工程地质学施斌
㈠ 施斌的研究方向
· 工程地质学，环境岩土工程
· 高速公路路基处理，滑坡整治
· 土体结内构系统研究
· 大型基础工容程分布式光纤安全监控与监测系统开发
· 岩土工程数值模拟和土工计算
· GIS和GPS应用，数据库和管理软件开发，系统集成
㈡ 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学）的组织机构
序号 姓名 性别 职称 学位委员
会职务 研究方向
或专业 单位 1 王思敬 男 院士 主任 工程地质 清华大学 2 殷跃平 男 研究员 副主任 环境地质 中国地质调查局 3 宋振骐 男 院士 副主任 矿山压力 山东科技大学、大连大学 4 聂德新 男 教授 副主任 工程地质 成都理工大学 5 Niek Rangers 男 教授 委员 工程地质岩石力学 荷兰国际地学研究中心(ITC) 6 李焯芬 男 院士 委员 岩土力学 香港大学 7 卢耀如 男 院士 委员 地质学 同济大学 8 黄鼎成 男 研究员 委员 工程地质 中科院地质与地球物理研究所 9 彭建兵 男 教授 委员 工程地质 长安大学 10 陈剑平 男 研究员 委员 工程地质 吉林大学 11 施斌 男 教授 委员 工程地质 南京大学 12 崔鹏 男 院士 委员 自然地理 中国科学院成都山地环境与灾害研究所 13 黄润秋 男 教授 委员 工程地质 成都理工大学
实验室主任：黄润秋教授
实验室常务副主任：李天斌教授
实验室副主任：许强教授、唐川教授
㈢ 王宝军的代表性文章、论著
[1] Wang Baojun, Shi Bin, Hilary I. Inyang. 2008. GIS-Based Quantitative Analysis of Orientation Anisotropy of Contaminant Barrier Particles Using Standard Deviational Ellipse，Soil and Sediment Contamination, 2008, 17(4) : 437-447.【SCI】【EI】
[2] Bao-jun Wang, Ke Li, Bin Shi, Guang-qin Wei. 2008. Test on application of distributed fiber optic sensing technique into soil slope monitoring，Landslides，DOI 10.1007/s10346-008-0139-y.【SCI】
[3] 王宝军, 施斌, 宋震. 2008. 基于GIS与虚拟现实的三维地质建模，岩石力学与工程学报, 增2(27):3553-3563.(Method of 3D Geological Model Based on GIS and VRML, Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, supp.2(27):3553-3563)【EI】
[4] 王宝军, 施斌, 蔡奕, 唐朝生.2008. 基于GIS的黏性土SEM图像三维可视化与孔隙度计算, 岩土力学, 29(1):251-255. (3D visualization and porosity computation of clay soil SEM image by GIS，Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(1): 251-255)【EI】
[5] C.S Tang, B. Shi, C. Liu, L.Z. Zhao, B.J. Wang. 2008. Influencing factors of geometrical structure of surface shrinkage cracks in clayey soils，Engineering Geology, 2008, 101(3-4):204-217.【SCI】【EI】
[6] 刘春, 王宝军, 施斌, 唐朝生.2008. 基于数字图像识别的岩土体裂隙形态参数分析方法, 岩土工程学报,(9): 1384-1388.(The analysis method of Morphological parameters of rock and soil crack based on image processing and recognition, Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008,(9): 1384-1388)【EI,一级】
[7] 施斌, 王宝军, 张巍, 徐洁. 2008. 汶川地震次生地质灾害分析与灾后调查, 高校地质学报, 2008, 14(3):387-394. (Survey and Analysis of Secondary Geological Hazards after Wenchuan Earthquake, Geological Journal China University, 2008,14（3）:387-394）【核心】
[8] 唐朝生, 施斌, 王宝军. 2008. 基于SEM土体微观结构研究中的影响因素分析，岩土工程学报, 30(4): 560-565. (Factors affecting analysis of soil microstructure using SEM, Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(4):560-565) 【EI,一级】
[9] 隋海波，施斌，张丹，王宝军，魏广庆，朴春德，基于BOTDR的锚杆拉拔试验研究，岩土工程学报，2008，30（5）：755-759（BOTDR-based pull out tests on anchor bolts，Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30（5）：755-759.）【EI,一级】
[10] 隋海波, 施斌, 张丹, 王宝军, 魏广庆, 朴春德.2008. 地质和岩土工程光纤传感监测技术综述, 工程地质学报, 16(1): 135-143.(Review on fiber optic sensor-based monitoring techniques for geological and geotechnical engineering, Journal of Engineering Geology, 2008,16(1):135-143）【核心】
[11] 隋海波, 施斌, 张丹, 王宝军, 魏广庆, 朴春德. 2008. 边坡工程分布式光纤监测技术研究, 岩石力学与工程学报, 27(supp.2):3725-3731.(Study on Distributed Optical Fiber Sensor-based Monitoring for Slope Engineering, Chinese Jounal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(supp.2):3719-3725)【EI】
[12] 朴春德, 施斌, 朱友群, 魏广庆, 王宝军. 2008. 钻孔灌注桩压缩变形BOTDR分布式检测, 水文地质工程地质(4): 80-83(Distributed monitoring of bored pile compression deformation based on BOTDR，Hydrogeology & Engineering Geology,2008(4):80-83) 【核心】
[13] 隋海波, 施斌, 张丹, 魏广庆, 朴春德, 王宝军. 2008. 基坑工程BOTDR分布式光纤监测技术研究, 防灾减灾工程学报, 28(2):184-191.(Distributed Optical Fiber Sensor-based Monitoring for Foundation Pit Engineering，Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2008, 28(2):184-191) 【核心】
[14] 王宝军; 施斌; 唐朝生;基于GIS实现黏性土颗粒形态的三维分形研究，岩土工程学报, 2007，29（2）：309-312.（Study on 3D fractal dimension of clayey soil by use of GIS，Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007，29（2）：309-312.）【EI,一级】
[15] 王小明; 王宝军; 施斌; 张大祥; GIS支持下工程勘察信息管理系统设计与实现，工程勘察, 2007（2）：1-9.（Design of the Information Management System for Geotechnical Investigation and Surveying Based on GIS and Its Realization ，Geotechnical Investigation & Surveying, 2007（2）：1-9.）【核心】
[16] 王小明; 王宝军; 施斌;基于GIS的可视化土质边坡稳定性分析系统研究，防灾减灾工程学报, 2007，27（3）：363-376.（Research of the Visualization System for Soil Slope Stability Analysis Based on GIS，Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2007，27（3）：363-376.）【核心】
[17] 唐朝生,施斌,刘春,王宝军,高玮, 黏性土在不同温度下干缩裂缝的发展规律及形态学定量分析，岩土工程学报, 2007, 29(5):743-749.（Developing law and morphological analysis of shrinkage cracks of clayey soil under different temperatures，Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29（5）：743-749）【EI,一级】
[18] 唐朝生,施斌,刘春,王宝军,影响黏性土表面干缩裂缝结构形态的因素及定量分析, 水利学报, 2007, 38(10): 1185-1193 (Factors affecting the surface cracking in clay e to drying shrinkage, Journal of Hydraulic Engineering, 2007,38(10): 1185-1193.) 【EI,一级】
[19] 陈峰军; 施斌; 黄河; 王宝军;生态土壤稳定剂对土质边坡稳定性影响的数值分析，防灾减灾工程学报,2007，27（3）：302-306.（Numerical Analysis of Ecotype Soil Stabilizer Effect on Soil Slope Stability，Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2007，27（3）：302-306.）【核心】
[20] 熊孝波,桂国庆,许建聪,王宝军,童立元,肖泽阳,可拓工程方法在地下工程岩爆预测中的应用, 解放军理工大学学报(自然科学版),2007,8(6):695-701.( Application of extension method to p re diction of rockburst of underground engineering, Journal of PLA University of Science and Technology, 2007,8(6):695-701.) 【EI】
[21] 张巍，施斌，索文斌，蔡奕，王宝军，冻土瞬态温度场的分布式光纤监测方法及应用，岩土工程学报，2007，29（5）：723-728.（Monitoring and application of distributed optical fiber sensors in transient temperature field of frozen soil，Chinese Jounal of Geotechnical Engineering，2007，29（5）：723-728.）【EI,一级】
[22] Chao-Sheng Tang, Baojun Wang，Wei Gao，Bin Shi. Analysis of information management for large-scale bridge construction. The 10th IAEG Congress, Nottingham, United Kingdom, September 6-10, 2006. 【国际会议】
[23] Yi Cai, Bin Shi, Chaosheng Tang, Baojun Wang. Pilot study on the mechanical behaviour of soil with inclusion of polypropylene fibre and lime. The 10th IAEG Congress, Nottingham, United Kingdom, 6-10 September, 2006. 【国际会议】
[24] 索文斌; 王宝军; 施斌; 刘杰;基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统研究，水文地质工程地质, 2005，32（4）：88-92. （Research on large engineering monitoring system using distributed optical fiber sensor based on GIS，Hydrogeology and Engineering Geology, 2005，32（4）：88-92.）【核心】
[25] 姜洪涛; 王宝军;基于GIS的工程地质环境评价系统分析，防灾减灾工程学报,2005，25（4）：451-457.（Analysis on the Assessment System of GIS-Based Engineering Geological Environment Journal of Disaster Pnevention and Mitigation Engineering,2005，25（4）：451-457.）【核心】
[26] 孙伟晔; 王宝军; 施斌; 周汇光. GPS、GIS在公路网规划中的应用, 桂林工学院学报, 2005，25（2）：169-172.（Application of GPS and GIS in Highway Network Planning, Journal of Guilin Institute of Technology, 2005，25（2）：169-172.）【核心】
[27] 赵德君; 王宝军;任意地质图剖面生成的方法探讨，西部探矿工程,2005，106（3）：91-92.（Discussion on Resulting Method of Arbitrary Geological Profile，West-china Exploration Engineering,2005，106（3）：91-92.）
[28] 蔡奕; 施斌; 刘志彬; 唐朝生; 王宝军;团聚体大小对填筑土强度影响的试验研究，岩土工程学报，2005，27（12）：1482-1486.（Experimental study on effect of aggregate size on strength of filled soils，Chinese Jounal of Geotechnical Engineering，2005，27（12）：1482-1486.）【EI,一级】
[29] 王宝军; 施斌; 刘志彬; 蔡奕;基于GIS的黏性土微观结构的分形研究，岩土工程学报，2004，26（2）：244-247（Fractal study on microstructure of clayey soil by GIS，Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26（2）：244-247）【EI,一级】
[30] 王宝军; 施斌; 周汇光; 蔡奕，GIS在边坡有限元数值分析前处理中的应用，高校地质学报,2004，10（1）：128-133. （GIS and Pre-Process of Finite Element Method for Slope Stability Analysis ，Geological Journal of China Universities,2004，10（1）：128-133.）【核心】
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[34] 邵莉, 施斌, 王宝军, 祁长青,周汇光. 2004. 基于GIS确定性模型的土体边坡稳定性评估研究, 工程勘察,(2):1-7. (Study on Stability Evaluation of Soil Slope by Using GIS-based Deterministic Model, Geotechnical Investigation and Surveying, 2004(2):1-7)【核心】
[35] Cai Yi, Shi Bin, Jiang Hongtao, Wang Baojun, Zhou Huiguang, and Sun Weiyi，A study on information management and aided decision making system for large-scale engineering geological survey (in Italia 2004; 32nd international geological congress; abstract, Anonymous,)，International Geological Congress, Abstracts = Congres Geologique International, Resumes (August 2004), 32, Part 1 482【国际会议】
[36] Liu Zhibin, ShiBin, Wang Baojun, Determination of the optimum magnification about soil SEM images for morphological fractal research, IS-Osaka 2004, Japan. 【国际会议】
[37] 王宝军，周汇光，孙伟晔，蔡奕，邵莉，滞洪区安全滞洪GIS管理剖析，水文地质工程地质，2003，Vol（4）：46-49. (Application of GIS in safe flood detention zone, Hydrogeology and Engineering Geology, 2003, Vol(4): 46-49)【核心】
[38] 王波, 施斌, 王宝军, 贾学天. 2003. 利用WEB GIS建立城市地下管线管理系统, 水文地质工程地质,(5):71-74. (Establishing urban underground pipeline management, Hydrogeology and Engineering Geology, 2003, (5):71-74)【核心】
[39] 蔡奕, 王宝军, 施斌, 方海东. 2002. GIS环境下膨胀土胀缩等级的模糊数学判别, 工程勘察, 2:1-4.(Determination of Expansive Soil Grades Using Fuzzy method in GIS Environment, Geotechnical Investigation & Surveying, 2002, 2:1-4)【核心】
[40] 方海东, 刘义怀, 施斌, 吴振君, 王宝军. 2002. 三维地质建模及其工程应用，水文地质工程地质, 3:52-55. (3D geoscience modeling and its engineering application, Hydrogeology and Engineering Geology, 2002, 3:52-55)【核心】
[41] Shi Bin, Hua Jianwei, Wang Baojun, Jiang Hongtao, Wu Zhishen Environmental Geotechnical Problems of Municipal Sanitary Landfills in the East-South of China, the 6th International Symposium on Environmental Geotechnology and Global Sustainable Development, Seoul, Korea, July 2-5, 2002. 【国际会议】
[42] Bin Shi, Yi Cai, Baojun Wang, Hongtao Jiang and Li Shao, Determination of Expansive Soil Grades Using Fuzzy method in GIS Environment, Proc. Of 9th IAEG, South Africa, Sept, 2002【国际会议】
[43] 方海东, 施斌, 王宝军. 2001.GIS在环境岩土工程中应用的回顾与展望, 桂林工学院学报, (21)4:371-375.(Review and prospect of GIS application in environmental geotechnology, Journal of Guilin Institute of Technology, 2001,(21)4: 371-375) 【核心】
[44] Baojun Wang, Bin shi, Ling Zhang. 2001. Liquefaction Analysis by GIS Method, Proceedings of the third international conference on soft soil engineering, 6-8 Dec. Hong Kong: 165-168. 【ISTP】
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[46] 施斌, 姜洪涛, 王宝军, 张凌. 2000. 工程粘性土微观结构分析技术, 工程地质学报,增刊: 379-381. (Analysis technique of engineering clayey soil micrestructure, Journal of engineering geology, 2000, supp:379-381)【核心】
[47] Wang Baojun, Shi Bin, and Zhang Ling, The Fractal Dimensions of the Expansive Mudstone in the Process of Swelling and shrinking, Proceedings of the International Symposium on High Altitude & Sensitive Ecological Environmental Geotechnology,, Nanjing University Press, 2000,pp228-235. 【国际会议】
[48] 王宝军, 陈征宙, 李清波, 王勇强. 1999. 黄河小浪底斜坡变形的“反叠瓦”式构造机制研究, 高校地质学报, 5(1): 100-104. (Study of mechanisms of the “over-covered titles” structure in slope deformation of Xiao Langdi of Yellow river, Geological Journal China University, 1999, 5(1):100-104)【核心】
[49] B.Shi,Z.Wu,H.Inyang,J.Chen,B.Wang.1999. Preparation of soil specimens for SEM analysis using freeze-cut-drying, Bulletin of engineering geology and environment,58:1-7. 【核心】
[50] 张凌, 王宝军, 施斌. 1999. 土粒度分维的确定方法探讨,水文地质工程地质, (26)5:43-45. (Discussion of methods for soil grain size fractal, Hydrogeology and Engineering Geology, 1999, (26)5:43-45)【核心】
[51] Shi B.,Jiang H.T., Zhang L. And Wang B.J., Microstructural Analysis Techniques for Engineering Clayey Soils, Proceedings of Second China-Japan Joint Symposium on recent Development of Theory and Practice in Geotechnology, Dec. 9-10,1999, pp361-372. 【国际会议】
[52] 王宝军，施斌，名胜古迹破坏的环境岩土工程研究，环境保护科学，沈阳，1997，23（5）：33-35.
[53] 施斌,王宝军,宁文务.各向异性粘性土蠕变的微观力学模型,岩土工程学报,1997，（19）3：7-13. 【EI，一级】
[54] Shi Bin, Wang Baojun,Li Qi and Jiang Hongtao, Quantification of microstructure of fine grained soil, Proceedings of the 30th IGC, Vol.23-Engineering Geology,1997,pp277-284. 【国际会议】
[55] Li Shenglin, Shi Bin, Du Yanjun, Li Qi and Wang Baojun, On the internal factors for controlling the swelling-shrinkage of expansive soil, Proceedings of the 30th IGC, Vol.23-Engineering Geology,1997. 【国际会议】
[56] 施斌，李立，姜洪涛，王宝军，DIPIX 图像处理系统在土体微结构定量研究中的应用，南京大学学报（自然版），1996，（32）2：275-280. 【核心】
[57] Shi Bin, Wang Baojun, Jiang Hongtao. “Quantitative Appraisal on the Microstructure of Compacted Clayey Soils,” Chinese Science Bulletin, 1996,(41)11:925-929. 【SCI】
[58] 施斌,王宝军,姜洪涛. 击实粘性土微观结构特性的定量评价,科学通报,1996，（41）5：438-441. 【SCI】
[59] Shi Bin, Wang Baojun, and Jiang Hongtao，Quantitative analyses on the microstructures of compacted expansive soil (in 30th international geological congress; abstracts, Anonymous,)，International Geological Congress, Abstracts--Congres Geologique Internationale, Resumes (1996), 30, Vol. 3 381【国际会议】
[60] Shi Bin, Li Qi, Salah Bishir, Wang Baojun, and Wang Youcheng，Environmental-geotechnical properties of soils contaminated by waste alkaline liquor from paper mills (in Environmental geotechnology; proceedings of the 3rd international symposium)，Environmental Geotechnology. Proceedings of the ... International Symposium (1996), 3, Vol. 1 239-245【国际会议】
[61] Shi Bin et al, Treatment of Soft Foundation of Expressway to New Nanjing Airport, Proceedings of 2nd International Conference on Soft Soil Engineering, Nanjing, May 27-30, 1996. 【国际会议】
[62] ShiBin, Wang Baojun, Progress in Studies on the Engineering Geology of Expansive Soils in China, Proc. Of 30th International Geological Congress. Beijing, China, Aug.4-14,1996【国际会议】
[63] Shi Bin, LiQi, WangBaojun,On the International Factors for Controlling the Swelling-shrinkage soil, Proc. Of 30th International Geological Congress, Beijing, China, Aug.4-14,1996; 【国际会议】
㈣ 分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用
本项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（01086）资助。
施斌丁勇索文斌高俊启
（南京大学光电传感工程监测中心，江苏南京，210093）
【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3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。
【关键词】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技术得到发展，它们不是对传统传感监测技术简单地加以改良，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。
2BOTDR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（vB）就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。BOTDR的应变测量原理如图1所示。
为了得到光纤沿线的应变分布，BOTDR需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱，也就是要得到光纤沿线的vB分布。BOTDR的测量原理与OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer）技术很相似，脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入 BOT-DR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布，如图1中（b）所示。发生散射的位置至脉冲光的入射端，即至 BOTDR的距离 Z可以通过式（1）计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图。
图1BOTDR的应变测量原理图
如图1中（c）所示，理论上布里渊背散光谱为洛仑滋形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移 vB。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。式中：c—真空中的光速；
地质灾害调查与监测技术方法论文集
n——光纤的折射率；
T—发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。
目前国际上最先进的BOTDR监测设备以日本 NTT公司最新研制开发的最新一代 AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪为代表。表1为AQ8603的主要技术性能指标。
表1AQ8603光纤应变分析仪的主要技术性能指标
3隧道安全监测
BOTDR分布式光纤传感技术在隧道方面的应用，目前已经在国内日渐成熟。我们在几条隧道变形监测系统的建设过程中，已形成了一整套的成功经验，为该技术在岩土和地质工程安全监测中的推广提供了坚实的技术基础。
3.1光纤铺设
为了使光纤精确地反映被测构筑物的应变状态，必须将之与构筑物紧密相连，铺设在结构物上。铺设的好坏，直接关系到监测的实际效果，因而在工程应用中，有着十分重要的意义。
根据光纤监测系统的设计原则，结合工程实际情况以及AQ8603应力分布式光纤传感器的特点，基本有以下两种铺设方法：全面接着式铺设和定点接着式铺设，如图2所示。
图2全面接着和定点接着
3.1.1全面接着式铺设
分别沿隧道纵深方向和横断面按全面接着方式布设传感光纤。沿纵深方向布设的传感光纤用于监测隧道纵向的整体变形情况，而沿横断面布设的光纤则是用于监测隧道横向的变形情况。
全面接着式铺设的特点是可以全程监测隧道的健康状况，监测对象为隧道整体，监测结果为隧道整体的变形情况。此种接着方式应用特定的铺设工艺，使用实验测定的效果优良的混合胶粘剂（以环氧树脂为主），将传感光纤按照设计线路粘着在混凝土的表面，并在传感光纤的末段接驳光缆，将监测信号传送至隧道监控中心。
3.1.2定点接着式铺设
此种接着方式的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在（或假定）变形处的变形情况。监测对象为变形缝等潜在（或假定）变形处，监测结果为变形缝等潜在（或假定）变形处的应力应变特征。此种接着方式的铺设方法大体等同于全面接着式铺设方式，所不同的是在设计施工面上选择一些特殊点进行粘着，即将光纤每隔1m至1.5m确定一个固定点，粘贴在混凝土墙面上，以此来检测隧道局部接缝处的变形（见图3）。在某些特点地点，根据实际情况，选择在特定的线路上在特定的位置安装接缝传感器，以监测变形缝的变形情况（见图4）。
图3隧道接缝布线示意图
3.2变形计算
由于引起隧道变形的原因比较复杂，有温度造成的构筑物热胀冷缩的整体变形，也有不同方向裂缝开裂和错动引起的局部变形，因此，将 BOTDR所测到的隧道的应变转换到变形，有时比较困难。因此比较可行的解决方法一是要合理地布置光纤监测网，分别监测隧道的整体应变和局部应变及其方向，结合变形特点，计算出构筑物的整体变形与局部变形；二是要采用相应的计算方法，将光纤的应变换算为隧道的变形。
图4接缝传感器示意图
例如，对于均匀应变，可以由下式计算变形：
地质灾害调查与监测技术方法论文集
式中：ε为应变，d为应变段长度，δ为变形。
对于不均匀变形，可以采用按一定间距定点接着的方式铺设光纤，两个粘结点间的应变近似地认为是均匀应变，按上式同样可以得到光纤沿线的不均匀变形。
如果隧道发生整体的不均匀沉降，可以按照挠度的计算方法（见式（3）近似计算它的沉降变形量：
地质灾害调查与监测技术方法论文集
式中：ε1、ε2分别为铺设在构筑物顶部和底部的两条光纤的应变，d为两条光纤的间距。
此外，结合数值模拟技术也可以实现变形的计算。可以将光纤的应变作为数值计算的边界条件或者已知条件，通过有限元或有限差分等计算方法，得到构筑物不同部位的各种变形。
总之，从隧道的应变转换到变形的计算常常比较复杂，但是只要通过合理地布置光纤监测网，采用正确的计算方法，隧道变形的计算是可以得到满意的结果。
4基坑变形监测
基坑变形监测是岩土工程领域的基本问题之一，基坑稳定性的重要性不言而喻。近半年来，课题组通过大量的室内外试验研究，将 BOTDR技术成功地应用到了南京市的几个深大基坑工程中，取得了一些十分有价值的成果。
众所周知，基坑变形原因复杂、类型繁多，但总体来说，主要是由基坑开挖引起的坑体水平位移问题和基底隆起问题。传统的监测方式，如土压力盒、测斜管等，由于自身传感方式的限制，往往有精度不高、抗腐蚀性差、损耗较大、浪费人力等缺点。课题组通过研究，成功地研制了一种具有专利技术的基于BOTDR技术的基坑位移监测分布式光纤传感系统（分布式光纤传感智能测斜管）。
图5基坑位移监测分布式光纤传感系统
如图5所示，利用传统的测斜管器件与先进的BOTDR技术相结合，开发出上述传感器。应用传统的测斜管器件的目的在于：①经传统方法验证，测斜管能够较理想地反映土体变形，是一种良好的材料；②测斜管自身带有卡槽，免去了人工开槽的工作；③该材料是常用的基坑监测材料，方便易得，比较经济；④应用与传统监测方式一致的材料，方便对新、旧技术进行类比。该系统的构成，简言之是将光纤按照一定的施工工艺，用经室内外试验和工程实践验证过的特殊的胶黏着在测斜管上，构成传感系统，我们称之为分布式光纤传感智能测斜管。该传感器具有分布式光纤传感器的一切优点，并可进行准实时监测。
应用BOTDR技术的分布式光纤传感器所得到的监测结果，是沿光纤传感器的轴向物理信息（应变、温度等），因此，如何获得沿光纤传感器分布的基坑水平变形量，也就成了问题的核心。经过研究，应用计算挠度的方法来近似计算基坑的水平变形量。
由材料力学相关知识可知，沿线各点的挠度可利用下式计算。
地质灾害调查与监测技术方法论文集
式中：εx为所求点的光纤实测应变，其值为沿测斜管两侧的两条光纤的应变差；d为粘贴在测斜管两侧的光纤之间的距离；积分起点为深部某无应变点，v(x）为各点的挠度，可以近似地认为是基坑的水平变形量。
5连续配筋混凝土路面检测
连续配筋混凝土路面（CRCP）是全部省略接缝的连续混凝土板，是为了减轻因接缝而引起的振动与噪音，或为改善平整度、提高行车舒适性而使用的路面。对于这种高性能的路面结构形式，其钢筋应力状态、混凝土应力状态和路面的裂缝分布是反映该路面使用性能的主要因素[8.9]。将 BOTDR这项优秀的无损检测技术应用于监测 CRCP路面钢筋、混凝土应力和路面裂缝，具有重要意义。
图6为BOTDR分布式光纤传感系统在连续配筋混凝土路面中的布置图。路面纵向钢筋共有11根。在其中9根钢筋上布设了传感光纤，温度补偿光纤4根，应变传感光纤5根，沿中心对称铺设。
图7为浇注混凝土开始5天内BOTDR检测的板表面混凝土应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向表面混凝土应变分布情况，而且可以根据最大拉应变的位置预测出路面可能产生裂缝的位置。如图中79m处最有可能出现裂缝。
图6光纤传感系统布置
图7板表面混凝土应变分布
图8为浇注混凝土开始5天内 BOTDR检测的钢筋应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向钢筋应变分布情况。在混凝土硬化这段时间里，钢筋应变不是均匀的，通过连续监测钢筋应变，有助于预测路面的使用性能。
本实验测试结果表明，BOTDR分布式光纤传感系统能够在线对连续配筋混凝土路面板中的钢筋和混凝土应变进行有效的检测。这说明BOTDR在路面板、桥面板及其他一些类似工程中具有良好的适用性及广阔的应用前景。
6结语
分布式光纤传感技术在我国尚处于起步阶段，虽然在隧道、基坑等部分领域取得了一定成功，但仍然有许多研究工作有待进一步开展，这包括两个方面，一是分布式光纤传感监测技术本身的进一步改良；二是要不断地解决在工程监测中的技术问题。可以相信，随着这一技术的不断研发和成熟，越来越多的大型基础工程将采用这一技术进行分布式监控和健康诊断，应用前景十分广阔，无法估量。
图8钢筋应变分布
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㈤ 基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统研究
基金项目：国家杰出青年基金项目（40225006），国家教育部重点项目（010886），南京大学985工程项目。
索文斌王宝军施斌刘杰
（南京大学地球科学系地球环境计算工程研究所，南京，210093）
【摘要】BOTDR是一种新型的分布式光纤传感监测技术，其分布式、高精度、长距离、实时性、远程控制等特点，已逐渐受到工程界的广泛关注。由于监测是分布式的，所以得到的数据与地理位置具有重要的相关性。结合工程实践中遇到的具体问题，研发了一套基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统。本文重点论述系统的设计要求，包括设计目标、技术框架和特色功能。结合某隧道 BOTDR监测工程开发的一套相应的监测数据管理系统，实现了工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化、监测信息的对比查询等功能，是一套集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。
【关键词】BOTDRGIS分布式光纤传感器监测系统
1引言
光纤传感技术以其良好的耐久性、抗腐蚀、抗电磁干扰，适合于在恶劣环境中长期工作等优点受到越来越多的工程建设者和科研人员的重视[～3]。BOTDR(Brillouin Optic Time-Domain Reflectometer）布理渊光时域反射计，作为新型的分布式传感技术，逐渐得到工程界的认可。日本、加拿大、瑞士等国已成功地将该技术应用到水坝、桩基、边坡、堤岸等工程的监测中[～3]。我国自2001年由南京大学地球环境计算工程研究所率先从日本引进该技术以来，开展了大量的室内外实验研究，并成功地完成了多个工程项目，取得了一系列重要的研究成果[4-7]。
在具体应用中，BOTDR所提供的监测结果存在诸如直观表现差、数据配准和空间定位困难、综合管理功能弱等方面的缺陷，未经过系统培训的工程技术人员，很难读懂 BOTDR的监测结果，后期成果处理也非常繁琐。本文针对大型工程分布式光纤传感监测领域存在的数据分析与管理中存在的不足，提出了一套比较切合工程实际的解决方案，并结合具体工程实例设计和开发了一套应用系统。实践表明，该系统可以很好地实现对监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示以及监测信息的对比查询等功能。
2问题的提出
2.1 BOTDR的监测原理[1]
激光在光纤中传播时，光波与光声子相互作用即会产生布理渊散射光。当环境温度的变化量不大（T≤5°）时，布理渊光频率漂移量（vB）与光纤所受的应变量（ε）成正比，其关系式如下式所示：式中：υB（ε）表示光纤受到ε应变时的布理渊频率漂移量；υB(0）表示光纤不受应变时的布理渊频率漂移量；
地质灾害调查与监测技术方法论文集
为了得到沿光纤分布的应变信息，只需测量沿光纤分布的布理渊频率漂移量的变化情况，沿光纤距离光源为Z长度的点可由下式求得：
地质灾害调查与监测技术方法论文集
式中：c为光速，n为光纤折射率，T为自激光发射与接收到布理渊散射光所经历的时间。
监测原理如图1所示。
图1BOTDR的应变监测原理图
2.2 BOTDR在结果表现上存在的问题
在实际工程应用中，根据工程实际情况的不同，可按照不同的黏着方式将传感光纤粘贴在所需监测结构（或材料）的表面，从而获得被粘贴结构（或材料的）沿光纤的径向应变分布信息。但 BOTDR所提供的监测结果存在以下几个方面的缺陷：
（1）海量数据的综合管理缺陷。BOTDR提供的监测数据是沿光纤径向的每一点的应变信息（点之间的间距和仪器的距离分解度相关），而这些点的应变信息是以数据点的形式给出的，造成原始数据繁多复杂。
（2）实际里程与监测结果的数据配准问题。分布式光纤传感器在实际铺设过程中，出于定位需要，经常预留一些冗余光纤，为了将所测得的应变量和实际的光纤里程对应起来，必须获得发生应变部位距离光纤光源的实际里程，而 BOTRD提供的监测里程是光纤的实际长度（包括冗余部分），并不是工程实际里程，也就是说监测结果与实际里程之间存在数据配准问题。
（3）监测结果的直观表现不佳。BOTDR原始监测系统并不提供阈值设定功能，即对于特定的工程而言，我们必须人为地设定阈值寻找应变异常信息。
（4）实测数据影响因子多。BDTOR监测结果是在诸如温度影响在内的多种因子的影响下测得的数据，未经处理的实测数据可信度差。
（5）缺乏面向最终用户的监测数据。BOTDR监测结果是未经配准和处理的纯文本文件，这些数据并不是面向最终用户，而是面向具有 BOTDR操作经验的科研人士，也就是说未经专业培训的工程技术人员很难读懂 BOTDR的原始成果。
3基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统设计
3.1系统设计目标
针对上述所存在的问题，基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统应该遵循以下的总体设计目标：
（1）完成对所监测工程的日常健康诊断，分析工程安全性。以应变分析为核心，建立工程安全评价体系，完成对影响规划、管理、决策及科学研究的数据进行储存更新、查询检索、智能评价、统计分析、类比判别和制图制表等任务，提高工程管理质量和效率。
（2）利用BOTDR提供的数据，经系统处理后再配合工程实地调查数据，完成以工程质量为目标的各项监测工作。应用横向纵向两方面类比模式监测工程安全性，即利用不同光纤反馈回来的数据，以及同一根光纤不同时间测试的数据进行类比分析，得出工程可信的结果。
3.2系统技术框架
结合目前GIS的发展趋势，并考虑工程实际的可操作性，系统应用ESRI公司提供的MapOb-jects组件，在Visual Basic 6.0环境下开发了以组件式GIS为核心的管理系统，系统的技术框架如图2所示：
图2系统技术框架图
从图2的技术框架图中可以直观地看出，系统设计以各种不同用户的需求作为指导，并在开发中通过信息反馈不断更新和完善系统功能及工作模式。系统以基础地理及属性数据库为基础利用GIS的开发实现空间数据的提取，结合光纤监测数据库实现监测数据的配准以及可视化表示，以不断更新和完善的管理与决策数据库实现科学决策，构建集基础功能、智能分析、决策管理于一体的多功能系统。
3.3系统的功能与特色
基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统基本实现了如图3所示功能。
从图3可以看出，该系统基本上可以解决工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示、监测结果的智能化分析，是一个以工程应用为目标，以监测结果为核心的多功能管理与智能化分析系统。
（1）图层控制：系统加载多个图层（ESRI的Shape文件、AutoCAD的DXF文件或图像文件JPG、BMP、GIF、TIF等）。在使用中用户可以通过图层控制图层是否可见、图元颜色、可视化范围、图层顺序等，以便于对特定图层进行浏览。
图3系统的功能与特色
（2）视图控制：系统提供图像的放大、缩小，全局显示、局部显示，漫游等基本功能。
（3）动态标注：系统实现了空间任意位置的动态跟踪标注。用户点击鼠标后可随时获得鼠标所在位置的属性信息。
（4）数据维护：用户可以选择两种不同方式查询、检索、更改数据，提供完善的从图到属性和从属性到图的数据查询、检索、更改方式。
（5）绘图功能：系统提供自助的绘图方式，用户可按照自己的想法和要求新建图层或者在原图上自行绘制图形，并根据程序提供的属性表为数据添加属性。
（6）元素选取：系统能够识别图中选取的元素，通过线、矩形、区域、多边形、圆来拾取物体，并显示拾取元素的属性数据。当选中特定位置的光纤时，光纤以闪烁3次来回应用户选中的光纤。
除上述功能之外，鉴于分布式光纤监测的工程特点，本系统还具备以下几个特色功能：
（1）数据分析：系统以绘制专题应变曲线图的方式提供数据分析功能。通过 BOTDR实测数据，绘制光纤应变曲线专题图，根据不同的阈值设置不同颜色的应变曲线图。
（2）数据配准：在实测数据与工程实际里程之间，根据实际工程光纤铺设的特征数据信息（光纤定位信息），系统提供一个精确的配准模块，误差小，应用性强。
（3）图例显示：系统提供独特的图例，便于工程管理。如，实际工程若铺设5根光纤，并且光纤铺设在不同墙面，采取二维示意图显示，可以绘制不同的图例显示，用以区别不同墙面铺设的不同光纤。
（4）对比查询：系统提供了由系统操作主界面至应变曲线绘制界面的对比查询方式，用户可选则从图到曲线或从曲线到图的两种方式进行结果查询，这样，工程监测的质量和效率就大大提高了。
4工程应用实例
4.1工程概况
某隧道工程是一湖底隧道，全长约2.56km，其中湖底隧道长约1.66km，为双向六车道，三箱室结构形式，其中左右两个箱式为车行道，中间箱室为净宽3m的管廊与检修通道。隧道设计宽约32m，净空高度4.5m，设计车速为60km/h。
2002年7月，隧道项目指挥部经反复调研和论证后，决定采用BOTDR技术进行隧道整体变形监测。2002年11月～12月，项目组完成了传感光纤铺设，铺设情况如图4所示，并分阶段对隧道变形进行监测。2003年1月～4月，为施工监测阶段，2003年5月通车后至9月为常规监测阶段。施工监测阶段主要进行由于后期施工对隧道变形的影响以及隧道箱体接缝变形监测，监测频率为2天/次。常规监测阶段主要进行通车条件下隧道稳定性监测，监测频率3～5次/周。
图4某隧道光纤总体平面布置图
4.2隧道工程监测数据管理的系统实现
4.2.1数据准备
系统的基本数据包括施工区域图、隧道信息、光纤铺设信息、光纤监测数据等四大类。这四类数据既包含了空间信息数据又包含了属性数据，是构成系统数据结构的基础，又是系统数据分析和管理的前提。
（1）施工区域图。主要提供隧道基本信息与周边环境状况，用以确定施工地理信息、施工线路等，为绘制隧道二维示意图提供标准。
（2）隧道信息。主要提供隧道纵剖面、横剖面信息。横剖面信息用于了解光纤铺设里程和方位，纵剖面信息主要用于掌握具体施工操作面，为准确绘制隧道二维示意图做数据基础。
（3）光纤铺设信息。主要提供传感光纤铺设信息。拟铺设的5条传感光纤处在隧道南洞、北洞不同的墙面上，每条光纤的实际铺设长度与工程里程必有误差，通过在铺设过程中了解光纤定位信息，为数据配准模块提供数据基础。
（4）光纤监测数据。主要指 BOTDR实测应变数据，这些实测数据通过数据配准、阈值设定等系统转换处理后，将得到精确的隧道不同位置的应变信息。
4.2.2系统工作流程
数据管理与分析是该系统的核心组成部分，是得到精确工程监测信息的重要组成部分。数据管理与分析主要靠以下流程来实现：
步骤一：数据准备
将BOTDR实测数据以＊.txt文件存放到指定位置，以备数据处理调用。
步骤二：选择光纤
在5根铺设的光纤中，在主操作界面中点击所需监测光纤，即完成所需光纤的选择，点击所选光纤时，与之相对应的系列在后台被调入。
步骤三：选择系列
所谓系列，就是不同时间监测的不同光纤的应变信息和数据配准信息。选择系列操作包括调入监测数据，选择数据配准，设置隧道变形阈值等。
步骤四：应变分析
进行系列选择之后，选择绘制曲线，系统即在新窗口绘制出经数据配准的隧道整体应变分析图。
除上述主要数据管理与分析功能之外，系统还设置了分段管理与分析的功能，即通过对所需监测段进行设置起点、设置终点操作，进行局部数据的管理与分析。另外，系统还提供了由图到曲线（或曲线到图）的对比查询方式，选择图到曲线（或曲线到图）的菜单项之后，图和曲线完美地对应起来，并提供了阈值设定功能，做到自动预警，避免人为干扰。图5至图7显示了系统数据与管理功能的操作界面，其中，图5为数据分析界面，图6为选择系列界面，图7为隧道应变分析曲线界面。
图5数据分析界面图
图6选择系列界面
图7隧道应变分析曲线界面
5结语
综上所述，应用GIS管理分布式光纤监测工程可实现海量数据的高效管理。GIS以其独特的数据管理、查询、检索、分析模式成为工程管理的首选。它的海量数据分层管理、数据结果的可视化表现、实现双向查询、面向最终用户的特点更显示其理想的工程管理能力。具体的说，系统具有以下优点：
（1）系统改善了BOTDR原系统中海量数据的综合管理模式，结果显示更加清晰直观。
（2）系统设置了数据配准、阈值管理等模块，监测结果可直接应用，避免了人为判别的误差，提高了工作效率。
（3）系统采用可视化显示，面向最终用户，无须对具体工程监测人员进行系统培训。
（4）系统实现了工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示、监测信息的对比查询等功能，是一个集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。
本系统以具体工程为实例，具有更加科学、高效、直观、方便等优点，并减少了BOTDR监测结果的后期人为干扰，使得测试结果更加客观、准确，有利于科学管理和提高效率。
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