石块、砌块、钢材、水泥、混凝土和砂浆浆液——再加上那些庞大、笨重、笨拙且噪音巨大的施工机械——这听起来确实不像是一种适合易碎玻璃纤维的理想环境（图1和图2）。然而，正是这样的建筑工地，才最需要光纤传感器。 地面荷载的变化（例如因新建工程而引起）也会导致体积发生变化。这会引发地面隆起或沉降，进而可能影响周边建筑物。
技术
目前已有各种成熟的施工现场监测方法，但这些方法通常仅限于点位信息。例如，可以通过大地测量法确定测量点的位移，或者使用伸长计记录某一段的长度变化。然而，其间发生的情况仍不得而知。分布式光纤传感技术提供了可在长距离范围内进行连续测量的方法。 瑞士公司Marmota Engineering专注于为岩土工程应用提供光纤监测解决方案，并正积极致力于将该技术推广至建筑工地，使其成为一种被广泛接受且具有优势的替代方案。
对于管道等长而一维的结构，分布式传感解决方案早已问世。这些系统能够沿长达30公里的电缆，每隔一米记录应变数据。 如今，借助美国制造商Luna推出的瑞利（Rayleigh）传感系统，针对需要更高空间分辨率的应用场景，我们已拥有了强大的工具。此类系统可在70米距离内进行应变测量，空间分辨率可达毫米级。这使得沿单根电缆定义数千个“独立应变测量段”成为可能——并在微应变范围内（每米长度变化以微米为单位）保持高精度。
滑坡区和开挖坑中的钻孔传感器
当在钻孔中安装分布式光纤传感器时，可以精确监测沿深度方向的应变。通过获取这些信息，能够快速检测到由施工产生的附加荷载，或由相对于钻孔轴线任意角度发生的边坡蠕变所引起的危急沉降。
特别是在蠕动型滑坡中，剪切面——即滑坡在深处的空间边界——可能非常薄，因此需要高分辨率测量才能快速定位。对于深度达70米的钻孔，瑞利传感技术尤为适用，因为它能够记录钻孔沿线每厘米处的应变。 近年来已开展了多项钻孔项目并进行了分析，其中包括瑞士阿尔卑斯山区的多个项目（图3）。这些研究表明，与基于测量钻孔内倾角的传统倾角仪相比，瑞利系统不仅能在短时间内检测并定位剪切面，而且安装和测量工作量更小。
基础设施监控
基础设施监测中的一个案例或许能更清晰地说明分布式传感的优势。在为期一个世纪的“跨铁路”（Crossrail）项目中，两条新建铁路隧道贯穿整个伦敦市，项目方在现有地下隧道中一个特别脆弱的路段安装了监测设备。在原本就布满隧道网络的城市地下空间中，这些新隧道与已有近百年历史的现有隧道仅相距数米之遥。
由于这些隧道仍在运营，因此在开挖新隧道期间，必须对现有结构进行细致监测。除了定量变形数据外，变形类型也是该项目关注的重点。 具体而言，关键在于确定荷载是通过单个铸铁隧道段之间的接缝变形来传递，还是通过隧道段本身的变形来传递（图6）。要解答这一问题，原本需要每米隧道安装四个应变传感器——70米长的隧道共需280个独立传感器——或者仅需一个分布式瑞利应变传感器即可。
显然，无论是铺设单根传感器电缆，还是随后的测量工作，所需的工作量都远少于安装数百个独立传感器并分别进行分析——尤其是考虑到安装工作只能在凌晨1点至5点之间进行。尽管如此，仪器安装工作依然十分艰巨：高温和数十年来积聚的污垢将团队推到了极限（图4）。
到2012年底，隧道掘进机已从安装了监测设备的路段下方通过。在接下来的两周内，研究团队与在现场操作其他监测设备的苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和伦敦帝国理工学院（Imperial College London）合作，对传感器进行了持续监测（图5）。
结论与展望
上述案例以及近年来其他商业应用均表明，与传统方法相比，瑞利测量技术具有多项优势。这使项目业主和基础设施运营商能够在损坏发生前采取更迅速、更有针对性的措施。此外，通过测量而非过度设计，还可以节省成本。
该技术当前的应用限制主要与仪器设备相关：传感器选择和安装方式必须根据具体问题进行调整，并且必须确保传感器在整个监测期间保持正常工作。这还包括考虑传感器在光纤断裂前所能承受的最大应变。
总体而言，该技术已在多个项目中证明了其价值。目前的主要重点是让这些新的测量功能对更广泛的受众更具吸引力。只有当项目工程师了解这些监测方法后，才能将其应用到自己的项目中。这样，他们就能更加安心，确信所有关键点都在持续监测之中——也就是说，没有任何监测盲区。
致谢
“十字铁路”项目，尤其是该领域的研究工作，是与苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）土力学研究所及伦敦帝国理工学院合作开展的。
