分布式光纤应变传感用于大直径有缝预应力混凝土压力管道的性能评估

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Distributed fiber optic strain sensing for performance assessment of a large-diameter JPCCP

　　

摘要：分布式光纤传感（DFOS）可实现对长距离地下管道的连续应变监测，然而对于大直径顶管预应力钢筒混凝土管（JPCCP），目前仍缺乏将高密度原始应变测量数据转化为可用于全生命周期性能评估的可操作指标的体系化解读框架。本研究提出了一套基于DFOS的性能评估框架，并将其应用于一条深埋、内径4.8 m的JPCCP分洪管道52 m段的监测分析。在管顶、管底及两侧水平轴线（冠顶、管底、两侧拱腰）处布设了四根纵向分布式应变传感光纤，采用1 m固定点锚固夹进行安装。通过采用基于Hampel滤波的双基准应变增量策略，将施工阶段与运营阶段的响应进行分离。应变增量被分解为轴向分量和弯曲分量，通过无量纲主导系数划分为四种主要响应模式，并进一步利用中性轴偏移指数和接头影响的等效转角特征值进行评估。研究得出三项主要发现：（1）监测管道呈现清晰的三阶段时间演化特征：施工扰动释放、运营初期稳定及局部不均匀响应累积；（2）在11–27 m、33–37 m和45–52 m处识别出三个弯曲敏感区，大部分接头影响的等效转角值低于0.015°；（3）通过基于监测的优先级分类，识别出六个关键接头影响单元，其中J1（持续高响应，最大0.116°）和J10（延迟激活，最大0.063°）被确定为需最高维护优先级的关键响应位置。所提框架将分布式应变传感数据转化为可用于性能评估和维护优先级决策的可解释应变-响应指标，为大型地下管道的服役性能评估提供了一种实用范式。

引言：城市化的加速推进和极端降雨事件频发的增加，对韧性地下水利基础设施的需求日益迫切，特别是大规模分洪和输水系统（Liu等，2026；Wang等，2023）。在非开挖施工方法中，顶管法已成为在拥堵城区安装大直径管道的优选方案，因为它最大限度减少了地表扰动并避免了大规模明挖开挖（Chen等，2021；Zhou等，2025a）。顶管预应力钢筒混凝土管（JPCCP）集成了混凝土内衬、内部钢筒和预应力钢丝，在复杂水力工况下兼具高轴向顶推承载能力和结构耐久性优势（Zhai等，2023）。因此，JPCCP在全球范围内的跨流域调水系统、城市分洪工程和深埋雨水排水网络中得到越来越广泛的应用。

尽管JPCCP具有较高的结构承载能力，但深埋JPCCP的长期服役性能仍易受多源环境和运营荷载的影响。在运营期间，这些管道承受非均匀土-管相互作用（Li等，2022a）、季节性地下水位波动（Xie等，2026）、内部水压变化（Zhou等，2025c）以及沉积物冲刷（Di等，2026）。值得注意的是，与连续管道不同，顶管管道由单个管节通过柔性承插式柔性接头连接组装而成（Zhou等，2026），这引入了结构不连续性。在非均匀边界条件下，这些接头可能成为局部变形的优先位置，可能导致接头错动（Hsu和Shou，2022）、密封圈压缩失效（Huang等，2025）以及内部混凝土内衬开裂（Yang等，2026a）。此类渐进式退化机制凸显了对大直径JPCCP进行有效全生命周期监测和结构响应解读的迫切需求，以支撑服役安全评估和预防性维护（Almahakeri等，2025；Xu等，2026）。

传统地下管道监测主要依赖离散点式传感器，包括振弦式应变计（Wadood等，2025）、光纤布拉格光栅传感器（De Lange等，2025）以及接头量测仪。尽管这些仪器在选定位置可提供可靠测量，但其空间稀疏性从根本上限制了其在长距离线性基础设施中的适用性，因为关键变形事件可能在传感器布设位置之间不可预见的点发生。分布式光纤传感（DFOS）技术，包括布里渊光时域反射仪（BOTDR）和光频域反射仪（OFDR），通过在公里级结构构件上实现连续、空间密集的应变和温度监测，提供了一种变革性的替代方案（Matymish等，2026；Wang等，2024；Yang等，2026b；Zhang等，2024a）。DFOS已成功应用于沉管隧道（Zhang和Broere，2023）、砂土地基（Cao等，2024）和盾构隧道（Zhu等，2022）的结构监测。DFOS也已越来越多地被研究用于常规预应力钢筒混凝土管（PCCP）的结构监测（Dong等，2022；Zhang等，2024b）。Li等（2022b）展示了使用分布式光纤传感器测量承受递增内压的全尺寸PCCP的应变发展并定位开裂的方法。除应变测量外，分布式声传感还被用于识别PCCP中的预应力钢丝断裂并表征断丝引起的损伤（Li等，2024；Li等，2025），而Cheng等（2026）则开发了基于应变的监测指标和预应力钢丝断裂PCCP的早期预警准则。

这些研究证实了分布式光纤传感在测量管道应变、检测开裂和识别断丝事件方面用于常规PCCP的可行性。然而，大多数先前的研究集中在实验室加载条件下的单根管试样、制造阶段变形或特定损伤事件上。尚存的挑战在于如何对深埋JPCCP连续纵向应变测量进行场地尺度且长期的解读。

除传感技术外，另一关键挑战在于如何将原始DFOS应变测量转化为适用于结构性能评估的可解释指标。原始分布式应变剖面受传感器安装配置、锚固条件、预应力水平和基准线选择的强烈影响（Leal-Junior等，2026；Xiao等，2024）。对于大直径带接头的管道，这些光纤测量数据无法在没有基于力学原理的解读框架的情况下直接与内力、位移或接头转角相等同。现有的将DFOS应用于地下结构的研究大多集中于应变分布可视化和定性趋势识别。对于提取与维护决策相关的应变-响应指标的体系化方法仍然不够成熟，尤其是那些能够识别局部不均匀变形模式并在不同生命周期阶段跟踪接头影响变形演化的方法。

为应对这些挑战，本研究作出以下贡献：（i）提出一种结合Hampel滤波的双基准应变增量处理策略，用于分离施工阶段和运营阶段的应变响应并抑制与局部锚固相关的异常值。（ii）建立面向监测的响应分类框架，通过对四点纵向DFOS测量数据应用经典轴向-弯曲应变分解，并引入无量纲主导系数来识别四种代表性应变-响应模式并跟踪其时空演化。（iii）将建立的应变-曲率和曲率-转角关系适配至长测长DFOS配置，构建应变场中性轴偏移指数和接头影响等效转角特征值，实现对局部不均匀应变评估和面向维护的关键接头影响单元识别。

所提框架通过一条深埋、4.8 m内径JPCCP分洪管道52 m监测段的验证，在该监测段中于冠顶、管底和两侧拱腰处使用定制的1 m固定点锚固夹安装了四根纵向应变传感光纤。通过弥合高密度分布式应变数据与运维维护决策之间的差距，本研究为大直径地下管道的结构性能评估提供了一种实用且可迁移的范式。

片段：项目概况与岩土条件

河南省金水河分洪管道工程是响应极端暴雨引起的严重城市内涝而建设的关键城市水利基础设施。该管道设计用于将金水河洪水分流至贾鲁河，设计流量为75 m3/s，在建成后对减轻城市内涝具有重要作用。分洪管道采用非开挖顶管法施工。

方法：整体数据处理流程如图4所示。该框架依次将原始四点DFOS应变剖面转化为基准参考的和单元级的特征应变，分解为可解释的应变-响应分量和模式，并进一步推导出面向监测的变形指标，用于时空性能评估和维护优先级决策。

原始及滤波后的分布式光纤应变响应：管道内壁的时空应变分布揭示了不同正交方位上的不同力学特征。如图5(a)所示，右侧拱腰大多数孤立应变增量主要在±300 με范围内波动。值得注意的是，初始监测应变剖面在监测距离2.5 m处呈现一个显著的局部应变峰值，接近800 με，该数据获取时间为2024-06-09。分洪管道刚刚

管道应变-响应模式的时空演化：图10、图11展示了在分析的五个监测期内主导应变-响应模式的空间分布及其比例。从空间分布角度看，弯曲应变主导型模式（B型、C型和D型）并非沿监测段连续分布，而是以局部聚集的形式出现。这一分布表明深埋管道段尚未发生普遍性弯曲失稳，而是存在若干局部

结论：本研究开发并在现场验证了一套面向监测的DFOS框架，用于深埋大直径JPCCP的长期性能评估。通过整合基准参考应变处理、基于力学的应变分解、应变-响应模式分类、应变场中性轴偏移指数以及接头影响等效转角特征，该框架将分布式纵向应变测量转化为可解释的

作者贡献声明：袁勋：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，形式分析，数据整理。林培元：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，项目管理，方法学，资金获取，概念设计。刘通：写作——审阅与编辑，验证，调查研究，数据整理。陈洋：写作——审阅与编辑，验证，调查研究，概念设计。马保松：写作——审阅与编辑，验证，资金获取。

利益冲突声明：作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢：本研究由国家重点研发计划（编号2022YFC3203200）、广东省基础与应用基础研究基金（2026A1515012002）、广东省科学技术厅（编号2021ZT09G087）和国家自然科学基金（编号42561160092、52578452）资助。

袁勋｜林培元｜刘通｜陈洋｜马保松