分布式光纤温度传感技术在隧道监测中的应用

2024年公路隧道火灾自动报警探测器技术的选择近几年来随着国家经济的高速发展，公路交通规划建设一直受到政府的高度重视，我国高等级公路的里程数也以惊人的速度在增加。

由于我国地貌复杂，多山脉、丘陵地带，在建设山岭高速公路中不可避免要建设大量的隧道。

随着新技术的不断出现，公路隧道内的防灾体系也在不断完善。

公路隧道内选用哪种类型火灾探测器成为设计、施工、管理单位的一个难题。

隧道作为一种特殊的建筑结构，地形复杂，结构封闭，交通量大，一旦发生火灾将产生极大的危害性且逃生困难。

所以其火灾自动报警探测器选用必须做到可靠、先进并具有高灵敏度和极低的误报率的特点，这样才能防患于未然。

１火灾探测器的类型火灾探测器是火灾信号的传感元件，是整个火灾自动报警系统的最基本的组成部分，它是实现火灾的非电量电测技术的关键。

根据火灾发生的特点，目前较常用及成熟的有感烟、感温、感光等传感技术。

在实际隧道工程应用中应根据不同的环境情况选用合适的探测器种类以达到报警响应及时、减少误报警的发生。

公路隧道中最常见的火灾是汽车燃烧，其主要特征是耀眼的明火及强的辐射热（危险性在于汽车的动力燃料）且发展速度极快。

公路隧道这种特殊的建筑物，终年阴冷且保持一定的风速（风速为２ｍ/ｓ～１０ｍ/ｓ），并且一年四季的季节变换，环境温度变化较大，给测温方式检测火灾带来不稳定性及滞后性。

感温线型探测器安装于隧道顶部，感温线型探测器达到报警温度时则火灾已发展到相当规模，不利于早期消防灭火。

交通部重庆公路科学研究所曾在该所的２００ｍ实验隧道中作火灾试验，当时环境温度为３℃，作点火试验用的汽油完全燃烧，隧道顶部的温度最高只能上升到９℃。

感烟型火灾探测器是现代建筑业内广泛应用的技术，但是隧道内环境污染较大，特别是汽车尾气的大量排放，使感烟火灾探测器会产生较大的误信号，缩短使用寿命。

感光型火焰探测器对火焰发展速度快的汽车燃烧较为合适，它有较高的灵敏度和较短的响应时间，并且受隧道内风速的影响很小。

基于分布式传感光纤的隧道监控方案（大纲）目录1. 概述 (2)2. 光纤传感系统 (2)2.1 长距离的连续性监测 (3)2.1.1 植入式 (3)2.1.2 附着式 (4)2.2 随机点的参数监测 (4)2.3网式的全方位监测 (5)2.4具体方案 (5)3. 数据采集系统 (6)4. 传输与通讯系统 (7)5. 实时监控中心管理系统 (7)1. 概述隧道的监控贯穿整个施工阶段和运营阶段，施工中的监控为评价设计方案、确定支护结构型式、及时发现危险情况提供依据；隧道运营阶段的监控为了保持测量的连续性，长期监视及评价隧道的安全性，以及为科学研究提供必要的数据。

隧道的监控是保障隧道施工运营安全至关重要的一环。

本方案拟采用的流程图如下：(1). 现场自动采集系统使用分布式传感光纤技术，实时、连续的监测待测物理量，包括传感方式的选择和传感网络在隧道结构中的布置方案，并将信号进行初步处理。

(2). 传输系统，将采集并处理过的数据传输到实时监测控制系统。

(3). 实时监测控制系统，内部包括隧道监测数据分析显示、隧道安全评估分析结果显示、数据库管理。

利用具备诊断功能的软硬件对接受到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构的安全状况做出评估，如发现异常，发出报警信息。

2. 光纤传感系统现场监测终端系统主要有传感器和自动采集系统组成，利用先进的传感技术，实现不同形式的物理量转换为电信号，进而实现数字化的自动采集。

本方案的现场采集系统采用分布式传感技术。

光纤传感器与传统的差动电阻式和钢弦式传感器相比，(1).传感器采用光信号作为载体，光纤的纤芯材料为二氧化硅，该传感器具有抗电磁干扰，防雷击，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点；(2).光纤传感器体积小，便于安装，对布设部位的影响也小；(3).光纤本身即作为传感体又作为传输介质，容易实现长距离、全方位监测。

分布式光纤传感技术除了具有以上的特点外，其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、应变、温度、振动和损伤等信息。

浅谈分布式光纤测温系统在交通隧道方面的应用摘要：近些年来光纤以它独特的优良性质在许多领域绽放光彩，其中在光分析领域以及传感系统中发挥着重要的作用，分布式光纤传感系统是一种利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质的传感系统。

本文研究分布式光纤的测量在交通隧道中对温度反应、对温度异常点的定位、以及对待异常情况的及时报警应用。

关键词：分布式光纤；测温技术；火灾；安全应用1.分布式光纤国内外研究现状在国内目前市场上的光纤测温的方式主要有两种：基于Raman散射的光纤测温和基于光纤光栅的光纤测温。

基于Raman散射的光纤测温系统与基于光纤光栅的测温系统相比有很大的区别，其一是测量距离方面前者可测量最大距离为30KM，但是后者则适用于短距离的测量，在系统设计方面前者硬件系统大，系统造价较高、软件处理算法复杂，但是后者硬件系统则可大可小，既可点式测量也可分布式测量，成本亦是可高可低，应用也比较灵活。

目前我国的分布式光纤测温技术已达到世界领先水平，从最初的短距离固定点的精准测量到如今在长距离、高精度、快反应的方向发展；伴随着保偏光纤制作水平的发展以及测温测量理论的深入研究，基于偏振模耦合原理的分布式光纤测温技术在未来将是一个大的发展方向。

在国外许多隧道交通技术先进的国家，比如德国、日本等关于分布式光纤测温技术与国内相比来说要早许多年，随着时间的推移，科学技术的进步，拉曼散射及布里渊散射也逐渐进入深入的研究，在2000年10月，通过采用自发布里渊散射和锁模布里渊环形光纤激光器等技术，英国科学家V.Lecceuche实现了测量距离20km、空间分辨率为7m的测量成功。

在2017年，凭借光速光接收机及集成相干接收机出名的美国Luna Innovations公司通过OFDR技术做到了空间分辨率可达到毫米级、测量距离在2km左右的研究成果，用于进行故障的测量，对温度、压力的相关分布式的测量。

2.分布式光纤测温系统发展趋势随着科学技术及各行各业的迅速发展，分布式光纤测温系统已经变得越来越成熟，在测量的空间范围以及随时监测性都上升到新的高度。

分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用∗施斌丁勇索文斌高俊启（南京大学光电传感工程监测中心, 210093 南京）[摘要] 分布式光纤传感技术，如布里渊散射光时域反射测量技术（简称BOTDR），是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术，应用非常广泛。

本文着重介绍BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等三个方面的应用。

在工程监测过程中积累起来的大量监测数据表明，BOTDR分布式光纤传感技术，是一种全新而可靠的监测方法，它在工程实践中的应用，为工程监测提供了一种新的思路，因而必将拥有一个广阔的发展前景。

[关键字] BOTDR 光纤传感工程监测应变1.引言随着人们对工程安全要求的日益提高，近年来，一批新式的传感监测得到发展，它们不是对传统传感监测技术简单的加以改良，而是从根本上改变了传感原理，从而提供了全新的监测方法和思路。

其中，尤以BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目，它利用普通的通讯光纤，以类似于神经系统的方式，植入建筑物体内，获得全面的应变和温度信息。

该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。

这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。

南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中，取得了一批重要成果，为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。

2.BOTDR分布式光纤传感技术的原理布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(νB)就可∗本项目研究受国家杰出青年科学基金项目（40225006）和国家教育部重点项目资助项目（01086）以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。

分布式光纤传感技术在大型过江盾构隧道健康监测系统中应用作者：钟东来源：《中国新通信》2017年第12期【摘要】相比桥梁，盾构隧道结构的薄弱环节不显著，难以实施有效的全面监测。

为此，本文依托南京长江隧道，研究了分布式光纤传感技术在大型过江盾构隧道结构健康监测系统中应用。

分析表明，分布式光纤传感技术适宜应用于盾构隧道结构健康监测系统关键指标监测，且在传输距离、稳定性和耐久性等方面具有明显优势，具有广阔的应用与推广前景。

【关键词】盾构隧道分布式光纤传感技术结构健康监测前言近年来，大型盾构过江隧道已经在上海、南京、广州、深圳、武汉等地得到了广泛应用，其具有建设周期长、投资大、隐蔽工程、地质环境复杂等特点，运营安全关系着人们生命安全和社会经济活动的正常进行。

因此，如何保障隧道结构的健康运营是地下交通安全运营研究中的关键问题之一。

在土木工程领域，国内外学者较早地针对桥梁结构提出了结构健康监测（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年来在理论和实践两方面均已取得了长足的发展。

然而，隧道与桥梁的结构形式、外部环境等都存在显著差异，桥梁结构健康监测技术并不能简单地移植到盾构隧道。

为此，隧道领域的学者虽已开展了大量相关研究。

如：苏洁等[3]结合在建的厦门翔安海底隧道工程，提出了隧道结构健康监测系统设计的原则；刘胜春等[4]结合南京盾构隧道工程，提出了盾构隧道结构健康监测的监测内容、监测技术、结构评估等系统设计方前言近年来，大型盾构过江隧道已经在上海、南京、广州、深圳、武汉等地得到了广泛应用，其具有建设周期长、投资大、隐蔽工程、地质环境复杂等特点，运营安全关系着人们生命安全和社会经济活动的正常进行。

因此，如何保障隧道结构的健康运营是地下交通安全运营研究中的关键问题之一。

在土木工程领域，国内外学者较早地针对桥梁结构提出了结构健康监测（Structural Health Monitoring）的概念[1-2]，近年来在理论和实践两方面均已取得了长足的发展。

交通世界TRANSPOWORLD0引言高速公路隧道因其狭长和半封闭的特殊环境，一旦发生火灾，火势将迅速蔓延并威胁通行人员的生命与财产安全，严重的火灾还会威胁到隧道的主体结构，因此，公路隧道的消防安全问题一直备受关注，如能在火灾发生初期提前感知，将有利于迅速采取措施遏制火灾的蔓延[1]。

高速公路隧道火灾报警系统是探测公路隧道初期火灾的重要技术，对公路隧道消防安全具有重要意义。

1高速公路隧道火灾报警系统高速公路隧道火灾报警系统是用于隧道发生火灾初期报警的综合控制系统，通常配置在较长、较大、交通量大的隧道中，以保证通行车辆和人员的安全。

发生火灾时，火灾报警系统会发出报警信号，将监控中心闭路电视系统监视画面强行切换至火灾报警位置，经监控值班人员确认后，执行交通信号、通风、照明、广播、救灾等联动程序，并采取相应的消防灭火措施。

目前，应用于高速公路隧道的火灾报警系统主要有感光型火灾探测器和感温型火灾探测器报警系统[2]。

1.1感光型火灾探测报警系统感光型火灾探测系统主要包括基于红外技术的双波长和三波长火灾报警系统。

双波长火灾报警系统的检测原理是通过检测火灾时发出的辐射光的特定波长，以及火焰闪烁频率判别火灾情况来实现报警。

其系统主要由隧道内火灾报警盘和火灾报警控制系统组成，火灾报警盘在隧道内以小于50m 的间距连续布设，并通过通信电缆或光缆以总线形式连接至火灾报警控制器，通过控制器发出报警信号。

火灾报警盘中设有双波长火焰检测器、手动报警按钮、报警指示灯等。

发生火灾时，由双波长火焰检测器检测到火灾发光位置后，通过火灾报警控制系统将信号传回监控中心。

三波长火灾报警系统与双波长火灾报警系统类似，只是三波长火焰检测器的检测距离、检测角度、抗环境干扰能力等方面更优于双波长，可减少火灾报警盘在隧道内的布设数量。

1.2感温型火灾探测报警系统感温型火灾探测器主要是基于光纤传感技术的火灾报警系统，在高速公路隧道内常用的有光纤光栅感温火灾报警系统和分布式光纤感温报警系统。

分布式光纤测温技术在电缆测温中的应运发表时间：2016-05-23T10:17:46.720Z 来源：《电力设备》2016年第2期作者：菅晓清张岩吴尚恒[导读] （内蒙古电力勘测设计院内蒙古•呼和浩特 010020）文章中介绍了分布式光纤测温技术在电缆测温中的应运，解决了较大规模电缆隧道中电缆的测温问题。

（内蒙古电力勘测设计院内蒙古•呼和浩特 010020）摘要:文章中介绍了分布式光纤测温技术在电缆测温中的应运，解决了较大规模电缆隧道中电缆的测温问题。

同时对电缆隧道中电缆测温和隧道测温的不同方案进行了探讨，列出了解决问题的办法，提出了方案的优缺点。

关键词:线性分布式光纤测温技术引言随着城市建设脚步的加快，电力建设也在迅速发展。

但随之引起的电力走廊用地问题以及环境、安全等问题都比较突出。

为了缓解上述矛盾，近二年内蒙呼市地区陆续审批开工建设了多项电力电缆隧道工程。

由于电缆隧道位于地表下方，隧道中电缆状态及隧道环境温度等的监测问题很重要。

根据相关规程[1~2]要求对隧道中的电缆设置线型感温火灾探测器。

过去在传统的变电站及送电工程中，电缆路径一般为电缆沟或较短的电缆隧道，电缆及隧道温度的监测采用火灾报警系统中的感温电缆监测。

但随着供电线路的加长回路的增多，感温电缆监测的方案已无法满足需求。

更重要是如电缆隧道较长，在火灾发生的情况下，传统的火灾报警控制系统和隧道中控的风机联锁控制很难实现。

基于以上问题设计院经过多方调研咨询，在“呼和浩特东二环架空线路入地改造工程”和“东乌线破口接入呼东北郊变220kV电缆线路”工程同时首次采用“线性分布式光纤测温技术”的方案，对电缆表面温度及隧道内温度进行在线监测。

名词解释：线性分布式光纤测温技术：一般采用DTS分布式光纤测温技术，对被测物体表面温度进行实时监测，主要基于拉曼散射原理。

激光器发出光脉冲与光纤分子相互作用发生散射，拉曼散射与被测物体分子中的热震动有关系，所以可以用来测量物体表面的温度。

分布式光纤与三波长火焰探测器在隧道应用中技术比较
备注1：以上关于“三波段火焰探测器”与DTS光纤分布式测温系统的对比，是建立在大量的实验数据及在设备的长期运用的基础上而总结出来的，在隧道内发生交通事故时，能及时探测并判断出潜在的火灾是考核探测设备性能的关键性因素，通过以上两种不同的探测设备的对比不难看出孰优孰劣。

利用DTS系统在火灾发生的早期阶段就能及时报警，为采取相应的措施赢得了宝贵时间，把火灾可能造成的危害降到了最低点，真正做到了“防患于未燃”。

备注2：在实际应用中，当隧道内发生交通事故时，如车辆起火而不采取必要的措施后果将不堪设想。

因此在火灾发生时，抢险的第一要素是判断火源具体方位及火势蔓延方向，以便采取有效措施。

由于光纤的材料是石英玻璃，熔化温度在1713℃以上，软化温度1580℃，在1000摄氏度高温环境下，只有“光纤分布式测温系统“能在整个过程中生存并提供准确有效的信息，其它品种的设备在报警以后便不能生存了。

备注3：鉴于三波段火焰探测器在实际应用中存在的诸多缺点，“三波段探测器”技术主要来源国及供应国日本，已在越来越多的项目中逐步采用光纤测温技术，且“能美西科姆”等三波段探测器生产厂家已开始研制光纤测温技术。

分布式光纤测温系统在地铁隧道火灾探测中应用摘要：针对目前地铁安全中突出的火灾探测问题，提出了一种分布式光纤测温系统，该系统采用光时域反射技术和拉曼散射测温技术，将光纤传感与现代安防结合起来，具有极高的灵敏度和定位精度。

通过设置隧道内不同的风速，在模拟地铁区域隧道内进行全尺寸火灾试验，研究分布式光纤测温系统在隧道内发生火灾的响应时间及响应位置。

研究表明，在隧道内风速越大，火焰及烟气发生倾斜，会导致分布式光纤测温系统的报警位置会稍微偏离起火点，并且分布式光纤测温系统是通过对火场温度的响应来探测报警的，因此具备一定的火势蔓延趋势判读能力。

关键字：分布式光纤测温系统；地铁隧道；火灾；温度地铁隧道空间狭小，且处于相对密闭状态，自然排烟困难，一旦发生火灾，燃烧时产生的热量不易散发，极易导致火灾的迅速蔓延，隧道横截面小，地面不便行走，人员疏散困难，消防人员也很难接近火源扑救，一旦发生火灾不仅将造成巨大的经济损失，还会造成重大的人员伤亡，引起交通秩序混乱。

因此，及时、准确地对隧道火灾进行报警，实时掌握火灾现场情况，为救灾人员提供决策信息，对于尽早组织人员疏散、控制火情、组织实时灭火、降低损失尤为重要。

国内外很多人已经通过数值模拟和全尺寸的火灾试验对隧道内火灾的发展以及温度场的分布进行可研究。

如1992年，Luchian等人在美国弗吉尼亚某高速公路上的一个废弃的双车道隧道中进行了一次大规模的试验来测定火灾功率；2006年，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的胡隆华等人与云南省公安消防总队合作，在昆明一石林高速攻速的阳宗隧道开展了具有针对性火灾现场模拟试验。

本文介绍了一种分布式光纤测温系统在地铁隧道火灾监测报警中的应用。

经实测，该系统完全能满足地铁隧道火灾监测报警的要求。

1系统原理及特点1.1系统原理分布式光纤测温系统是基于光纤内部的拉曼散射现象的温度特性，利用光时域反射测量技术（OTDR），将较高功率带电光脉冲送入光纤，然后将返回的散射光强随时间的变化探测下来，其中拉曼散射具有温度测量的实际意义，若能测量出拉曼散射光的强度，就可以计算出反射点的温度[1-2]。

分布式光纤测温技术在隧道火灾和渗漏探测中的应用Ξ曾铁梅,徐卫军,侯建国(武汉大学土木与建筑工程学院,武汉430071)摘要:隧道火灾和渗漏一直是隧道安全和健康的重要问题。

基于分布式光纤测温系统(D T S)具有能实现在线实时监测且实测温度随光纤沿程分布这一技术特点和优势,将单根分布式光纤应用于隧道火灾的预警预报、火灾定位、隧道渗漏定位,属国内首创。

本文介绍了D T S测温原理和实测成果。

实测情况表明,D T S系统测温精确,抗干扰性强,特别适合隧道火灾预警预报和渗漏探测具有良好的应用前景。

关键词:分布式光纤测温系统(D T S);隧道火灾;渗漏定位中图分类号:TB96,U457+2 文献标识码:A 文章编号:167222132(2007)01200522050　引言改革开放以来,随着国民经济迅速发展,我国各类交通隧道工程也得到了迅猛的发展。

公路隧道作为公路工程建设中的1个重要结构物,也迎来了规模空前的建设热潮。

据报道,我国公路隧道已有1782座,总长达704km。

然而,近10年来,国外隧道突发的火灾事故造成的大量人员伤亡,给我国隧道的消防安全敲响了警钟。

同时,因地质缺陷出现的渗漏导致隧道结构、相关设施的严重损害,对有压隧道的结构安全提出了更高的要求。

基于隧道的消防安全和隧道渗漏危害,本文将介绍分布式光纤测温系统对隧道火灾和渗漏事故的自动定位和预警预报功能。

1　隧道火灾特点和渗水危害111　隧道火灾的特点 (1)消防扑救难度大。

隧道是封闭的狭长空间,发生火灾后烟气大而且不易散发,隧道愈长愈难以排除;火灾时火势集中,温度高,辐射热强,消防人员不易接近起火部位,灭火范围受到限制,给消防扑救带来巨大的困难。

(2)火灾发展蔓延速度快。

在隧道内行驶的车辆携带有一定数量的燃料(易燃液体或可燃气体),起火后会猛烈燃烧,以致发生爆炸;同时,载重汽车装有大量可燃货物,也会加大燃烧的猛烈程度;再者,车辆在行驶时产生一定的气流,也给火势扩大带来相应的影响。