《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Distributed fiber-optic monitoring of internal temperature and strain of rock support system subject to fire
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针对地下火灾及灭火冷却过程中岩石支护系统内部时空热-力响应难以全面监测的问题，研究人员采用光频域反射（OFDR）技术，对包含喷射混凝土、混凝土衬砌、灌浆、花岗岩和锚杆的集成试件进行了火灾加热与水冷却实验。结果发现锚杆导热显著、混凝土内部降温困难、冷却收缩失配易致二次损伤，为地下火灾安全与灾后评估提供了高分辨率数据支持。
想象一下，在幽深的隧道或地下洞室中，一旦发生火灾，后果往往不堪设想。历史上，1999年法国与意大利之间的勃朗峰（Mont Blanc）隧道火灾，以及2001年瑞士的圣哥达（Gotthard）隧道火灾，都曾导致混凝土衬砌崩解、顶板塌陷，严重威胁了人员疏散和救援安全。地下火灾不仅对隧道结构本身构成巨大威胁，其高温和随后的灭火冷却过程，更是对由喷射混凝土（shotcrete）、混凝土衬砌（concrete lining）、灌浆（grout）、周围岩体以及锚杆（rock bolt）等组成的岩石支护系统（rock support system）的综合考验。
然而，长期以来，我们对于火灾下岩石支护系统内部时空响应（spatiotemporal response）的了解相当有限。过去的研究多集中于单一组件（如仅测试混凝土或仅测试岩石）在烘箱内的均匀受热，这与真实火灾中仅单面受热、产生巨大温度梯度的场景大相径庭。此外，传统的点式传感器（如热电偶）难以捕捉界面处的复杂变化，且很少有人将锚杆、混凝土、岩石及其界面作为一个完整的系统来研究。锚杆作为优秀的导热体，其传热效应、混凝土与岩石热膨胀系数不匹配导致的界面脱粘、以及灭火时喷水冷却带来的热冲击（thermal shock）等问题，都是未解的谜题。
为了揭开这些谜题，Zihan Liu、Shao-Qun Lin、Yat Fai Leung、Dingjian Zhang 及 Louis Ngai Yuen Wong 等人开展了一项创新性的研究。他们巧妙地引入了先进的分布式光纤传感（Distributed Fiber Optic Sensing, DFOS）技术，特别是光频域反射（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR），对集成岩石支护系统试件在火灾加热和后续水冷却过程中的内部温度与应变分布进行了高分辨率的“透视”监测。这项成果发表在了《Tunnelling and Underground Space Technology》期刊上，为我们深入理解地下火灾对支护结构的损伤机制提供了全新的视角。
为了精准获取数据，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先是对155 μm聚酰亚胺涂层（polyimide-coated, PI）光纤的温度灵敏度系数进行水浴法标定；其次是利用单轴压缩试验验证了PI光纤监测表面应变的能力；随后设计了钢棒单向传热试验，验证了光纤在非完美接触界面下的温度监测准确性；最后，构建了包含喷射混凝土、混凝土衬砌、灌浆、花岗岩（granite）及HRB400锚杆的集成试件，内部预埋PI光纤（部分贴附测应变，部分套入全氟烷氧基树脂管PFA测温度），结合Type-K热电偶，利用丁烷燃气炉加热（约1000℃）及水冷却（模拟消防喷水）系统，借助Semicon OSI-S interrogator进行OFDR全程监测。
2. Principle of OFDR sensing technology
本节阐述了OFDR技术的基本原理。该技术基于瑞利散射（Rayleigh scattering），通过测量背向瑞利散射信号的频谱偏移来感知应变和温度变化。其核心公式为 Δλ/λ = -Δυ/υ = KTΔT + KεΔε，其中Δλ为波长偏移，Δυ为瑞利频谱偏移，ΔT和Δε分别为光纤的温度和应变变化，KT和Kε为对应的灵敏度系数。
3. Calibration and validation
为确保实验可靠性，研究团队进行了一系列标定与验证。
在3.1节应变验证中，研究人员在砂岩圆柱表面布置PI光纤（水平环圈与倾斜螺旋），与应变片（strain gauge）对比显示，两者数据吻合良好，垂直应变差异大多在5%以内，证明了PI光纤用于应变监测的可靠性。
在3.2节温度系数校准中，通过水浴法将PI光纤从室温加热至70℃，测得的频率偏移与温度变化呈近乎完美的线性关系，拟合得到温度灵敏度系数 K = 1.3811 GHz/℃，决定系数 R2为0.99。
在3.3节钢棒单向传热验证中，将PI光纤置于受热钢棒表面沟槽内，与Type-K热电偶对比，两者温度分布曲线匹配良好，验证了光纤在传热过程中监测温度分布的能力。
4. Monitoring rock support system subject to fire
这是研究的核心实验部分。
在4.1节实验准备中，研究者制作了200 mm × 200 mm × 180 mm的花岗岩立方体，中心钻孔植入HRB400锚杆，依次浇筑喷射混凝土层、灌浆和混凝土衬砌层，并在岩石内壁、锚杆表面精确布设了带PFA管保护（测温度）和直接粘贴（测应变）的PI光纤。
在4.2节测试过程中，试件底部用燃气炉加热136分钟（火面温度约1000℃），先自然冷却12分钟，再水冷却30分钟。
4.3节加热阶段的测量数据显示：火面（fire-exposed surface）温度136分钟达508.8℃，而5 cm深处的混凝土界面（concrete interface）温度为108.0℃，体现了混凝土的隔热效果。混凝土界面温度在90℃左右因水分蒸发吸热出现升温速率拐点。锚杆底部最高温度达117.9℃（高于同高度混凝土），最大应变达+2251 με（微应变），可能对混凝土完整性有害；花岗岩（granite）在混凝土-花岗岩界面处最高温度78.3℃，最大应变0.265%（约2650 με）。热量沿混凝土衬砌传播甚于深入岩石径向，锚杆导热不可忽视，其累积轴向位移比花岗岩大15%，可能引起灌浆层（grout）损伤。
4.4节冷却阶段的测量数据显示：水冷却瞬间火面温度从301.7℃骤降至127.5℃，热冲击明显；但5 cm深处混凝土界面冷却率仅-1.1℃/min，水冷42分钟后仍达72℃，说明外部洒水难以快速降低混凝土内部温度。锚杆温度先升后降；花岗岩应变在整个冷却过程中保持稳定，未随温度下降而释放；冷却时锚杆与花岗岩收缩变形不匹配，可能在锚杆-岩石界面产生二次损伤。
5. Discussion
在讨论部分，作者详细分析了实验的误差、局限性与通用性。
5.1节误差分析指出，通过使用极薄的瞬干胶底层和约0.2 mm的环氧树脂保护层，加上PI光纤的高模量，应变传递误差被降至极低；PFA管耐温性远高于实验温度（<120℃），且管内间隙大、摩擦系数低，确保了温度传感不受外力干扰。
5.2节局限性及未来工作提到，实验室尺度、加热温度（1000℃ vs 真实>1200℃）和时长（136 min vs 真实可达数十小时）受限，且未模拟侧向约束和饱和含水条件，故未发生混凝土爆裂（spalling）。未来计划开展更大尺度、更长锚杆、全尺寸现场测试及更高温度实验。
5.3节通用性指出，尽管是缩尺试验，但其温度历程与ISO 834标准火曲线接近，材料符合实际，且首次集成了完整支护系统及各阶段（加热、自然冷却、水冷却）监测。关键通用结论包括：锚杆导热显著；热沿混凝土衬砌而非深入岩石；锚杆与岩石位移失配；水冷却无法快速降低内部温度；冷却后岩石应变不释放；收缩失配致二次损伤。
综上所述，这项研究成功利用OFDR分布式光纤传感技术，首次在集成岩石支护系统尺度上，揭示了地下火灾加热及水冷却过程中内部高分辨率的时空温度与应变演化规律。研究明确了锚杆的导热效应及其与围岩的热膨胀失配风险，指出了混凝土内部降温缓慢及冷却阶段界面二次损伤的隐患。这些发现不仅弥补了传统点式传感器难以获取界面连续分布的不足，更为地下工程火灾安全设计、消防救援策略制定以及灾后结构评估与重建提供了至关重要的理论依据和数据支撑。
