隧道渗水监测&火灾预警新工具——隧道工程中的光纤传感器

一、概述

在隧道的运输过程中，传感器是不可或缺的重要工具，现代传感器正朝着灵敏，精确，适应性强、小巧和智能化的方向发展，其中，光纤传感器是发展最为迅速的传感器类型之一。

今年来，世界各地的隧道工作者们开始逐步尝试在隧道运输中应用光纤传感器，目前，光纤传感器在隧道的渗水监控，火灾监控方面都有了一定的应用。

二、应用——火灾

火灾光纤传感器系统在全球范围内已经成功用于监控传送带，制造业工厂的自动化生产线和化工厂中。与传统的温度传感器相比，光纤传感器具有多种优点：易于安装，耐用，需要很少的维护，因此具有优越的性价比。目前，火灾光纤传感器也开始在隧道运输中得到了应用，例如德国的联邦49号公路Treysa/Frankenhain隧道在近期的技术扩建中安装了新型光纤火灾传感器以取代传统的火灾传感器。

光纤测温原理是一种利用光纤技术来测量物体表面温度的新型技术，其核心原理是利用光纤吸收测量物体表面的热量，然后使用温度传感器对光纤的温度变化进行测量，从而获得物体表面的温度数据。

光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，适合在隧道环境中使用；相比传统的火灾传感器，光纤传感器拥有更多的测量点和更大的覆盖范围：Treysa/Frankenhain隧道使用的DTSX1光纤传感器的每条光纤最多可支持至多32000个温度测量点，但根光纤传感器的长度最大可达16km。

火灾光纤传感器的直径仅为4mm,每根光纤传感器内都包含用于两根独立的光纤。他们由不锈钢保护管，阻燃且耐腐蚀的护套包围。由于光纤传感器内没有电子元件，所以高压，高温的恶劣环境比传统的火灾传感器更为可靠，也不会在高温中变成散发出有毒气体。

三、应用——渗水

来自东京地铁公司正在使用一种新型的光纤传感器，用于监控东京地铁线路隧道内的渗水现象，东京地铁线路有167km位于地下，且建成年代久远，因此及时发现隧道衬砌的渗水位置对于隧道运输来说至关重要。

由于光纤传感器在几何形状方面具有很强的适应性，并且易于大规模部署，所以东京地铁公司联合神户大学与设备生产企业研发了一套用于监控渗水情况的光纤传感器系统。该技术利用光在空气与水中的折射率不同，来判断混凝土是否存在渗水现象，传感器通过光纤内的反射与折射的变化可以非常清晰地检测到衬砌表面是否有水-冰存在。实验室测试证明，这种光纤传感器敏感度极高，混凝土表面潮湿状态的微小差异也能够轻易识别。

该技术首先在东京地铁的千代田线沿线进行了试验性部署。该传感器在长达13个月的监测期内，正确检测到了漏水现象，监测结果和总体趋势迄今为止积累的人工维护活动的记录和经验非常吻合。

在实际使用过程中，由于传感器过于敏感，研发人员发现列车经过时产生的额外热量以及附着在渗水中的其他物质都有可能监测结果造成干扰。尽管会受到干扰，但当隧道衬砌实际发生漏水时，光纤传感器依旧可以识别出漏水情况，该传感器在长达13个月的测试期内，准确检测了漏水现象，并且检测结果与人工检测的记录和结果非常吻合。

目前东京地铁正在改进这项技术，并计划在未来利用这种传感器收集全线的衬砌漏水信息，以有效规划老化的地铁隧道的维护工作。

四、总结

传感器是实现隧道运维自动化和智能化的关键之一，期待光纤传感器技术能够得到进一步的发展，为未来隧道运维实现自动化和智能化打下坚实的基础！