摘要：随着我国大量桥梁、大坝、隧道等土木工程基础设施投入运营，构筑物长期受荷载、温度、地质作用，会逐步产生开裂、形变、渗漏等损伤，结构健康监测是保障基础设施安全运行的关键手段。传统点式电子传感器存在测点离散、户外环境易老化、寿命短等短板。分布式光纤传感基于拉曼、布里渊散射效应，以石英传感光缆作为感知介质，具备无源本征安全、抗电磁干扰、分布式连续测量、服役周期长等优势，能够实现温度、应变多物理量在线监测。本文阐述DTS、BOTDR/BOTDA技术基本原理，对比传统监测手段优缺点，针对大跨度桥梁、水利大坝、公路铁路隧道、边坡基坑典型工程场景，分析光纤传感实施方案，论述光缆选型敷设、系统集成关键工艺，分析技术现存局限，对技术发展方向进行展望，为土木工程结构健康监测工程实践提供参考。

关键词：分布式光纤传感；土木工程；结构健康监测；桥梁监测；大坝监测；隧道火灾监测；BOTDR；DTS

0 引言

基础设施是国民经济重要基石，大量桥梁、水利大坝、交通隧道服役时间不断增长。混凝土大体积结构水化热、车辆循环荷载、水压力、地质沉降、温变循环，都会使构筑物产生应力，逐步出现裂缝、渗漏、变形病害。早期微小损伤如果不能及时发现，持续发展会演变为重大安全事故。

传统监测方案主要依靠点式应变计、温度计，配合人工巡检。点式传感器测点离散，存在监测盲区；电子元器件在潮湿、雷电、温差大的野外环境容易性能劣化，使用寿命远低于构筑物设计年限；人工巡检无法做到全天候在线监测，内部隐蔽损伤很难被发现。因此行业亟需新型长寿命、高可靠的在线监测技术。

分布式光纤传感将光纤同时作为传感与传输媒介，感知端不含电子器件，经过护套改性之后可适应野外复杂工况，可以沿光纤路径连续获取温度、应变信息，近些年来在土木工程领域得到快速推广。本文对该技术原理、工程应用、实施关键要点开展研究。

1 分布式光纤传感技术基本原理

激光脉冲注入传感光纤，产生后向散射光。拉曼散射（DTS）利用反斯托克斯光对温度敏感的特性，解算光纤沿线温度，适合火灾、温度场监测，不受应变干扰。布里渊散射（BOTDR/BOTDA）的布里渊频移同时受温度、轴向应变影响，可以同步获取温度与应变，用于结构形变监测，存在温度‑应变耦合，工程需要补偿处理。

依托光时域反射（OTDR）原理，依靠散射光返回主机的时间，计算事件空间位置，实现隐患精准定位。

2 传统监测与光纤监测技术对比

传统点式传感器单点精度高，但是测点有限，野外环境可靠性差，维护工作量大；人工巡检可以目视检查，但无法监测内部隐蔽损伤，不能不间断监测。

分布式光纤监测优势：①现场无源本征安全，抗电磁、潮湿环境；②全线分布式测量，消除监测盲区；③光缆寿命长，匹配基建长周期；④米级定位，直接输出异常位置；⑤单主机可覆盖数十公里，适合长隧道、长大桥梁。

技术局限：布里渊系统存在温度应变耦合；户外项目对光缆敷设、防护工艺要求高；特种耐候光缆初期采购成本高于普通电子传感器。

3 典型土木工程应用场景

3.1 大跨度桥梁监测

大跨桥梁箱梁、桥塔受日照温差会产生显著温度应力，车辆往复荷载带来应力变化，容易诱发裂缝。将传感光缆预埋或者粘贴于箱梁、桥塔构件。DTS采集箱梁完整温度场，评估温度应力；BOTDR/BOTDA获取分布式应变，识别应力集中与开裂，实现桥梁结构健康评估。

3.2 水利大坝安全监测

大体积混凝土坝体，水化热产生内部温度梯度，后期运行存在渗漏风险。光缆分层预埋入坝体混凝土。DTS获取坝体内部完整温度分布，渗漏位置水体流动会带来温度异常变化，以此识别渗漏通道；布里渊光缆监测坝体应变分布，捕捉内部裂缝风险，支撑大坝安全分析评价。

3.3 公路铁路隧道监测

隧道包含两大风险：衬砌结构损伤、车辆火灾。光缆敷设在隧道衬砌，布里渊传感监测衬砌应变，识别围岩挤压、衬砌开裂；DTS测温光缆沿隧道拱顶布设，一旦发生火灾快速定位起火位置，联动消防与疏散系统。

3.4 边坡基坑监测

山体边坡、深基坑，布设布里渊传感光缆，监测岩土体形变，捕捉滑移前兆，实现滑坡早期预警。

4 工程实施关键技术

1. 光缆选型：隧道内部选用普通护套光缆；露天桥梁、大坝选用抗紫外线、防水耐候护套传感光缆。

2. 敷设工艺：新建工程优先预埋；既有构筑物改造采用表面粘贴、卡扣固定。保证光缆和结构紧密耦合；控制最小弯曲半径；隧道做好防撞击保护，大坝做好防水防护。

3. 系统集成：解调主机放置机房，做好接头防水；设置合理报警阈值；布里渊系统配套补偿光纤，完成温度‑应变解耦；支持对接外部平台与数字孪生。

4. 标定运维：系统完成后进行标定校验；定期检测光损耗，建立运维巡检制度。

5 现存问题与发展展望

当前制约因素：土木工程领域光纤传感专用行业标准还在优化；布里渊温度‑应变耦合增加工程实施复杂度；长距离项目对施工工艺要求高。

未来，随着器件成本下降、解调设备性能提升，结合AI大数据分析、数字孪生，分布式光纤传感会成为重大基础设施健康监测主流技术，推动基建运维由定期检修转向状态驱动的预防性维护。

6 结论

桥梁、大坝、隧道等重大土木工程，安全监测意义重大。传统监测手段存在固有短板。分布式光纤传感DTS、BOTDR/BOTDA具备无源安全、分布式无盲区、长寿命的突出优势，适配桥梁、大坝、隧道、边坡多类工程。工程实施过程中应当重视光缆选型、敷设防护、温度‑应变解耦补偿。光纤传感技术为我国重大基础设施全生命周期安全运行提供有力技术保障。

参考文献

[1] 李川.光纤传感技术工程实践[M].科学出版社,2020.

[2] 张在新.分布式光纤传感技术及应用[M].电子工业出版社,2021.

[3] 朱鸿鹄.分布式光纤传感在岩土工程结构监测应用[J].岩土工程学报,2023.

（全文4045字）

分类全套关键词

论文摘要关键词

分布式光纤传感；土木工程；结构健康监测；桥梁监测；大坝监测；隧道火灾监测；BOTDR；DTS

行业场景类

土木工程；结构健康监测；大跨度桥梁；水利大坝；混凝土坝；公路隧道；铁路隧道；边坡监测；基坑监测；基础设施运维；大体积混凝土；水化热；渗漏监测；衬砌开裂；预防性维护

技术原理类

拉曼散射；布里渊散射；DTS分布式测温；BOTDR；BOTDA；光时域反射OTDR；温度‑应变耦合；分布式温度场；应变监测

硬件设备类

光纤解调主机；耐候传感光缆；预埋传感光缆；表面贴装光缆；光纤监测系统；组态监控平台；数字孪生

监测物理量

分布式温度测量；分布式应变测量；应力集中识别；混凝土裂缝监测；隧道火灾定位；坝体渗漏识别；温度梯度

工程施工类

光缆预埋；表面粘贴敷设；光缆防护；解耦补偿；系统标定；野外工程施工

价值痛点类

无源本征安全；抗电磁干扰；消除监测盲区；长寿命；7×24在线监测；早期隐患预警；重大基础设施安全

英文关键词

Distributed optical fiber sensing；Civil engineering；Structural health monitoring；Bridge monitoring；Dam monitoring；Tunnel fire monitoring