研究前沿
光纤技术在石窟寺岩体监测中的探索研究——以安岳石窟为例
光纤技术在石窟寺岩体监测中的探索研究
———以安岳石窟为例
李黎1，陈卫昌1*，邵明申1，徐东升2，刘建辉1，都奎建1，汪洋1
1. 中国文化遗产研究院，北京 100029；
2. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070
摘要：监测工作是石窟寺预防性保护的重要内容。岩土工程领域诸多成熟的监测技术被应用于石窟寺监测，为石窟寺保护研究提供了极大便利。然而，受石窟寺文物属性的影响，传统监测手段往往难以满足石窟寺监测效率、精确度、实时性、持续监控能力等要求，石窟岩体内部错综复杂的物质、状态和运动界面的定位与动态观测仍是重要难题。光纤技术因其长距离、无源、耐久性好、抗干扰性强等优点，在地质与岩土工程防灾减灾领域中得到广泛应用和快速发展。在四川安岳圆觉洞顶板保护加固工作中，对光纤技术进行针对性改性研发和应用，结果表明光纤监测技术有效克服了监测精度不足、参数不全、点式漏监等局限，实现了石窟顶板岩体变形和温度的长期高精度监测，捕捉到了微环境扰动下石窟岩体变形特征。光纤技术在石窟岩体结构监测中具有较高的可行性和较强的应用潜力，有望为大型不可移动文物监测研究提供更丰富的技术支撑。
关键词：石窟；光纤技术；结构监测；岩体变形
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引言
石窟寺所处岩体的地质特征复杂，其赋存环境多样，岩体失稳、表层风化和水害是石窟寺保护当前面临的突出问题。石窟寺经历了长期自然营力作用，不断受到自然界和人类活动的影响，导致石窟寺普遍具有岩体结构发育、岩石强度低、影响因素复杂的显著特点，因此，几乎不可能在实验室中开展石窟寺的原型试验，也几乎无法复制石窟复杂的结构特征。因此，要精准真实地获取石窟岩体在多场作用下的演化过程和劣化机理，加强原位观测是重要的基础途径。
不可移动文物的原位检测、探测和监测是保护工作的重要内容，其中，监测工作已经成为预防性保护的重要环节。传统的石窟岩体监测方法主要依赖于人工直接测量、非接触式遥感技术检测以及地球物理探测等手段，如使用尺子、测距仪等工具，进行石窟岩体外观几何尺寸和裂缝检查，使用地质雷达等进行石窟岩体内部结构探查，使用声发射监测评估石窟岩体结构应力等。然而，这些传统方法在效率、精确度、实时性、持续监控能力及多参数监测上还存在较多问题。光纤技术可以提供高精度、非接触、长距离监测，为石窟岩体监测提供了更为精细化、实时化和全面化的解决方案。但是，由于石窟寺岩体的高度损伤、结构复杂且随机隐蔽，以及在多场作用下石窟岩体结构变化的多样性，当前石窟岩体结构变形的监测技术，在时间和空间上还很难完全覆盖石窟岩体内部错综复杂的物质、状态和运动界面的定位与动态观测。同时，洞窟的形制多样，建筑学、岩体力学、水文地质学特征显著，石窟壁画、彩绘、贴金等保存脆弱，极易受微环境扰动的影响，导致诸多成熟的监测手段的应用受限且效果有限，整体监测不易实施。
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光纤技术优势及其在石窟岩体结构监测中的应用潜力
20 世纪 80 年代，随着光纤通讯技术的发展，光纤技术因其长距离、无源、耐久性好、抗干扰性强等优点，在地质与岩土工程防灾减灾领域中得到广泛应用和快速发展。特别是分布式光纤技术（Distributed Fiber Optic Sensing，DFOS）、准分布式的布拉格光纤光栅感测技术（FBG）成功应用于地质与岩土工程监测领域，为地质工程灾害机理和理论判据研究提供了全新的技术手段，为地质灾害防治、地质工程岩土工程建设、重大工程安全监测和灾害预警作出了重要贡献，该项成果也获得 2018 年国家科技进步一等奖。
1.1 光纤传感基本原理
光纤传感技术是利用光为载体，以光波参数如频率、波长和相位的变化来反应周围环境变化的新型传感技术，具有分布式、长距离、长寿命、多量程、高分辨率等显著优势。在岩土体监测中，光纤技术可以实现应变场、水分场、温度场和应力场等多场感知。事实上，光纤技术因其抗电磁干扰、尺寸小、重量轻，能根据实际监测需求形成复杂的串联或并联结构，且传感与传输共用一条光纤的特点，很大程度上克服了传统电磁传感器电磁干扰、易腐蚀、尺寸过大等局限。当前，光纤感知技术已经成为各国竞相研发的尖端技术。
光纤 Bragg 光栅属于短周期光纤光栅（图1），当一段宽带光波入射到光纤光栅中，被分为反射光、透射光两部分。光束中波长满足布拉格条件的在光栅处发生反射，其余波长的光则会发生透射，而发生反射的光能够叠加成为反射峰，可认为光纤光栅对光波起到了过滤筛选的作用，这种特定光波的波长中心峰值即为光纤 Bragg 光栅的中心波长，光栅反射的波长表达式为：
其中，λB 为光纤光栅的中心波长，2neff 为光纤的有效折射率，Λ 为光栅的周期。由公式可知，对光纤 Bragg 光栅的波长起决定作用的是光纤的有效折射率和光栅的周期，与两者呈线性关系。因此外界任意使该两参数发生改变的物理参量均会引起光纤光栅波长发生漂移，即反射波的波峰发生移动，通过波长检测器检测到波长的漂移量，即可实现对外界相应物理量的测量。
而应变和温度是最能直接引起光纤光栅波长发生漂移的物理量。光纤光栅波长漂移可以表示为：
其中，Δε 为光纤布拉格光栅轴向应变变化量；ΔT 为温度变化量；pe 为有效弹光系数；ζ 和 α 分别为光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数。当光纤光栅受到外界应变或者应力的作用时，光栅的周期会发生变化，同时光弹效应会导致光栅有效折射率变化，当光纤光栅受到外界温度影响时，热膨胀会引起光栅周期发生变化，同时热敏效应会引起光栅的有效折射率变化。进一步地该公式还可简单表示为：
式中，cε 和 ct 分别是光纤光栅的应变系数和温度系数。按照现有光纤光栅传感器的参数，cε=0.78×10-6 με-1 和 ct=6.4×10-6 ℃，根据公示（4）可以计算得出，每微应变引起的光纤光栅波长漂移为 1.2 pm，每摄氏度引起的光纤光栅波长漂移为10 pm。
目前已有的基于光纤光栅的各种传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长，以达到测量被测物理量的目的。
1.2 光纤在石窟岩体变形监测中的应用潜力
石窟寺岩体结构变形兼具渐进性与瞬时性特点，石窟岩体因其岩石材质、岩体结构和赋存环境等复杂因素的影响，岩体变形阈值横跨微小变形（＜10 -6 m）、小变形 （10 -6~10 -1 m）和大变形（＞10-1 m），且具有显著的非线性特点，这就导致石窟岩体变形的计算和现场实际测量数据存在很大的不一致性。同时，由于石窟本体的脆弱性和赋存环境的复杂性，传统的点式或电测类传感技术难以满足石窟复杂岩体结构的无损、高精度、多场感知的长期安全监测要求。因此，光纤技术因其在原位观测方面的优势，在岩体原位观测技术测量、遥测、检测、探测和监测的历史演化过程研究中具有广泛的应用前景，并有望在石窟寺等大型不可移动文物的结构监测中提供崭新的技术手段。
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光纤技术应用效果
2.1 实施应用场景
2019 年，科技部特设了石窟领域首个国家重点研发计划项目“石窟寺岩体稳定性预测与加固技术研究”，主要围绕石窟寺岩体失稳破坏机理，岩体结构探测与变形监测技术，岩体稳定性评估与预测，岩体加固材料与技术等方面开展系统研究。其中，石窟岩体结构变形的监测是岩体稳定性评估和预测的重要基础。选取了中国西南地区的安岳石窟圆觉洞为研究对象，开展了光纤技术在石窟顶板岩体结构变形监测中的应用性研究。
经现场调查，圆觉洞顶板岩体共发育 166 条中、小尺度的岩体结构面，并呈现明显的空间差异性分布特征。如图 2 所示，顶板北侧（洞窟内部）岩体结构以卸荷裂隙、风化裂隙与层理交互切割为主，形成大面积阶梯状剥落；顶板中部（洞窟中部）主要为浅表性风化裂隙，整体呈颗粒状脱落；顶板南侧（洞窟窟口）以定向排列的风化裂隙为主，受层理与卸荷裂隙影响而形成局部掉块。受顶板北侧卸荷裂隙和中部卸荷裂隙切割，顶板岩体结构呈现出 3 级台阶式分布，顶板中间发育一条南北走向的构造裂隙，控制着顶板的整体稳定性。因此，此次岩体结构变形的监测主要选取顶板北侧、顶板中部和顶板南侧的结构面为监测对象。
2.2 光纤研发制作过程
在光纤监测的实施中，传感器的开发与标定、光纤的封装、信号的解调是不可回避的问题。为了使光纤光栅位移裂缝传感技术适用于石窟岩体结构的监测，我们对 FBG 传感器进行了开发设计，主要包括对传感器性能指标筛选，工程适用性评估，稳定性和重复性检验，以及耐久性评估方面开展了系统论证和研发。具体而言，一是筛选了高性能传感器，通过复合压力、振动和位移一体化测量模块，实现压力单元的灵敏度达到 0.01 nm/kPa，同时可检测 1~4 Hz 的低频振动信号和 1~4 mm 的位移。二是采用 3D FDM 封装技术（图 3），通过逐层喷涂、熔结封装材料，突破了传统制造技术在形状复杂性方面的技术瓶颈，且保证了封装光纤的打印精度和耐久性。三是根据石窟岩体变形阈值和石窟赋存环境，采用有限元分析模型，研发了中小石窟多尺度岩体变形分布式光纤信号解调技术和设备，实现了 12 通道连续采集，以及数据的远程采集和实时 5G 传输（图 4）。
2.3 位移标定与温度标定
由于光纤光栅传感器对温度敏感，温度就不可避免的影响监测结果，因此有必要对传感器进行温度和位移的标定（图 5），便于后期分析温度补偿的影响。为此，我们在实验室开展了位移标定和温度标定。其中位移标定在高精度滑移平台上进行，滑移平台的刻度精度为 0.01 mm，温度标定在温度箱中进行，温度控制精度为 0.1 ℃。
从表 1 中可以看出，传感器的位移标定灵敏度系数为 2.2889×10-7 cm/mm，线性拟合系数为 0.9929 ，传 感 器 1# 的标定温度灵敏度系数为 4.02×10-9 cm/℃，线性拟合系数为 0.98337，标定结果表示传感器的位移和温度线性度良好。
2.4 现场布设
本次现场试验共制作了 14 个高精度位移裂缝传感器，且安装前均反复验证，信号良好，并顺利在四川安岳石窟圆觉洞顶板岩体进行安装和长期监测。实际应用中安装了 9 个高精度位移传感器和 3 个温度传感器。如图 6 为现场安装传感器布设位置图， 共安装 12 个传感器，9 个位移传感器，3 个温度传感器，9 个传感器的布设位置如图６ 的白点所示，图 ６ 中蓝点是布设的两个温度传感器，此外，还连接了一个温度传感器放置在数据采 集 装 置 箱 里 面 。温 度 传 感 器 1 初 始 波 长 为 1551 nm；温度传感器 2 初始波长为1539 nm；温度传感器 3 初始波长为 1560 nm。
图 7 显示了传感器 13# 和传感器 6# 的位置，以及铠装光纤走线的方式和光纤走线位置，铠装光纤均喷涂油漆，尽量使铠装光纤颜色和圆觉洞岩体颜色保持一致，以保证安装现场尽量隐蔽。光纤走线位置的套管采用了灰色热缩套管、黑色热缩套管以及灰色伸缩管，并根据不同的位置与岩体的颜色选择套管。
2.5 数据采集与分析
现场传感器与采集设备布设完成后，按照 1 s 的采集频率，分别采集了 2021 年 4 月 26 日至 2022年 2 月 16 日四个阶段共计 296 天的数据，各传感器在四个阶段的最大峰值位移如表 2 所示。
光纤监测的采集频率为 1 Hz，传感器波长变化同时受到温度和应变的共同作用，故需要同时分析温度和应变对传感器的影响。根据通道十和通道十一的温度传感器计算出圆觉洞各部位窟顶的温度，然后依据窟顶温度变化以及上述光纤光栅应变与位移的关系，计算得出各传感器在各个时间段内的微应变以及位移的变化。温度传感器采集的温度信号如图 8 所示。温度监测结果表明圆觉洞内部温度整体随时间呈波浪式变化，与安岳地区气温变化表现出一致性。各传感器的整体变化趋势一致，但存在差异，温度传感器 1 和 2 温度波动较小，而温度传感器 3 的温度波动较大，这主要是传感器位置不同，温度传感器1 和 2 位于洞窟内部，洞窟内部温度相对稳定，而温度传感器 3 位于洞窟外侧，受洞窟外温度影响较大，这与实际情况相符。
应变方面，单就一幅图而言，微应变和位移变化明显受到温度影响，随着一年四季温度的变化，其裂缝的活动也有规律的变化，这是由岩体热胀冷缩的性质引起的。通过对温度传感器的数据分析，依据窟顶温度变化及传感器光栅应变与位移的关系，计算得出各传感器在各个时间段内的微应变和位移的变化（图 9、图 10）。
对比同一位置微应变和位移的图像，微应变和位移变化趋势相同，并呈现一定的关系。图中有部分点发生突变，这可能由于外界因素导致的，例如 9 月中旬安岳附近发生了地震，所有传感器的位移及微应变都发生了突变，但是这并不影响总体趋势。比较不同传感器的微应变以及位移图，发现微应变和位移并不相同，这是由于传感器布设的位置不同，不同位置产生的沉降、裂缝的时间以及速度也不相同。同时，微应变和位移大小、正负并不相同，这和前期传感器安装过程有一定的影响，传感器安装过程对窟顶以及传感器本身都有一定的影响。
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结论
针对传统电磁传感监测技术存在电磁干扰、易腐蚀、尺寸过大且不能串联的瓶颈，本文所述在安岳石窟圆觉洞岩体变形监测中研发了岩体结构变形的光纤监测技术，有效克服了监测精度不足、参数不全、点式漏监等局限，实现了石窟岩体变形和温度的长期、高精度监测，捕捉到了微环境扰动下石窟岩体变形特征。
（1）采用 3D FDM 封装技术对光纤进行了喷涂、熔结和涂色，确保了封装光纤的打印精度和耐久性，同时在外观上隐蔽，符合石窟岩体监测的最小干预和长期监测需求。
（2）针对石窟岩体变形渐进性和瞬时性的不同特点，筛选出高性能传感器，并通过复合压力、 振动和位移一体化测量模块，实现压力单元的灵敏度达到 0.01 nm/kPa，同时可检测 1~4 Hz 的低频振动信号和 1~4 mm 的位移。
（3）根据石窟岩体变形阈值和石窟赋存环境，进行传感器位移、温度标定试验，确定性能参数与适用范围。采用有限元分析模型，研发了中小石窟多尺度岩体变形分布式光纤信号解调技术和设备，实现了 12 通道连续采集，以及数据的远程采集和实时 5G 传输。
本研究尝试将光纤技术应用到石窟寺的监测中，并对光纤技术的改进研发和应用进行了有益尝试。结果表明，光纤技术有望成为石窟监测的有力手段之一。本研究尚处于起步阶段，光纤的空间分辨率、传感器的界面效应以及温度效应和应变传递效应等还有待进一步探究，在后续应用中需针对石窟所赋存不同的地质条件和监测需要，对这些效应进行分析和处理，以提高监测结果的准确性。
原文载于《石窟与土遗址保护研究》2024年第4期，引用请参考原文。