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【摘要】：本文结合高速公路长隧道光纤环网的设计示例，研究高速公路隧道光纤环网需要遵循的技术规范和质量控制要点，以及如何降低和检测接续中的损耗。
【关键词】：测量、敷设、熔接、损耗
在高速公路建设中，隧道方案以能缩短行车里程，提高线型标准、保障运营安全、保护生态环境、节约土地资源等优点，得到普遍应用。但是，高速公路隧道作为高速公路运营管理的特殊路段，其安全保障需要特别关注，隧道光纤传输网络为隧道监控系统的安全运营提供了必要的途径和保障。随着系统的高集成化和各个系统联动的需要，多种设备共用隧道光缆，使得隧道光缆路由复杂化和光纤接续要求严格化。本文结合宝鸡至天水高速公路天水过境段石家山隧道及卧牛山隧道光纤网建设实例，进行了隧道光纤网设计和施工技术的分析。
一、隧道光纤网的分析
卧牛山隧道上行线长1430米（SK107+040～SK108+470），下行线长1347米（XK107+095～XK108+442）；石家山隧道上行线长3777.453米（SK109+565～SK113+480，短链：137.547米），下行线长3839.98米（XK109+540～XK113+550，短链：170.02米），皂郊隧道管理所（K117+594.865），距石家山隧道4.114公里，两处隧道构成一个隧道群。
本路段两处隧道的PLC各构成一个完整的光纤环网，隧道信息均上传至皂郊隧道管理所。光纤传输网由两根8芯单模光缆从隧道管理所经隧道右侧电缆沟敷设。可编程控制器网络负担隧道设备监控检测任务，传输隧道能见度检测信息和设备状态信息，控制隧道通风、照明、通行指示、应急设施运转。
光在光纤中传输时会产生损耗，这种损耗主要是由光纤自身的传输损耗和光纤接头处的熔接损耗组成。光缆一经定购，其光纤自身的传输损耗也基本确定，而光纤接头处的熔接损耗则与光纤的本身及现场施工有关。隧道光网络接续点较多且密集，努力降低光纤接头处的熔接损耗，则可增大光纤中继放大传输距离和提高光纤链路的衰减量。
二、影响光纤熔接损耗的因素
影响光纤熔接损耗的因素较多，大体可分为光纤本征因素和非本征因素两类。
1、光纤本征因素是指光纤自身因素，主要有四点：
(1) 光纤模场直径不一致；
(2) 对熔的两根光纤芯径失配；
(3) 纤芯截面不圆；
(4) 纤芯与包层同心度不佳。
其中光纤模场直径不一致影响最大，按CCITT(国际电报电话咨询委员会)建议，单模光纤的容限标准如下：
模场直径：（9~10μm）±10％，即容限约±1μm；
包层直径：125±3μm；
模场同心度误差≤6％，包层不圆度≤2％。
在标准范围内，一根模场直径为10μm的光纤与另一根模场直径为8μm的光纤在非常良好的接续条件下熔接后，接头处熔接损耗的理论计算值可达0.18dB，在实际接续中则更高。
2、影响光纤接续损耗的非本征因素即接续技术：
(1) 轴心错位：单模光纤纤芯很细，两根对接光纤轴心错位会影响接续损耗。当错位1.2μm时，接续损耗达0.5dB。
(2) 轴心倾斜：当光纤断面倾斜1°时，约产生0.6dB的接续损耗，如果要求接续损耗≤0.1dB，则单模光纤的倾角应为≤0.3°。
(3) 端面分离：活动连接器的连接不好，很容易产生端面分离，造成连接损耗较大。当熔接机放电电压较低时，也容易产生端面分离，此情况一般在有拉力测试功能的熔接机中可以发现。
(4) 端面质量：光纤端面的平整度差时也会产生损耗，甚至气泡。
(5) 光纤物理变形光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于5～10 cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。
3、其他因素的影响。
接线包中光纤的盘绕、预留光缆的盘绕、熔接机的熔接参数设置和放电电极的清洁状况，以及接续工作环境是否洁净等对光纤熔接损耗均有不同程度的影响。对非本征因素及其他因素的控制是隧道光纤施工的关键工作。
三、光纤接续
光缆接续是一项细致的工作，特别在端面制备、熔接、盘纤等环节，要求操作者周密考虑，规范操作，努力提高实践操作技能，才能降低接续损耗，全面提高光缆接续质量。本文详细阐述光纤熔接的操作过程及注意事项。
1、施工准备阶段
测量配盘。路由确定后，对其长度做实际的测量，精确到50cm之内。还要加上布放时的自然弯曲和各种预留长度，各种预留包括插入孔内弯曲、设备预留、接头两端预留、水平面弧度增加等其他特殊预留。为了使光缆在发生断裂时再接续，应在每百米处留有一定余量，余量长度一般为5%～10%。根据实际需要的长度订购，并在配盘时注明。
光缆敷设前首先要对光缆经过的路由做认真检查、管道试通，以确保光缆敷设的顺利进行。
2、光缆敷设阶段
光纤在某点断开后断开处的模场直径是相同的，因而在断开处熔接可使光纤模场直径对熔接损耗的影响最小，所以必须要求光缆生产厂家选用同一生产批次的优质名牌裸光纤按订货长度连续生产，根据规定的盘长将光缆依此断开绕盘，对绕好的缆盘连续编号并分清A，B端（断开处在前一盘上若为B端则在紧连的后一揽盘上就为A 端），不得跳号或错乱，敷设时按确定的路由根据统盘的编号顺序依次布放且前一盘缆的B端要和后一盘绕的A端相连，从而保证能在断开处熔接光纤，避免了因光纤模场直径不一致而导致光纤接头熔接损耗偏大的缺点。敷设光缆时必须采用牵引速度不大于20m／min的无级调速的机械牵引法，牵引力不得超过光缆允许张力的80％，瞬间最大牵引力不超过100％，牵引力必须施加在光缆中的加强件上，架设后光缆受到最大负载时产生的伸长率应小于0.2％，为避免牵引过程中光纤受力和扭曲，在必要时需制作光缆牵引端头，施工中光缆的弯曲半径应大于光缆直径的20倍，光缆必须从统盘上方放出并保持松驰弧形且无扭转、严禁打小圈弯折扭曲等，从而尽可能地降低光缆中光纤受损伤的几率，避免因光缆端部的光纤受损伤而使接头熔接损耗增大。另外“前走后跟，光缆上肩”的放缆方法，能够有效地防止打背扣的发生。
隧道光缆沿电缆沟敷设，光缆布放时应尽量減少转弯，绑扎应松紧适度，不得过紧，不得有其他电缆压在光缆上面，必要时应加保护套管，多余的光缆线圈绑扎于电缆托架上。光缆穿过钢管敷设时要有附加的保护措施，以避免光缆纤芯和护层损伤。
3、光纤熔接阶段
隧道内光纤接续环境是最为恶劣的，潮湿、灰尘、温差、污浊空气等严重影响光纤接续质量。施工车辆经过洞内时粉尘较多，光纤熔接工作必须选择较好的施工时段，在有条件的情况下，可以提前封闭隧道进行作业。搭建帐篷施工时，帐篷前后50m须设置交通反光锥，并由专人警戒；用施工车车厢施工时必须要避免车厢门夹伤光缆。接续光纤须在整洁的环境中进行，在多尘及潮湿的环境中不宜进行熔接。光纤接续部位及接续工具必须保持清洁干燥，制备光纤端面时必须先擦拭后切割，制备好的光纤断面必须清洁不得有污物，且不宜长时间暴露在空气中更不能让其受潮。
(1) 端面的制备
光纤端面的制备包括剥覆、清洁和切割3个环节。合格的光纤端面是熔接的必要条件，端面质量直接影响到熔接质量。
①光纤涂层的剥除
②裸纤的清洁
③裸纤的切割
4、光纤熔接
光纤熔接是接续工作的中心环节，因此采用高性能的熔接机以及在熔接过程中科学操作十分必要。熔接前，根据光纤的材料和类型，设置好最佳预熔主熔电流和时间及光纤送入量等关键参数。
(1) 放电试验
一般自动熔接机的放电条件内存有30种，这对于得到较低的熔接损耗是非常重要的。因此，在熔接作业开始前要做放电试验。使用前应使熔接机在熔接环境中放置至少15 min，根据当时的气压、温度、湿度等环境情况，重新设置熔接机的放电电压及放电位置，以及调整V型槽驱动器复位等，使熔接机自动调整到满足现场实际的放电条件上工作。
(2) 光纤熔接
在施工中采用的是高精度全自动熔接机，它具有X、Y、Z三维图像处理技术和自动调整功能，可对欲熔接光纤进行端面检测、位置设定和光纤对准（多模以包层对准，单模以纤芯对准），具体过程如下。
①首先将2根同色标、端面制备完毕的光纤放入熔接机的V型槽中，保持15～20μm 距离，盖好防护盖。启动熔接机的自动熔接開关进行熔接。特别需要注意的是，将光纤放置到熔接机的V型槽中时动作要轻巧，因为对纤芯直径10 Pm的单模光纤而言，若要熔接损耗小于0.1dB，则光纤轴线的径向偏移要小于0.8 Pm。
②预热推近。用电弧对光纤端部加热0.2～0.5 s，使毛刺、凸面除去或软化，同时将2根光纤相对推近，使端面直接接触且受到一定的挤压力。
③熔接。光纤停止移动后，用电弧使接头熔化连接在一起。放电时间为：多模2～4 s，单模1 s。
熔接过程中还应及时清洁熔接机V形槽、电极、物镜、熔接室等，随时观察熔接中有无气泡、过细、过粗、虚熔、分离等不良现象，注意OTDR跟踪监测结果，及时分析产生上述不良现象的原因，采取相应的改进措施。如果多次出现虚熔现象，应检查熔接的2根光纤的材料、型号是否匹配，切刀和熔接机是否被灰尘污染，并检查电极氧化状况，若均无问题，则应适当提高熔接电流。
5、熔接补强保护
由于光纤在连接时去掉了接头部位的涂覆层，其机械强度降低，因此，要对接头部位进行补强。在施工中采用光纤热缩保护管（热缩管）来保护光纤接头部位。热缩管应在剥覆前穿入，严禁在端面制备后穿入。将预先穿置光纤某一端的热缩管移至光纤接头处，让熔接点位于热缩管中间，轻轻拉直光纤接头，放入加热器内加热。醋酸乙烯（EVA）内管熔化，聚乙烯管收缩后紧套在接续好的光纤上。由于此管内有一根不锈钢棒，不仅增加了抗拉强度（承受拉力为1 000～2 300 g）。同时也避免了因聚乙烯管的收缩而可能引起接续部位的微弯。
6、盘纤
盘纤是一门技术，科学的盘纤方法，可使光纤布局合理、附加损耗小、经得住时间和恶劣环境的考验，且可避免挤压造成的断纤现象。盘纤的方法：先中间后两边，即先将热缩后的套管逐个放置于固定槽中，然后再处理两侧余纤，如个别光纤过长或过短时，可将其放在最后单独盘绕。
四、光纤接续点损耗的测量
光损耗是度量光纤接头质量的重要指标，使用光时域反射仪（OTDR）或熔接接头的损耗评估方案等测量方法可以确定光纤接头的光损耗。
1、使用OTDR计量
OTDR的工作原理是：往光纤中传输光脉冲时，由于在光纤中散射的微量光，返回光源侧后，可以利用时基来观察反射的返回光程度。由于光纤的模场直径影响其后向散射，因此在接头两边的光纤可能会产生不同的后向散射，从而遮蔽接头的真实损耗。如果从2个方向测量接头的损耗，并求出这2个结果的平均值，便可消除单向OTDR测量的人为因素误差。加强OTDR的监测，对确保光纤的熔接质量，减少因盘纤带来的附加损耗和封盒可能对光纤造成的损害，具有十分重要的意义。
2、熔接接头损耗评估
某些熔接机使用一种光纤成像和测量几何参数的断面排列系统，通过从2个垂直方向观察光纤，计算机处理并分析该图像来确定包层的偏移、纤芯的畸变、光纤外径的变化和其他关键参数，使用这些参数来评价接头的损耗。但因其是采用光纤芯轴直视法进行局部监视测得的，仅在非常理想的状态下才反映实际的熔接损耗，故一般仅供参考用。
【关键词】：测量、敷设、熔接、损耗
在高速公路建设中，隧道方案以能缩短行车里程，提高线型标准、保障运营安全、保护生态环境、节约土地资源等优点，得到普遍应用。但是，高速公路隧道作为高速公路运营管理的特殊路段，其安全保障需要特别关注，隧道光纤传输网络为隧道监控系统的安全运营提供了必要的途径和保障。随着系统的高集成化和各个系统联动的需要，多种设备共用隧道光缆，使得隧道光缆路由复杂化和光纤接续要求严格化。本文结合宝鸡至天水高速公路天水过境段石家山隧道及卧牛山隧道光纤网建设实例，进行了隧道光纤网设计和施工技术的分析。
一、隧道光纤网的分析
卧牛山隧道上行线长1430米（SK107+040～SK108+470），下行线长1347米（XK107+095～XK108+442）；石家山隧道上行线长3777.453米（SK109+565～SK113+480，短链：137.547米），下行线长3839.98米（XK109+540～XK113+550，短链：170.02米），皂郊隧道管理所（K117+594.865），距石家山隧道4.114公里，两处隧道构成一个隧道群。
本路段两处隧道的PLC各构成一个完整的光纤环网，隧道信息均上传至皂郊隧道管理所。光纤传输网由两根8芯单模光缆从隧道管理所经隧道右侧电缆沟敷设。可编程控制器网络负担隧道设备监控检测任务，传输隧道能见度检测信息和设备状态信息，控制隧道通风、照明、通行指示、应急设施运转。
光在光纤中传输时会产生损耗，这种损耗主要是由光纤自身的传输损耗和光纤接头处的熔接损耗组成。光缆一经定购，其光纤自身的传输损耗也基本确定，而光纤接头处的熔接损耗则与光纤的本身及现场施工有关。隧道光网络接续点较多且密集，努力降低光纤接头处的熔接损耗，则可增大光纤中继放大传输距离和提高光纤链路的衰减量。
二、影响光纤熔接损耗的因素
影响光纤熔接损耗的因素较多，大体可分为光纤本征因素和非本征因素两类。
1、光纤本征因素是指光纤自身因素，主要有四点：
(1) 光纤模场直径不一致；
(2) 对熔的两根光纤芯径失配；
(3) 纤芯截面不圆；
(4) 纤芯与包层同心度不佳。
其中光纤模场直径不一致影响最大，按CCITT(国际电报电话咨询委员会)建议，单模光纤的容限标准如下：
模场直径：（9~10μm）±10％，即容限约±1μm；
包层直径：125±3μm；
模场同心度误差≤6％，包层不圆度≤2％。
在标准范围内，一根模场直径为10μm的光纤与另一根模场直径为8μm的光纤在非常良好的接续条件下熔接后，接头处熔接损耗的理论计算值可达0.18dB，在实际接续中则更高。
2、影响光纤接续损耗的非本征因素即接续技术：
(1) 轴心错位：单模光纤纤芯很细，两根对接光纤轴心错位会影响接续损耗。当错位1.2μm时，接续损耗达0.5dB。
(2) 轴心倾斜：当光纤断面倾斜1°时，约产生0.6dB的接续损耗，如果要求接续损耗≤0.1dB，则单模光纤的倾角应为≤0.3°。
(3) 端面分离：活动连接器的连接不好，很容易产生端面分离，造成连接损耗较大。当熔接机放电电压较低时，也容易产生端面分离，此情况一般在有拉力测试功能的熔接机中可以发现。
(4) 端面质量：光纤端面的平整度差时也会产生损耗，甚至气泡。
(5) 光纤物理变形光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于5～10 cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。
3、其他因素的影响。
接线包中光纤的盘绕、预留光缆的盘绕、熔接机的熔接参数设置和放电电极的清洁状况，以及接续工作环境是否洁净等对光纤熔接损耗均有不同程度的影响。对非本征因素及其他因素的控制是隧道光纤施工的关键工作。
三、光纤接续
光缆接续是一项细致的工作，特别在端面制备、熔接、盘纤等环节，要求操作者周密考虑，规范操作，努力提高实践操作技能，才能降低接续损耗，全面提高光缆接续质量。本文详细阐述光纤熔接的操作过程及注意事项。
1、施工准备阶段
测量配盘。路由确定后，对其长度做实际的测量，精确到50cm之内。还要加上布放时的自然弯曲和各种预留长度，各种预留包括插入孔内弯曲、设备预留、接头两端预留、水平面弧度增加等其他特殊预留。为了使光缆在发生断裂时再接续，应在每百米处留有一定余量，余量长度一般为5%～10%。根据实际需要的长度订购，并在配盘时注明。
光缆敷设前首先要对光缆经过的路由做认真检查、管道试通，以确保光缆敷设的顺利进行。
2、光缆敷设阶段
光纤在某点断开后断开处的模场直径是相同的，因而在断开处熔接可使光纤模场直径对熔接损耗的影响最小，所以必须要求光缆生产厂家选用同一生产批次的优质名牌裸光纤按订货长度连续生产，根据规定的盘长将光缆依此断开绕盘，对绕好的缆盘连续编号并分清A，B端（断开处在前一盘上若为B端则在紧连的后一揽盘上就为A 端），不得跳号或错乱，敷设时按确定的路由根据统盘的编号顺序依次布放且前一盘缆的B端要和后一盘绕的A端相连，从而保证能在断开处熔接光纤，避免了因光纤模场直径不一致而导致光纤接头熔接损耗偏大的缺点。敷设光缆时必须采用牵引速度不大于20m／min的无级调速的机械牵引法，牵引力不得超过光缆允许张力的80％，瞬间最大牵引力不超过100％，牵引力必须施加在光缆中的加强件上，架设后光缆受到最大负载时产生的伸长率应小于0.2％，为避免牵引过程中光纤受力和扭曲，在必要时需制作光缆牵引端头，施工中光缆的弯曲半径应大于光缆直径的20倍，光缆必须从统盘上方放出并保持松驰弧形且无扭转、严禁打小圈弯折扭曲等，从而尽可能地降低光缆中光纤受损伤的几率，避免因光缆端部的光纤受损伤而使接头熔接损耗增大。另外“前走后跟，光缆上肩”的放缆方法，能够有效地防止打背扣的发生。
隧道光缆沿电缆沟敷设，光缆布放时应尽量減少转弯，绑扎应松紧适度，不得过紧，不得有其他电缆压在光缆上面，必要时应加保护套管，多余的光缆线圈绑扎于电缆托架上。光缆穿过钢管敷设时要有附加的保护措施，以避免光缆纤芯和护层损伤。
3、光纤熔接阶段
隧道内光纤接续环境是最为恶劣的，潮湿、灰尘、温差、污浊空气等严重影响光纤接续质量。施工车辆经过洞内时粉尘较多，光纤熔接工作必须选择较好的施工时段，在有条件的情况下，可以提前封闭隧道进行作业。搭建帐篷施工时，帐篷前后50m须设置交通反光锥，并由专人警戒；用施工车车厢施工时必须要避免车厢门夹伤光缆。接续光纤须在整洁的环境中进行，在多尘及潮湿的环境中不宜进行熔接。光纤接续部位及接续工具必须保持清洁干燥，制备光纤端面时必须先擦拭后切割，制备好的光纤断面必须清洁不得有污物，且不宜长时间暴露在空气中更不能让其受潮。
(1) 端面的制备
光纤端面的制备包括剥覆、清洁和切割3个环节。合格的光纤端面是熔接的必要条件，端面质量直接影响到熔接质量。
①光纤涂层的剥除
②裸纤的清洁
③裸纤的切割
4、光纤熔接
光纤熔接是接续工作的中心环节，因此采用高性能的熔接机以及在熔接过程中科学操作十分必要。熔接前，根据光纤的材料和类型，设置好最佳预熔主熔电流和时间及光纤送入量等关键参数。
(1) 放电试验
一般自动熔接机的放电条件内存有30种，这对于得到较低的熔接损耗是非常重要的。因此，在熔接作业开始前要做放电试验。使用前应使熔接机在熔接环境中放置至少15 min，根据当时的气压、温度、湿度等环境情况，重新设置熔接机的放电电压及放电位置，以及调整V型槽驱动器复位等，使熔接机自动调整到满足现场实际的放电条件上工作。
(2) 光纤熔接
在施工中采用的是高精度全自动熔接机，它具有X、Y、Z三维图像处理技术和自动调整功能，可对欲熔接光纤进行端面检测、位置设定和光纤对准（多模以包层对准，单模以纤芯对准），具体过程如下。
①首先将2根同色标、端面制备完毕的光纤放入熔接机的V型槽中，保持15～20μm 距离，盖好防护盖。启动熔接机的自动熔接開关进行熔接。特别需要注意的是，将光纤放置到熔接机的V型槽中时动作要轻巧，因为对纤芯直径10 Pm的单模光纤而言，若要熔接损耗小于0.1dB，则光纤轴线的径向偏移要小于0.8 Pm。
②预热推近。用电弧对光纤端部加热0.2～0.5 s，使毛刺、凸面除去或软化，同时将2根光纤相对推近，使端面直接接触且受到一定的挤压力。
③熔接。光纤停止移动后，用电弧使接头熔化连接在一起。放电时间为：多模2～4 s，单模1 s。
熔接过程中还应及时清洁熔接机V形槽、电极、物镜、熔接室等，随时观察熔接中有无气泡、过细、过粗、虚熔、分离等不良现象，注意OTDR跟踪监测结果，及时分析产生上述不良现象的原因，采取相应的改进措施。如果多次出现虚熔现象，应检查熔接的2根光纤的材料、型号是否匹配，切刀和熔接机是否被灰尘污染，并检查电极氧化状况，若均无问题，则应适当提高熔接电流。
5、熔接补强保护
由于光纤在连接时去掉了接头部位的涂覆层，其机械强度降低，因此，要对接头部位进行补强。在施工中采用光纤热缩保护管（热缩管）来保护光纤接头部位。热缩管应在剥覆前穿入，严禁在端面制备后穿入。将预先穿置光纤某一端的热缩管移至光纤接头处，让熔接点位于热缩管中间，轻轻拉直光纤接头，放入加热器内加热。醋酸乙烯（EVA）内管熔化，聚乙烯管收缩后紧套在接续好的光纤上。由于此管内有一根不锈钢棒，不仅增加了抗拉强度（承受拉力为1 000～2 300 g）。同时也避免了因聚乙烯管的收缩而可能引起接续部位的微弯。
6、盘纤
盘纤是一门技术，科学的盘纤方法，可使光纤布局合理、附加损耗小、经得住时间和恶劣环境的考验，且可避免挤压造成的断纤现象。盘纤的方法：先中间后两边，即先将热缩后的套管逐个放置于固定槽中，然后再处理两侧余纤，如个别光纤过长或过短时，可将其放在最后单独盘绕。
四、光纤接续点损耗的测量
光损耗是度量光纤接头质量的重要指标，使用光时域反射仪（OTDR）或熔接接头的损耗评估方案等测量方法可以确定光纤接头的光损耗。
1、使用OTDR计量
OTDR的工作原理是：往光纤中传输光脉冲时，由于在光纤中散射的微量光，返回光源侧后，可以利用时基来观察反射的返回光程度。由于光纤的模场直径影响其后向散射，因此在接头两边的光纤可能会产生不同的后向散射，从而遮蔽接头的真实损耗。如果从2个方向测量接头的损耗，并求出这2个结果的平均值，便可消除单向OTDR测量的人为因素误差。加强OTDR的监测，对确保光纤的熔接质量，减少因盘纤带来的附加损耗和封盒可能对光纤造成的损害，具有十分重要的意义。
2、熔接接头损耗评估
某些熔接机使用一种光纤成像和测量几何参数的断面排列系统，通过从2个垂直方向观察光纤，计算机处理并分析该图像来确定包层的偏移、纤芯的畸变、光纤外径的变化和其他关键参数，使用这些参数来评价接头的损耗。但因其是采用光纤芯轴直视法进行局部监视测得的，仅在非常理想的状态下才反映实际的熔接损耗，故一般仅供参考用。