基于Φ-OTDR的光纤应变与隧道衬砌应变的转换方法及其在隧道安全监测中的应用

监听隧道的“呼吸”

现代公路和铁路隧道穿越山体、河流和拥挤的城市环境，隐藏的裂缝或缓慢变形可能迅速演变为灾难。本研究提出了一种让隧道实时“告知”工程师其状态的方法：将长光纤变成连续的感知神经，感测衬砌的拉伸与压缩。该工作不仅解释了这些光纤在混凝土内部对应变的响应机制，还展示了如何将其信号转换为可供地下施工人员使用的自动安全预警。

从单点传感器到连续感知网络

传统的隧道监测依赖于固定在衬砌关键部位的独立仪器。这类设备虽能提供准确测量，但通常只覆盖少数点位，并常需人员到场读取与维护。分布式光纤传感提供了另一种思路：一根铺设或埋入混凝土中的电缆，就能沿其全长测量应变。本研究使用的相位敏感光时域反射技术（Φ-OTDR）向看似普通的电信电缆发射短激光脉冲，监听来自玻璃微小不均匀处的微弱散射回波。当衬砌发生变形时，这些回波会发生位移，从而揭示沿着数千个位置光纤被拉伸或压缩的程度。

光纤与混凝土为何不同步变形

在实际隧道工程中，光纤不能裸露使用，必须包覆塑料和钢等保护层，以抵抗弯曲、混凝土浇筑和施工冲击。然而这些保护层导致光纤的玻璃芯并不完全随周围混凝土同速变形。光纤还对温度缓慢变化和长期蠕变敏感，这些因素会在结构静止时使其应变读数缓慢漂移。如果工程师直接使用原始光纤信号，便可能误判衬砌所承受的真实应力。本文核心在于将受保护光纤“感受到”的信号，翻译为其周围混凝土的真实应变。

制作并弯曲模型隧道

为揭示这种转换关系，研究团队浇筑了三根大型混凝土梁，其尺寸与真实隧道衬砌及钢筋布置相同。在梁中同时布设了装甲光缆和常规电气应变片，并在匹配位置进行安装。随后开展了两类试验：动态试验中，梁被像微型桥梁一样加载，在受控速率下增加力，记录光纤与应变片的响应；静态试验中，梁在超过半小时的时间内处于无载状态，观察光纤应变在材料特性与环境影响下的蠕变。数据表明，结构应变与光纤应变随载荷和时间几乎以直线方式增长，但增长速率存在差异。

把光纤读数转换为结构应变

通过对试验结果细致拟合直线方程，作者将光纤响应分解为两部分：一部分源自混凝土的实际弯曲，另一部分源自环境效应导致的缓慢累积漂移。进而推导出一个简单公式，将光纤读数转换为普通结构传感器会测得的应变，同时扣除随时间增长的漂移项。平均而言，混凝土应变约等于光纤应变的1.26倍，再减去一个随监测时间增长的小项。将该转换应用到中国四川的一段实际公路隧道时，转换后的光纤结果与同位置安装的高精度振弦式应变计高度一致，误差约在5%以内。

从原始数据到自动预警

在确认光纤读数能够真实反映隧道行为后，研究人员进一步构建了基于光纤的数字安全平台。在示范隧道中，电缆以U形布设于拱顶、侧墙及下侧区域，并接入一个每分钟采集数据的中央单元。平台内的软件将应变转换为应力，计算衬砌所承受的轴力和弯矩，并根据中国隧道与混凝土设计规范评估安全系数。这些数值与预设阈值进行比对。如任一区段接近不安全水平，系统会在监控室触发警报并将预警信息直接发送到工人手机，使光纤成为实时预警网络的中枢。

提高地下作业安全的途径

对非专业读者而言，关键结论是：一根坚固的光缆在正确转换其读数后，能作为隧道的连续健康监测器。本研究展示了通过受控实验建立该转换，并在真实工程中予以验证。将经过校准的光纤测量与自动化分析和明确的安全阈值结合，隧道管理者便可在荷载变化时监视整个衬砌的“呼吸”，并在裂缝或塌方发生前识别隐患。这一方法指向了未来地下施工与运营由光学“神经系统”守护的方向，静默地追踪着大多数人永远看不到的结构安全状况。

引用: Cao, K., Xie, Z., Zhou, F. et al. Transformation method of Φ-OTDR optical fiber strain and tunnel liner strain and its application in tunnel safety monitoring. Sci Rep 16, 13842 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43749-5

关键词: 隧道安全, 光纤传感, 结构健康监测, 应变测量, 预警系统