Page 26 - 网络电信2020年4月刊下

基于光纤传感及数字图像测试的管—土相互作用

试验研究

朱鸿鹄，王德洋，王宝军，朱宝，施斌
南京大学地球科学与工程学院

摘要：我国城市化、工业化进程对地下管线的依赖性和需求越来越强，但是近年来相关的重大安全事故
频发，亟待加强对管道破坏机理及管—土相互作用的研究。本文基于准分布式光纤布拉格光栅（FBG）技术，
在室内开展了一系列平面应变模型试验，利用光纤应变传感器监测了地表加载作用下埋地管道的受力变形特
征，据此提出了由应变测值反演管周土压力的计算方法；同时，利用粒子图像测速（PIV）技术获取了管道周
边土体的变形规律，并和光纤监测结果进行了对比分析。试验结果表明：采用 FBG 传感技术，可以有效获取
管周土压力分布及土体应变的演化过程；不同埋深率情况下管周土体的变形破坏模式有较大的不同，土拱效
应随管道埋深增大而变得更加显著。相关结论为进一步认识埋地管道的灾变机理、提高监测预警水平，提供
了一定的参考。
关键词：埋地管道；光纤传感器；粒子图像测速（PIV）；埋深率；相互作用

引 言 坏的工程诱因主要包括大面积地面堆载、基坑开挖和降水、邻
随着我国城市化、工业化进程的加快，地下管线在城市建 近地下施工、深部采矿活动等。在这些问题中，均存在着明显
设和可持续发展中发挥着越来越重要的作用。作为城市基础设 的管—土相互作用，近年来一些分析计算模型和方法应运而生
施的重要组成部分，供水、排水、燃气、热力、电力、通信等 （张土乔等，2003；Klar et al. 2005；Sargand et al.，
管道及其附属设施在地下纵横交错，它们所受的工作荷载、所 2005；马凤山等，2010；Abolmaali et al.，2013；周敏等，
处的工程地质条件复杂多样。另一方面，西气东输、南水北调 2016）。其中，人们对于开挖、降水、盾构施工等扰动效应较
等战略性工程中也涉及到长达数万公里的管线，沿线地区地壳 为关注，对地面堆载工况下浅埋管道的受力特性及周边土体变
活动剧烈，地质环境恶劣。最近十年间，国内外埋地管道事故 形机理的认识尚不充分，亟待进一步研究。
频发，南京、青岛等地相继发生了死伤百人以上的地下管线泄 作为一种可实现分布式应变、温度传感的手段，光纤传
漏爆炸重大事故，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。 感技术在国内外一些重大工程项目中取得了良好的应用效果。
国内外研究表明，由于埋地管道长期处于复杂的工程地 这类技术将光纤同时作为传感和传输介质，在监测原理、信
质环境下，所面临的工况是一个持续性发展的过程，管周土压 号传输方式以及数据解调等方面与传统测试技术有很大的差
力、管道的纵向和环向形变将发生动态变化。地下管线变形破 异，具有精度高、耐久性好、不易受干扰、无监测盲区等优势

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