。2003年12月15日~2003年12月20日，完成了将光纤传感数据从隧道引入观察室的光缆布线工作。施工现场参见图3。

图3 施工现场，包括：光纤熔接，传感器的安装，光缆分配，和光纤传感布设图。

4. 结论

光纤细径，柔韧，质轻，具有优良的可埋入性，能集信息传输与传感于一体，便于实现分布式传感或多点传感器复用，宽频带与高的数据传输率，以及抗电磁干扰，固有的安全性，耐高温，抗腐蚀等优良的特性，可克服以上长期困扰传统传感器应用的因素。因此，采用光纤传感技术对公路隧道进行监测，具有广泛的社会效益和巨大的经济效益：对运营中的隧道由于及时诊断与维修，防患于未然，可节省大量的经费，缩短工期，提高山区公路的通畅时间比率；对施工中的隧道，可有效地查清病害原因，制定合理的治理方案，节省经费，缩短工期，保证质量。

参考文献：

[1] C. A. Rogers, Intelligent material system – the down of a new material age, Journal of

Intelligent Material Systems, 1992, 4(1): 4-12.

[2] R. Robison, Smart structures, Civil Engineering, 1992, 62(11): 66-68.

[3] Chuan Li, Yi-Mo Zhang, Tie-Gen Liu, Xin Li, and Xi-min Cheng, Distributed Optical Fiber Bi-directional Strain Sensor for Gas Trunk Pipelines, Optics and Lasers in Engineering, 2001, 36: 41~47.

[4] 李川，张以谟，丁永奎，光纤智能结构的传感研究，飞通光电子技术，2001，第1卷第4期，193~197。

[5] Chuan Li, Xin Li, and Yu Sun, Research of fiber Bragg grating sensors in dead load test of RC girders, 土木工程学报，2004（已录用）

[6] 李川，光纤传感技术评论，光纤通讯新产品，2003，10：27~32。光纤新闻网http://www.opticfibernews.com；中国通信网http://www.c114.net.cn；江苏省通信行业协会http://www.jscia.cn等。

作者简介：

李川 男，1971年生，2002年毕业于天津大学光学工程专业，获工学博士学位。2002年9月18日，荣获2001年度的中国光学学会王大珩光学奖。近年来，主持或参与了10项科研课题，在国内外学术刊物及学术会议上发表学术论文40多篇，其中SCI收录2篇，EI收录10篇。目前的主要研究方向为光纤传感器及其在土木工程中的应用研究。