使用圖像分析方法研究整環(huán)加載試驗中盾構(gòu)管片的錯臺變化特征

吳紅斌，徐金明，劉大謀

(1.上海大學土木工程系，上海 200072;2.中國地質(zhì)工程集團公司，北京 100093)

盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)一般由多塊弧形管片拼裝而成，管片之間的接頭使用螺栓連接，兩塊管片間形成接縫。襯砌環(huán)的變形主要是管片接頭處的位置錯動與混凝土變形，反映了整體受力情況和變形特征。隨著盾構(gòu)法施工技術(shù)的發(fā)展，錯臺引起的管片開裂、拼裝困難等問題對隧道安全施工和正常運營的不利影響逐步顯現(xiàn)出來，分析管片接縫處的錯臺變化特征對襯砌圓環(huán)變形破壞機理的研究具有重要的實際意義。

許多學者使用室內(nèi)模型試驗對管片襯砌圓環(huán)接頭處的力學性質(zhì)與變形破壞機理進行了研究。Yan等［1］分析了溫度對隧道管片接頭力學性質(zhì)的影響;張建剛等［2］研究了管片接頭端面的壓應力分布特征;郭瑞等［3］研究了管片接頭在剪力作用下的變形特征;胡輝等［4］研究了三種盾構(gòu)管片配筋設計方法。閆治國等［5～6］研究了盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)計算模型中關(guān)鍵參數(shù)的選取方法，將試驗得到的螺栓拉力和接頭變形值與理論計算值進行了比較;于寧等［7］分析了影響預應力管片接頭剛度的各項因素;張厚美等［8］通過管片接頭荷載試驗研究了接頭變形破壞過程。

目前，將圖像處理方法應用于巖土材料和隧道工程的變形破壞特征研究，已有一些成果。徐金明等［9］、Xu 等［10］使用圖像處理技術(shù)研究了石灰?guī)r試樣中的位移場與應變場的分布特征;李元海等［11］使用圖像匹配技術(shù)研究了砂土試驗模型的位移場和應變場;宋義敏等［12］采用數(shù)字散斑相關(guān)方法對紅砂巖試件表面的變形場進行了研究;朱珍德等［13］基于數(shù)字圖像技術(shù)對板巖卸荷后的力學性質(zhì)變化進行了研究;魏繼紅等［14］將圖像處理技術(shù)用于隧洞斷面超欠挖方量的評價;劉曉瑞等［15］提出了基于圖像處理的隧道表面裂縫檢測技術(shù);劉學增等［16］使用數(shù)字圖像處理技術(shù)對隧道襯砌滲漏水病害識別進行了研究。但是，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)對盾構(gòu)隧道管片接縫處變形破壞機理的研究成果還很少。

本文根據(jù)復合材料加固前后襯砌圓環(huán)加載試驗過程中拍攝的管片圖像，利用粒子測速技術(shù)計算不同位置接縫處兩側(cè)管片的位移，分析加載引起的管片錯臺變化特征及整環(huán)加固后復合材料的位移變化，為襯砌圓環(huán)破壞機理研究提供一條新的研究途徑。

1 整環(huán)試驗過程

1.1 試件結(jié)構(gòu)

本次試驗使用上海軌道交通常見襯砌圓環(huán)，圓環(huán)外徑、內(nèi)徑、厚度、環(huán)寬分別為 6.2，5.5，0.35，1.2 m(圖1)。襯砌圓環(huán)由1個封頂塊(F塊)、2個鄰接塊(L1和L2塊)、2個標準塊(B1和B2塊)、1個底塊(D塊)組成。不同塊之間由環(huán)向螺栓連接形成整體。共有6處接縫，分別位于封頂塊與鄰接塊之間、鄰接塊與標準塊之間、標準塊與底塊之間。

圖1 試件結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Specimen of structure

1.2 荷載設計與布置原則

試驗時襯砌圓環(huán)呈水平方向放置，外部荷載使用24個點的集中荷載來模擬，所有加載點荷載方向匯于襯砌圓環(huán)圓心，試件外觀如圖2所示。荷載分成P1、P2、P3共3組，分別為6，10，8個加載點。同一組內(nèi)每點荷載值相同，加載時完全同步，加載等級見表1。

1.3 試驗圖像的獲取

取8°、287°和138°這3處接縫為研究對象，并規(guī)定8°接縫為接縫 1，287°接縫為接縫 2，138°接縫為接縫3。在3處接縫上方均安有固定照相設備進行定時拍攝(圖1)。試驗采用復合材料對管片進行加固，分為未加固階段和整環(huán)加固階段。未加固階段，外荷作用下管片產(chǎn)生變形;變形到一定程度后再進行整環(huán)加固試驗，將未進行加固和整環(huán)加固之間的分界點定義為試驗加固點。整環(huán)加固階段以試驗加固點為起點加載、直至結(jié)構(gòu)達到極限破壞狀態(tài)。

表1 加載等級表Table 1 Loading level

圖2 試件外觀圖Fig．2 Appearance of experimental setup

共進行了兩次試驗。第一次試驗時，未加固階段分30級加載，共加載300 min;整環(huán)加固階段從第30級加載至第48級，共加載90 min。第二次試驗時，未加固階段分30級加載，共加載205.5 min;整環(huán)加固階段從第30級加載至第62級(襯砌圓環(huán)開始破壞)，共加載230.6 min(201.46 min時接縫處裂縫開始擴展、復合材料開始破壞)。

拍攝試驗照片時，第一次試驗未加固和整環(huán)加固階段拍攝頻率分別為20 s/張、10s/張，第二次試驗的拍攝頻率均為10 s/張。圖3為不同加載階段接縫處分析點灰度圖。所攝圖像中，接縫2、3處圖像攝自第一次試驗，接縫1處圖像攝自第二次試驗。

2 基于粒子測速技術(shù)的管片錯臺計算

2.1 管片錯臺及復合材料位移計算方法

計算不同位置接縫處管片錯臺時，在3處接縫位置管片兩側(cè)邊緣各取4個位置點作為分析點(圖3)。研究時使用粒子測速技術(shù)對加載過程中不同接縫處的管片位移進行計算:對相鄰時刻的兩幅圖像子區(qū)灰度相關(guān)匹配，相關(guān)系數(shù)選為:

式中:C——相關(guān)系數(shù);

f和g——2幅圖像的灰度值矩陣;

圖3 不同加載階段接縫處分析點灰度圖Fig．3 Gray images of joints at various load stages

兩幅圖像匹配時，找出前一圖像各點在后一圖像中的位置，計算各點的水平和豎直方向位移，利用接縫傾角計算各點沿接縫方向的位移值，兩側(cè)各點位移均值相減后的絕對值即為管片混凝土錯臺。按照時間前后順序，依次計算相鄰時刻各點的位移;從加載開始對位移進行累加處理，得到每一時刻管片錯臺的變化。

同理，可以計算整環(huán)加固階段復合材料的位移變化。在接縫復合材料處取2點作為分析點，將相鄰時刻位移量轉(zhuǎn)化為沿接縫方向的位移值，將這些位移值的平均值作為復合材料的位移變化量。

2.2 不同位置接縫各加載階段的錯臺變化

圖4(a)為接縫1處加固前后錯臺隨時間的變化曲線。由圖可知，未加固階段，隨加載進行管片錯臺逐漸變化，變化速率在50 min前較為平穩(wěn)、在50 min后逐步增大;加載至203.9 min時變化速率有一次明顯增加、由4.53 mm增加至5.98 mm(達到最大值);管片錯臺達到最大值時，荷載P1、P2、P3分別為440，276.3，358.2 kN。整環(huán)加固階段，由于已進行加固，管片錯臺整體變化較小;加載結(jié)束時管片錯臺達到最大值 1.30 mm，對應荷載 P1、P2、P3分別為 560，276.3，418.2 kN;加載結(jié)束時復合材料發(fā)生破壞，管片失去承載能力。根據(jù)加固前后管片錯臺對比，整環(huán)加固后接縫1兩側(cè)管片錯臺變化遠小于加固前的數(shù)值。

圖4(b)為接縫2處加固前后錯臺隨時間的變化曲線。由圖可知，未加固階段，管片錯臺隨加載進行而逐漸變化;變化速率在260 min前較為平穩(wěn)，但在260 min后明顯增大;加載至300 min時，管片錯臺達到最大值 4.64 mm，對應荷載 P1、P2、P3分別為 440，276.3，358.2 kN。整環(huán)加固階段，管片錯臺整體變化也呈增大趨勢，加載結(jié)束時達到最大值，為1.58 mm，對應荷載 P1、P2、P3分別為 530，276.3，403.2 kN。加載結(jié)束時管片混凝土開始脫落，鄰接塊處裂縫開始擴展。根據(jù)加固前后管片錯臺的對比，整環(huán)加固后接縫2兩側(cè)管片錯臺變化小于加固前的數(shù)值、但變化幅度小于接縫1處的結(jié)果。

圖4 接縫1(a)、接縫2(b)、接縫3(c)處的管片錯臺－時間變化曲線Fig．4 Dislocations vs．time in joint No．1(a)，2(b)and 3(c)

圖4(c)為接縫3處加固前后錯臺隨時間的變化曲線。由圖可知，未加固階段，管片錯臺隨加載進行而逐漸增加，在加載至112.6，284.3 min時分別達到峰值點，峰值大小分別為0.62 mm和0.68 mm;加載至300 min時錯臺有所減小，為0.58 mm，對應荷載P1、P2、P3分別為 440，276.3，358.2 kN。在整環(huán)加固階段，管片錯臺整體變化也呈增大趨勢，加載結(jié)束時達到最大值 0.84 mm，對應荷載 P1、P2、P3分別為 530，276.3，403.2 kN。根據(jù)加固前后管片錯臺的對比，整環(huán)加固后接縫3兩側(cè)管片錯臺變化大于加固前的數(shù)值，這與接縫1、2處的結(jié)果不同。

綜上所述，復合材料加固前，封頂塊與鄰接塊間錯臺最大，鄰接塊與標準塊間錯臺次之，標準塊與底塊間錯臺最小;復合材料加固后，封頂塊與鄰接塊間錯臺明顯減小，鄰接塊與標準塊間錯臺有小幅度減小，但標準塊與底塊間錯臺變化幅度明顯大于加固前的數(shù)值。

2.3 整環(huán)加固階段復合材料中的位移變化

整環(huán)加固階段各接縫處復合材料位移隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 整環(huán)加固階段復合材料位移隨時間變化曲線Fig．5 Displacement vs time after reinforcement with composite materials

由圖5可知，隨著加載的進行，接縫1處復合材料位移逐漸增加，整體變化幅度較大，至230.6 min時達到最大值9.78 mm;此時，復合材料和管片襯砌的黏結(jié)失效，結(jié)構(gòu)剛度大大降低，管片混凝土脫落并崩裂。接縫2處復合材料位移變化非常小，最大值僅為0.15 mm左右，這說明加固后材料中的位移變化主要是加載設備振動引起。接縫3處復合材料位移也隨時間變化逐漸增加、但整體變化幅度較小，至第75 min時達到最大值0.6 mm;這說明復合材料和管片襯砌之間具有較好的黏結(jié)強度。

3 結(jié)論

(1)基于PIV技術(shù)，使用MATLAB自編程序分析了不同加載時刻不同位置接縫兩側(cè)管片錯臺隨荷載增加的變化情況及復合材料處的位移變化情況。

(2)加固前，封頂塊-鄰接塊間錯臺最大，鄰接塊-標準塊間次之，標準塊-底塊間最小;加固后，封頂塊-鄰接塊間錯臺明顯減小，鄰接塊與標準塊間錯臺小幅減小，標準塊-底塊間錯臺變化幅度大于加固前的數(shù)值。錯臺主要發(fā)生在封頂塊-鄰接塊、標準塊-鄰接塊的接縫。

(3)整環(huán)加固階段，復合材料中位移整體變化幅度是封頂塊-鄰接塊接縫較大、標準塊-底塊接縫次之、鄰接塊-標準塊接縫最小。

［1］ YAN Z G，ZHU H H，JU J W.Behavior of reinforced concrete and steel fiber reinforced concrete shield TBM tunnel linings exposed to high temperatures［J］.Construction and Building Materials，2013，38:610-618.

［2］ 張建剛，何川.不同承壓襯墊的管片接頭力學性能分析［J］.鐵道學報，2013，35(12):101-105.［ZHANG J G，HE C.Analysis on mechanical properties of segment joints with different pressure pads［J］.Journal of the China Railway Society，2013，35(12):101-105.(in Chinese)］

［3］ 郭瑞，何川，蘇宗賢，等.盾構(gòu)隧道管片接頭抗剪力學性能研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48(4):72-77.［GUO R，HE C，SU Z X，et al.Study of shearing mechanical properties of segment joints of shield tunnels ［J］.Modern Tunnelling Technology，2011，48(4):72-77.(in Chinese)］

［4］ 胡輝，張列，仇文革.三種盾構(gòu)管片配筋設計方法

對比及現(xiàn)場實測分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012，39(6):72-76.［HU H，ZHANG L，QIU W G.Comparative analysis of three methods in shield segment design and onsite monitoring analysis［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2012，39(6):72-76.(in Chinese)］

［5］ 閆治國，彭益成，丁文其，等.青草沙水源地原水工程輸水隧道單層襯砌管片接頭荷載試驗研究［J］.巖土工程學報，2011，33(9):1385-1390.［YAN Z G，PENG Y C，DING W Q，et al.Load tests on segment joints of single lining structure of shield tunnel in Qingcaosha water conveyance project［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(9):1385-1390.(in Chinese)］

［6］ 閆治國，丁文其，沈碧偉，等.輸水盾構(gòu)隧道管片接頭力學與變形模型研究［J］.巖土工程學報，2011，33(8):1185-1191.［YAN Z G，DING W Q，SHEN B W，et al.Structural model for radial jointsofwater-conveyance shield tunnels ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(8):1185-1191.(in Chinese)］

［7］ 于寧，白廷輝，朱合華.盾構(gòu)隧道預應力管片接頭的模型試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2009，5(3):439-444.［YU N，BAI T H，ZHU H H.Model experimental study on joints stiff of precast and prestressed concrete lining in shield tunnels［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2009， 5(3):439-444.(in Chinese)］

［8］ 張厚美，傅德明，過遲.盾構(gòu)隧道管片接頭荷載試驗研究［J］. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39(6):28-33.［ZHANG H M，F(xiàn)U D M，GUO C.Study on load test of segment joint in shield driven tunnel［J］.Modern Tunnelling Technology，2002，39(6):28-33.(in Chinese)］

［9］ 徐金明，王強，周廷文.根據(jù)試驗視頻確定石灰?guī)r中的位移場［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37(2):70-75.［XU J M，WANG Q，ZHOU T W.Displacement field of limestone using video images from laboratory tests ［J］. Hydrogeology ＆Engineering Geology，2010，37(2):70-75.(in Chinese)］

［10］ XU J M，CHENG C H，LU H P.Strain field investigation of limestone specimen under uniaxial compression loads using particle image velocimetry［J］. Journal of Central South University of Technology，2011，18(5):1619-1625.

［11］ 李元海，朱合華，上野勝利，等.基于圖像相關(guān)分析的砂土模型試驗變形場量測［J］.巖土工程學報，2004，26(1):36-41.［LI Y H，ZHU H H，UENO K，et al.Deformation field measurement for granular soil model using image analysis［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26(1):36-41.(in Chinese)］

［12］ 宋義敏，姜耀東，馬少鵬，等.巖石變形破壞全過程的變形場和能量演化研究［J］.巖土力學，2012，33(5):1352-1356.［SONG Y M，JIANG Y D，MA S P，et al.Evolution of deformation fields and energy in whole process of rock failure［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33(5):1352-1356.(in Chinese)］

［13］ 朱珍德，李道偉，李術(shù)才，等.基于數(shù)字圖像技術(shù)的深埋隧洞圍巖卸荷劣化破壞機制研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(7):1396-1401.［ZHU Z D，LI D W，LI S C，et al.Study of unloading damage on immerged tunnel rock based on digital image processing technique ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(7):1396-1401.(in Chinese)］

［14］ 魏繼紅，吳繼敏，孫少銳.圖像處理技術(shù)在隧洞超欠挖評價中的應用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005，32(1):105-108.［WEI J H，WU J M，SUN S R.Image processing on the evaluation of overbreak and underbreak in the tunnels［J］.Hydrogeology ＆Engineering Geology，2005，32(1):105-108.(in Chinese)］

［15］ 劉曉瑞，謝雄耀.基于圖像處理的隧道表面裂縫快速檢測技術(shù)研究［J］.地下空間與工程學報，2009，5(增):1624-1628.［LIU X R，XIE X Y.Rapid crack inspection of tunnel surface based on image processing ［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5(S):1624-1628.(in Chinese)］

［16］ 劉學增，桑運龍，蘇云帆.基于數(shù)字圖像處理的隧道滲漏水病害檢測技術(shù)［J］.巖石力學與工程學報，2012，31(增):3779-3786.［LIU X Z，SANG Y L，SU Y F.Detection technology of tunnel leakage disaster based on digital image processing ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(Sup):3779-3786.(in Chinese)］