使用图像分析方法研究整环加载试验中盾构管片的错台变化特征

吴红斌，徐金明，刘大谋

(1.上海大学土木工程系，上海 200072;2.中国地质工程集团公司，北京 100093)

盾构隧道衬砌结构一般由多块弧形管片拼装而成，管片之间的接头使用螺栓连接，两块管片间形成接缝。衬砌环的变形主要是管片接头处的位置错动与混凝土变形，反映了整体受力情况和变形特征。随着盾构法施工技术的发展，错台引起的管片开裂、拼装困难等问题对隧道安全施工和正常运营的不利影响逐步显现出来，分析管片接缝处的错台变化特征对衬砌圆环变形破坏机理的研究具有重要的实际意义。

许多学者使用室内模型试验对管片衬砌圆环接头处的力学性质与变形破坏机理进行了研究。Yan等［1］分析了温度对隧道管片接头力学性质的影响;张建刚等［2］研究了管片接头端面的压应力分布特征;郭瑞等［3］研究了管片接头在剪力作用下的变形特征;胡辉等［4］研究了三种盾构管片配筋设计方法。闫治国等［5～6］研究了盾构隧道衬砌结构计算模型中关键参数的选取方法，将试验得到的螺栓拉力和接头变形值与理论计算值进行了比较;于宁等［7］分析了影响预应力管片接头刚度的各项因素;张厚美等［8］通过管片接头荷载试验研究了接头变形破坏过程。

目前，将图像处理方法应用于岩土材料和隧道工程的变形破坏特征研究，已有一些成果。徐金明等［9］、Xu 等［10］使用图像处理技术研究了石灰岩试样中的位移场与应变场的分布特征;李元海等［11］使用图像匹配技术研究了砂土试验模型的位移场和应变场;宋义敏等［12］采用数字散斑相关方法对红砂岩试件表面的变形场进行了研究;朱珍德等［13］基于数字图像技术对板岩卸荷后的力学性质变化进行了研究;魏继红等［14］将图像处理技术用于隧洞断面超欠挖方量的评价;刘晓瑞等［15］提出了基于图像处理的隧道表面裂缝检测技术;刘学增等［16］使用数字图像处理技术对隧道衬砌渗漏水病害识别进行了研究。但是，结合数字图像处理技术对盾构隧道管片接缝处变形破坏机理的研究成果还很少。

本文根据复合材料加固前后衬砌圆环加载试验过程中拍摄的管片图像，利用粒子测速技术计算不同位置接缝处两侧管片的位移，分析加载引起的管片错台变化特征及整环加固后复合材料的位移变化，为衬砌圆环破坏机理研究提供一条新的研究途径。

1 整环试验过程

1.1 试件结构

本次试验使用上海轨道交通常见衬砌圆环，圆环外径、内径、厚度、环宽分别为 6.2，5.5，0.35，1.2 m(图1)。衬砌圆环由1个封顶块(F块)、2个邻接块(L1和L2块)、2个标准块(B1和B2块)、1个底块(D块)组成。不同块之间由环向螺栓连接形成整体。共有6处接缝，分别位于封顶块与邻接块之间、邻接块与标准块之间、标准块与底块之间。

图1 试件结构示意图Fig．1 Specimen of structure

1.2 荷载设计与布置原则

试验时衬砌圆环呈水平方向放置，外部荷载使用24个点的集中荷载来模拟，所有加载点荷载方向汇于衬砌圆环圆心，试件外观如图2所示。荷载分成P1、P2、P3共3组，分别为6，10，8个加载点。同一组内每点荷载值相同，加载时完全同步，加载等级见表1。

1.3 试验图像的获取

取8°、287°和138°这3处接缝为研究对象，并规定8°接缝为接缝 1，287°接缝为接缝 2，138°接缝为接缝3。在3处接缝上方均安有固定照相设备进行定时拍摄(图1)。试验采用复合材料对管片进行加固，分为未加固阶段和整环加固阶段。未加固阶段，外荷作用下管片产生变形;变形到一定程度后再进行整环加固试验，将未进行加固和整环加固之间的分界点定义为试验加固点。整环加固阶段以试验加固点为起点加载、直至结构达到极限破坏状态。

表1 加载等级表Table 1 Loading level

图2 试件外观图Fig．2 Appearance of experimental setup

共进行了两次试验。第一次试验时，未加固阶段分30级加载，共加载300 min;整环加固阶段从第30级加载至第48级，共加载90 min。第二次试验时，未加固阶段分30级加载，共加载205.5 min;整环加固阶段从第30级加载至第62级(衬砌圆环开始破坏)，共加载230.6 min(201.46 min时接缝处裂缝开始扩展、复合材料开始破坏)。

拍摄试验照片时，第一次试验未加固和整环加固阶段拍摄频率分别为20 s/张、10s/张，第二次试验的拍摄频率均为10 s/张。图3为不同加载阶段接缝处分析点灰度图。所摄图像中，接缝2、3处图像摄自第一次试验，接缝1处图像摄自第二次试验。

2 基于粒子测速技术的管片错台计算

2.1 管片错台及复合材料位移计算方法

计算不同位置接缝处管片错台时，在3处接缝位置管片两侧边缘各取4个位置点作为分析点(图3)。研究时使用粒子测速技术对加载过程中不同接缝处的管片位移进行计算:对相邻时刻的两幅图像子区灰度相关匹配，相关系数选为:

式中:C——相关系数;

f和g——2幅图像的灰度值矩阵;

图3 不同加载阶段接缝处分析点灰度图Fig．3 Gray images of joints at various load stages

两幅图像匹配时，找出前一图像各点在后一图像中的位置，计算各点的水平和竖直方向位移，利用接缝倾角计算各点沿接缝方向的位移值，两侧各点位移均值相减后的绝对值即为管片混凝土错台。按照时间前后顺序，依次计算相邻时刻各点的位移;从加载开始对位移进行累加处理，得到每一时刻管片错台的变化。

同理，可以计算整环加固阶段复合材料的位移变化。在接缝复合材料处取2点作为分析点，将相邻时刻位移量转化为沿接缝方向的位移值，将这些位移值的平均值作为复合材料的位移变化量。

2.2 不同位置接缝各加载阶段的错台变化

图4(a)为接缝1处加固前后错台随时间的变化曲线。由图可知，未加固阶段，随加载进行管片错台逐渐变化，变化速率在50 min前较为平稳、在50 min后逐步增大;加载至203.9 min时变化速率有一次明显增加、由4.53 mm增加至5.98 mm(达到最大值);管片错台达到最大值时，荷载P1、P2、P3分别为440，276.3，358.2 kN。整环加固阶段，由于已进行加固，管片错台整体变化较小;加载结束时管片错台达到最大值 1.30 mm，对应荷载 P1、P2、P3分别为 560，276.3，418.2 kN;加载结束时复合材料发生破坏，管片失去承载能力。根据加固前后管片错台对比，整环加固后接缝1两侧管片错台变化远小于加固前的数值。

图4(b)为接缝2处加固前后错台随时间的变化曲线。由图可知，未加固阶段，管片错台随加载进行而逐渐变化;变化速率在260 min前较为平稳，但在260 min后明显增大;加载至300 min时，管片错台达到最大值 4.64 mm，对应荷载 P1、P2、P3分别为 440，276.3，358.2 kN。整环加固阶段，管片错台整体变化也呈增大趋势，加载结束时达到最大值，为1.58 mm，对应荷载 P1、P2、P3分别为 530，276.3，403.2 kN。加载结束时管片混凝土开始脱落，邻接块处裂缝开始扩展。根据加固前后管片错台的对比，整环加固后接缝2两侧管片错台变化小于加固前的数值、但变化幅度小于接缝1处的结果。

图4 接缝1(a)、接缝2(b)、接缝3(c)处的管片错台－时间变化曲线Fig．4 Dislocations vs．time in joint No．1(a)，2(b)and 3(c)

图4(c)为接缝3处加固前后错台随时间的变化曲线。由图可知，未加固阶段，管片错台随加载进行而逐渐增加，在加载至112.6，284.3 min时分别达到峰值点，峰值大小分别为0.62 mm和0.68 mm;加载至300 min时错台有所减小，为0.58 mm，对应荷载P1、P2、P3分别为 440，276.3，358.2 kN。在整环加固阶段，管片错台整体变化也呈增大趋势，加载结束时达到最大值 0.84 mm，对应荷载 P1、P2、P3分别为 530，276.3，403.2 kN。根据加固前后管片错台的对比，整环加固后接缝3两侧管片错台变化大于加固前的数值，这与接缝1、2处的结果不同。

综上所述，复合材料加固前，封顶块与邻接块间错台最大，邻接块与标准块间错台次之，标准块与底块间错台最小;复合材料加固后，封顶块与邻接块间错台明显减小，邻接块与标准块间错台有小幅度减小，但标准块与底块间错台变化幅度明显大于加固前的数值。

2.3 整环加固阶段复合材料中的位移变化

整环加固阶段各接缝处复合材料位移随时间的变化曲线如图5所示。

图5 整环加固阶段复合材料位移随时间变化曲线Fig．5 Displacement vs time after reinforcement with composite materials

由图5可知，随着加载的进行，接缝1处复合材料位移逐渐增加，整体变化幅度较大，至230.6 min时达到最大值9.78 mm;此时，复合材料和管片衬砌的黏结失效，结构刚度大大降低，管片混凝土脱落并崩裂。接缝2处复合材料位移变化非常小，最大值仅为0.15 mm左右，这说明加固后材料中的位移变化主要是加载设备振动引起。接缝3处复合材料位移也随时间变化逐渐增加、但整体变化幅度较小，至第75 min时达到最大值0.6 mm;这说明复合材料和管片衬砌之间具有较好的黏结强度。

3 结论

(1)基于PIV技术，使用MATLAB自编程序分析了不同加载时刻不同位置接缝两侧管片错台随荷载增加的变化情况及复合材料处的位移变化情况。

(2)加固前，封顶块-邻接块间错台最大，邻接块-标准块间次之，标准块-底块间最小;加固后，封顶块-邻接块间错台明显减小，邻接块与标准块间错台小幅减小，标准块-底块间错台变化幅度大于加固前的数值。错台主要发生在封顶块-邻接块、标准块-邻接块的接缝。

(3)整环加固阶段，复合材料中位移整体变化幅度是封顶块-邻接块接缝较大、标准块-底块接缝次之、邻接块-标准块接缝最小。

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