朱鸿鹄，施斌 (南京大学地球科学与工程学院 南京 210023)
《工程地质学报》 2015年02期
1 引 言
2014年10月12～14日，第五届地质（岩土）工程光电传感监测国际论坛（5th International Forum on Optoelectronic-Sensor Based Monitoring in Geo-engineering, 5th OSMG-2014）在南京大学仙林校区举行。本次论坛由南京大学主办，国家自然科学基金委等10家单位协办，南京大学光电传感工程监测中心和南京大学（苏州）高新技术研究院联合承办。
2005年11月，在国家自然科学基金委的资助下，南京大学施斌教授发起建立了地质（岩土）工程光电传感监测国际论坛系列会议。截止现在，该系列会议已成功召开了五届，均由南京大学主办，参会人数和参会国家、地区数越来越多（见图1），内容一届比一届丰富，国际知名度也日益提升，已成为该领域重要的国际交流平台。
2 会议基本情况
本次论坛共有203位国内外专家学者参加。参会代表来自于中国、美国、英国、德国、日本、韩国、意大利、奥地利、西班牙、瑞士、马来西亚、香港、台湾等13个国家和地区。国家自然科学基金委地球科学部姚玉鹏博士，国际智能基础设施结构健康监测学会（ISHMII）主席Wolfgang R. Habel博士，前国际工程地质协会（IAEG）副主席、中国工程地质专委会主任黄润秋教授，南京大学副校长潘毅教授以及系列论坛组委会主席施斌教授分别在大会开幕式上致辞。英国皇家工程院Kenichi Soga院士，中国科学院宋振骐院士、陈祖煜院士，中国工程院欧进萍院士等一批国内外著名学者出席了本次论坛。
本届会议共收到论文投稿90余篇，录用86篇，其中英文论文60篇，中文论文26篇。会议论文的内容涉及光电传感监测技术的最新进展、新型光电传感解调技术、光电传感网络的数据采集与无线传输技术、光电传感监测中的温度补偿与异常识别技术、分布式光纤温度监测的关键技术、光纤传感器现场布设和数据传输解决方案、基于光电传感技术的地质灾害监测与预警系统、地质灾害特种光电传感元件的研发、地质灾害光电传感网络的布设与安装工艺、地质灾害光电传感网络的集成技术、地质灾害中岩土体大变形的监测技术、崩塌、滑坡和泥石流灾害监测与预警、地面沉降和地裂缝监测与预警、轨道交通和基础设施建设引发的地灾问题及监测方案、地质灾害监测与预警工程应用实录等十五个方面。
本次论坛无论从规模还是成效上都比前四届论坛有了很大的提高。论坛围绕“地质灾害监测与预警”这一主题，共举行了64场报告，其中包括19场特邀报告和36场口头报告，另外组织了3场讨论会和1场专题研讨会，报告的数量和质量均创历届会议最高。国内外的参会代表们就本领域中的最新研究成果、热点、难点课题进行了热烈的讨论和交流。本次论坛出版了558页的会议论文集；通过严格的评选程序，选出了10篇优秀论文奖和6个最佳海报奖；会前举行了为期1天的光纤传感技术短期培训班，来自于国内外的76位学员参加了本次培训；苏州南智传感科技有限公司等6家企业到会参展，并举行了新产品发布会；论坛授予F. Ansari等7位国际著名学者“杰出贡献奖”，以表彰他们在推动光电传感监测技术应用于地质与岩土工程领域的贡献。
3 国内外研究进展
从本次论坛的大会报告及论文集中可以发现，当前一个时期，以光纤传感为代表的分布式监测技术已经进入一个蓬勃发展的历史阶段，不仅在基础研究方面取得了一些重要的进展，而且在工程应用方面已得到了西方主要发达国家的广泛认可和持续关注。主要的研究进展包括以下几个方面。
3.1 新型光电传感监测技术的研发
目前国际上应用比较多的光电传感技术包括：基于自发和受激布里渊散射原理的全分布式光纤传感时域技术（BOTDA和BOTDR）、基于拉曼背向散射原理的全分布式光纤传感时域和频域技术（ROTDR和ROFDR）、基于瑞利散射的全分布式光纤传感技术（如OTDR、OFDA）以及基于光纤布拉格光栅（FBG）的准分布式光纤传感技术等。近几年来，一些新型的传感技术先后被研发出来，如基于自发和受激布里渊散射原理的全分布式光纤传感频域技术（BOFDA和BOFDR）、基于自发和受激布里渊相干域技术（BOCDA和BOCDR）、基于瑞利散射的偏振光时域分析的POTDR技术[1]。其中BOFDA、POTDR解调设备已经逐步实现了商品化，未来必将在岩土监测中发挥越来越重要的作用。同时，随着越来越多的单位（包括41所等国内单位）加入对BOTDA和BOTDR等的研发，商业化解调仪器的精度、稳定性等性能指标大幅提高；相关设备的生产规模不断扩大，生产成本随着时间持续降低，也在另一方面大大促进了这些技术的推广应用。
本次论坛上，武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室研究员、楚天学者特聘教授杨明红博士介绍了一种光学传感的前沿技术：微弱FBG拉丝塔技术。他们就拉丝塔在线制作FBG传感器的方法及装置进行了系统的研发，目前可以制成多达1000个的FBG串，传输距离可以达到1000km。该类传感器无需熔接，传输损耗低、读数频率高，非常适合于温度和振动监测；相对传统的相位掩膜板技术，由拉丝塔技术制成的传感器抗拉强度提高了5倍。这一技术彻底解决了现有FBG技术的存在的价格高、串联数量少、传感器容易损坏等限制。
3.2新型光电传感器的研发
西班牙Cantabria 大学光学工程系主任López-Higuera教授介绍了基于光学技术的新型光纤传感器研发的最新动向[2]。这些光学传感器在公路路面、锚杆支护、轨道交通工程等一系列项目中得到了广泛的应用。此外，它们还被成功地应用于锅炉结构损伤探测、火车车轮的损伤检测、深海Mg/Ca相对含量检测等新领域。
上海交通大学教授、“千人计划”专家何祖源博士研发了一种全新的用于地表变形监测的FBG光纤传感器，并实现了纳米级的超高应变分辨率。这种传感器已在日本被应用于地表变形监测，并成功探测到潮汐对地表变形所产生的作用。
德国联邦材料测试研究院（BAM）W. Habel博士课题组近年来致力于滑坡光纤监测系统的研发[3]，先后开发了两种埋入式光纤传感设备，其中一种是用于光路长度测量的ILM传感器，另一种是基于FBG技术的可监测滑动区位置和滑动方向的GeoStab传感器，如图2所示。他们已成功地将这两种传感器安装在30m深的钻孔中，并采用特殊的Weimarer Bodenmörtel材料进行灌浆。该系统采用太阳能供电，监测结果可以自动采集，因而大大减小了现场监测的困难。在实际工程中，光纤监测结果和测斜仪读数较为吻合，可以精确地捕捉到边坡的滑裂面位置。
美国MCH Engineering 公司总裁Alexis Méndez博士做了题为“光纤布拉格光栅岩土监测技术回顾”的综述报告。他从岩土工程传感器的分类说起，分析了光纤传感器的独特优势。他指出，FBG的封装方式分为黏贴式、焊接式和埋入式；FBG技术已广泛应用于欧美国家的桩基、挡土墙、隧道、滑坡、地震等监测；国际上已出现了数十家知名的光纤传感器制造商，他们相继推出了应变计、温度计、位移计、裂缝计、土压力计、加速度计、引伸计、孔隙水压力计、倾角计、测斜仪、沉降仪、静力水准仪、土工布应变计等一系列产品，完全可以满足岩土工程和地质工程项目的各项监测需求。
南京大学施斌教授团队近十年来一直从事地质与岩土工程光纤监测的研究，在研究深度和广度方面处于国内领先水平。他们最新研发了用于边坡多场信息监测的一系列光纤传感器，如基于C-DTS 的土壤含水率和渗流传感器，基于FBG的渗压计、水位计、土压力盒、轴力计、静力水准仪，基于BOTDR和BOTDA的边坡测斜仪、埋入式应变传感光缆、埋入式温度传感光缆、FRP封装应变传感光缆、金属基片式应变传感光缆、金属索状应变传感光缆等[4-5]。针对地质灾害监测的特点，这些传感器在结构选型、设计和封装等各个方面均经过了反复的优化甄选，并通过了严格的室内标定，以保证其工作性能。
台湾交通大学黄安斌教授在新型FBG岩土传感器方面取得了多项进展。近年来他们基于FBG技术，相继研发出了旁压仪、孔隙水压力计、位移计、轴力计等。在室内试验和现场测试中, 这些传感器显示出它们具有精度高、抗干扰等特点，因而比传统技术更加可靠、稳定。
3.3光电传感器性能测试和布设工艺研究
韩国国家标准及科学研究院的Il-Bum Kwon研究员做了题为“基于FBG 的复合材料最大拉应变监测研究”的报告，介绍了FBG应变传感器在CFRP材料结构完整性检测中的应用[6]。他们的研究把应变视为损伤探测、定位、定量和预测的关键监测指标，采用表面黏贴和夹具定点固定两种方式将FBG传感器安装在复合材料上。通过多组反复加卸载试验，他们发现定点固定式的安装工艺在监测残余应变方面更有优势。
分布式光纤监测技术在大范围、长距离监测岩土体变形方面具备非常大的优势。瑞士Marmota Engineering有限公司总裁Michael Iten博士研发了一种埋入式的光纤轴向应变传感器。他首先通过室内试验和现场应用，分析了一维、二维和三维地基变形监测的可行性。他指出，将分布式监测技术用于地基沉降监测，可以用很低的成本得到5倍于传统技术的监测信息；光纤在进行轴向应变监测时，具有很好的可靠性；传感光纤可以精确探测到土体发生的垂直于光纤布设方向的横向位移；对于土体的三维变形，光纤监测结果具有一定的误差，其原因在于从应变到位移换算时误差会累积。
工程实践表明，埋入式传感光纤及其护套材料与被测岩土体之间的变形耦合性会对监测结果产生显著的影响，该问题一直制约着光纤感测技术在地质灾害监测中的推广和应用。南京大学朱鸿鹄博士提出了一个用于描述分布式传感光纤和岩土界面应力传递和变形协调的理论模型，并用室内拉拔试验验证了这一模型的有效性[7-8]。在此基础上，他们分析了上覆压力对峰值拉拔力、残余拉拔力、有效拉拔位移和残余拉拔位移的影响。相关的结论揭示了传感光纤－土界面的力学特性和应力传递规律，为分布式光纤传感技术在岩土体变形监测中的应用，尤其在变形监测光纤的选用标准方面，提供了参考依据。
3.4基于光电传感器的健康诊断和监测
城市地下管线的监测和健康状态评估是国际上一个热点的研究问题。香港理工大学倪一清教授课题组建立了一个地下水管结构完整性的光纤光栅监测网络，如图3所示。他们把FBG温度传感器、应变传感器和压力传感器安装于地下水管中[9]。他们经过室内试验、现场测试，成功地发现了水管结构的异常和局部缺陷，在此基础上他们提出了三种水管损伤的识别模式。
美国加州大学圣地亚哥分校Michael D. Todd 教授一直从事复合结构健康监测技术的研究[10]。他们采用埋入和表面黏贴等方式，将商业化的FBG传感器安装在复合材料制成的矩形薄板上（见图4），并测试了潮湿环境对光纤读数的影响。通过加载试验得到了各个传感器在不同工况下的读数，对其进行了时域和频域分析，由此建立了复合锚杆轴承的损坏诊断方法。
日本茨城大学吴智深教授课题组针对目前结构健康监测中的难点问题，提出了大型结构区域分布式传感的监测方法、概念和理论，并进行了应用。他们提出对结构的各关键区域实现分布监测，研发了相应的一专多能传感技术，建立了直接利用传感数据实现结构性能全面分析和评估预测的理论体系，开发了相应的系统搭建方法；他们结合FBG和BOTDA技术，进行局部和整体相结合的综合监测；建立了基于区域传感的模态分析理论，全面代替加速度体系，并从根本上解决了基于加速度的动力分析不能精确反映局部的瓶颈；建立了基于区域传感进行大规模复杂结构各项参数的反演方法，通过时频域结合，实现了复杂结构仅利用单种区域传感技术进行性能全面识别的重大突破，针对各类结构特点，建立了异常分析、性能评估和预测的三层次评估方法，首次设计开发了针对单体结构、分散结构群与连续结构群的相应区域传感监测系统，开发了区域分布传感-结构与损伤反演-性能评估与预测全自动化软件系统。
美国芝加哥大学伊利诺伊分校Farhad Ansari教授介绍了国际上近年来发生的重大结构失效事故，分析了光纤监测技术在结构健康监测中的优越性。他们采用全分布式BOTDA传感技术监测了桥梁的冲刷问题，并进行了大量的简支梁三点弯曲试验，根据埋入式和表面黏贴式光纤的读数对梁的损伤情况进行了定量分析。
3.5光电传感监测技术的工程应用
在光电传感监测工程实践和应用方面，英国皇家工程院院士、剑桥大学教授Kenichi Soga及其课题组成员进行了长期的探索。他做了题为“岩土结构性能监测”的特邀报告，介绍了剑桥大学智能基础设施与建设中心(CSIC)近年来在英国开展的多个重大岩土工程项目。在这些基建工程中，分布式光纤应变监测系统起到了非常重要的作用，无论对于地下连续墙、能源桩、地铁竖井和隧道结构（见图4），光纤都可以实时测得应变、温度的连续分布信息，为岩土结构的稳定状态评价提供了宝贵的现场资料[11]。他们的工作卓有成效，得到了英国伦敦地铁公司、Crossrail公司、ARUP公司等大公司的一致好评，相关成果获得了多个国际大奖。
成都理工大学黄润秋教授的特邀报告介绍了中国西南地区地质灾害监测预警体系的基本构架和关键技术。他们采用无人机、激光扫描、InSAR等多种技术，在地质灾害易发地区（如滑坡地区）构建空天地实时监测网络，并在此基础上建立了地质灾害监测预警与决策支持系统。黄教授介绍了国内在传感信息融合和集成、信号无线传输、实时预警等多方面取得的进展，并以统计数据分析了监测在防灾减灾工程中发挥的巨大作用。
奥地利Graz 技术大学W. Lienhart教授介绍了他们课题组将光纤传感器应用于天然和人工边坡高灵敏度监测的两个实例[12]。其中一个位于奥地利南部的Gradenbach滑坡区域。该滑坡已经监测了50多年，目前每年滑动约12cm。2007年他们在野外安装了大型SOFO光纤应变花，该应变花的长度达到5m，精度达到0.4μm/m，应变花的结果可用于主应变的计算（见图6）。在现场安装时，传感器被埋设在地表以下2m处，以防止冻融因素对结果的影响。长期监测结果显示，光纤测得值和GPS、全站仪读数较为吻合，但从精度上比较，光纤传感器精度比传统方法高出了50倍。第二个实例是某个土工格栅加筋土边坡（见图7），他们把2km长的布里渊全分布式传感光纤布设在土工格栅上，用于边坡施工期的应变监测。该传感器的监测精度高达0.01mm/m，监测数据显示，施工期后应变累积到约1%，土工格栅的埋深越大则测得的应变也越大。
香港理工大学殷建华教授课题组率先采用BOTDA技术对GFRP土钉的工作状态进行了长期监测 [13]。GFRP是一种新型的、抗腐蚀的筋体材料，GFRP土钉可适用于某些特殊的边坡环境，但其使用受到造价高等问题的阻碍。他们首先在实验室内把BOTDA光纤黏贴于GFRP筋体上，通过反复拉伸试验对光纤读数进行了标定，结果表明读数和应变片读数非常吻合。其后，他们在香港何文田边坡施工现场对GFRP土钉进行了长期监测（见图8），并用监测数据分析了土钉的轴力分布。
中国科学院测量与地球物理研究所研究员、“青年千人计划”入选者储日升博士介绍了电磁学和地震学技术在四川省西山村滑坡工程中的应用。他通过高密度电法研究发现，该地区下段滑坡体厚度为20m～40m，平均厚约30m左右。从上到下各层的岩性分别为地表的表土层、碎石粘土和碎石土、含水破碎带。H/V和接收函数反演结果获得了下段滑坡体厚度为20~40m，结果跟电磁法的结果基本一致。
意大利第二那不勒斯大学Luigi Zeni教授介绍了意大利在布里渊散射光纤传感技术研发和岩土监测方面的成果[14]。他们研制了高空间分辨率的BOTDA解调设备，通过室内模型试验分析了分布式监测在边坡变形测量方面的可行性（见图9）；将十字形布设的四条光纤黏贴在塑料管上，制成光纤测斜仪，把用应变计算得到的位移和百分表读数进行了对比，初步验证了这种方法的可行性。
近年来，国内外越来越多的研究综合利用不同光纤监测技术的优势，进行多场信息的监测。南京大学施斌教授详细介绍了分布式光纤感测技术在边坡多场信息监测中的应用[4,15]。他们在973项目、国家科技支撑课题等支持下，在三峡马家沟滑坡现场建立了监测示范区（见图10），进行了长期监测工作；同时基于FBG和BOTDA光纤监测技术，开展了多组室内边坡模型试验，分析了两种典型工况下边坡的稳定性演化规律[16-17]。此外，该课题组张丹博士介绍了矿山开采过程中深部岩土体变形分布式光纤监测的成果；朱友群等采用FBG-BOTDA联合监测技术，对模型管桩的承载性能进行了研究[18]。
北京、上海等特大城市的轨道交通建设日益增多，隧道上下穿越、邻近基坑开挖的案例也越来越多，由此带来了很大的安全隐患。而光纤监测可以作为一种新型的隧道结构健康监测的有力工具[19]。另一方面，一些数字照相、摄影测量技术开始被引进到监测临时结构、岩土结构变形中，不仅成本很低，而且监测精度也能满足工程的需求，是未来工程监测的一个重要发展方向[20]。
以上这些研究总体上反映了国内外最近几年在光电传感监测领域取得的重要进展，充分说明了相关技术的旺盛生命力。
4.未来研究的发展趋势和热点
分布式光纤传感技术是一种集“感”、“传”、“知”功能于一体，并具有分布式、长距离、耐腐蚀、抗干扰等特点的传感技术。对于地质和岩土工程而言，它是一种十分理想的监测技术手段。无论是国内还是国外，均呈现出蓬勃发展的态势。
从本次会议展示的科研进展中可以发现，我国在分布光纤传感监测技术研发以及在岩土和地质工程的应用方面已走在国际前列。南京大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、西安科技大学、湖北工业大学等高校以及中科院、地调局等科研院所近年来投入了很大的人力、财力和物力进行科技攻关，掌握了一批核心技术，也涌现出越来越多的科研成果。这些成果目前已在国家和地方一些重大工程项目中得到了成功的应用，取得了良好的社会和经济效益。项目涉及地质、土木，城建、电力、交通和水利工程等多个领域。
在学术会议方面，除了由南京大学主办的地质（岩土）工程光电传感监测国际论坛系列会议以外，欧美相继出现了几个国际学术交流平台，如ISHMII学会主办的CSHM和SHMII系列会议，斯坦福大学主办的SHM系列年会等。
分布式光纤监测的规范化方面，国际国内都出现了一些标准、规范和指南，如美国材料与试验协会（ASTM）在2013年推出了《Use of Distributed Optical Fiber Sensing Systems for Monitoring the Impact of Ground Movements During Tunnel and Utility Construction on Existing Underground Utilities1》、《Standard Terminology Relating to Optical Fiber Sensing Systems》两本指南。
从本次论坛还可以看出，在地质和岩土工程分布式光电传感监测研究领域，今后的研究热点包括以下几个方面：
（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。
5 结语
第五届地质（岩土）工程光电传感监测国际论坛（5th OSMG-2014）已圆满结束。本次论坛是国内外相关领域专家和学者热烈讨论、深入交流的一次盛会，为促进光电传感监测技术的发展，提高我国地质和岩土工程领域的监测水平起到了良好的作用。我们将继续努力，把这一论坛办好！
致 谢 本系列论坛一直得到了国家自然科学基金委员会的大力支持，在此表示衷心的感谢！
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