基于数字图像的顶管施工土层移动模型试验

苏龙海，王　芳, 张春会，程树斌

(1.石家庄市市政建设总公司，河北石家庄　050000；2. 河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄　050018)



基于数字图像的顶管施工土层移动模型试验

苏龙海1，王芳1, 张春会2，程树斌1

(1.石家庄市市政建设总公司，河北石家庄050000；2. 河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄050018)

摘要：为研究顶管施工土层的变形和移动规律，利用数字图像方法观测，建立了顶管施工土层移动模拟的物理模型，研究了顶管土层损失引起的上覆土层变形和移动规律，获得了如下结论：1)顶管施工地层损失引起顶管周围土体向顶管移动，最大变形发生在顶管周围；2)顶管地层移动从顶管周围向地表上方以一定角度传递和扩散，地表沉降范围大于顶管直径，顶管地表变形呈漏斗状，最大沉降在顶管的正上方；3)可以运用随机介质理论和概率积分法预测顶管施工地表变形；4)可以数码望远镜代替相机，采用数字图像方法观测顶管地表建筑物的非均匀变形。

关键词：地基基础工程；数字图像;顶管;土层移动;模型试验

顶管是一种管线非开挖敷设技术，在国内外管线施工中广泛使用。近些年来，随着顶管机形式和性能的改进，顶管施工引起的地表沉降得到了有效控制，但顶管施工地表沉降仍不可避免，有时甚至危及地表建筑物和构筑物的安全。为预测顶管施工地表变形，国内外先后提出了多种理论方法[1-6]，近些年有限元和有限差分等数值方法也被用来预测顶管施工地表变形[7-13]。然而，现有理论方法在预测顶管地表变形中普遍存在误差大、适用性差等不足，数值方法中的土体本构模型选择及参数确定也十分困难，顶管地表变形预测目前还不尽如人意。因此，深入认识顶管施工过程中土层的变形和移动规律，进而发展新的顶管施工变形预测和监测方法具有重要的工程和科学意义。

为理解顶管施工上覆土层的变形和移动规律，本文依托南水北调配套工程石津干渠石家庄市区排水管网改造工程A标段北二环东延北幅路的污水管道某段顶管施工，在室内开展了物理模型试验研究，利用数字图像测量方法测量顶管土层损失引起的上覆土层变形和移动规律。

1数字图像测量方法

1.1基本原理

使用常规方法测量顶管上方全部土体微小位移十分困难，故本文采用数字图像方法进行测量。数字图像测量方法的基本原理是[14]：通过数字图像采集系统获得数字图像每一点的位置，用像素表示为U=U(u,v)，对于基准图像每一点的灰度强度值可以表示为I=I基准(U),变形后获得的数字图像的强度值可以表示为I=It(U)。在分析中，在基准图像上划分由若干像素组成的相关窗，变形后相关窗位置发生改变，即移动到新的位置。在变形后的图像内搜索与基准图像相关窗灰度一致的相关窗，确定变形后相关窗的新位置，进而计算该相关窗的位移，整个过程如图1所示。

图1　分析过程Fig.1　Analysis process

2个相关窗的相关性可以通过式(1)计算：

(1)

式中：f和g分别为基准图像相关窗和变形后图像的灰度分布；<>为系综平均的运算符。

本文采用文献[15]提供的快速傅里叶变化和卷积算法开发了相应的位移计算程序，结合有限元方法开发了应变计算程序。

1.2试验验证

为了验证本文数字图像测量计算程序的可靠性，开展了试验验证。

取巴里坤砂岩岩样进行单轴压缩试验，试样尺寸为50 mm×50 mm×100 mm的棱柱体，在试样表面用墨水制作黑色散斑，以利于数字图像观测。

单轴压缩试验在吉林金力YAW2000刚性试验机上进行。将制备的砂岩岩样安置于试验机上,如图2所示。加载前利用CCD相机拍照，获得基准图像，然后按0.01 mm/s的加载速率加载，使用CCD相机拍照记录试样表面变化。取加载36 s和66 s时的照片进行分析。

图2　单轴压缩试验Fig.2　Unaxial compression test

试件高度为100 mm，共计530 pixel，于是可以标定为0.188 7 mm/pixel。

在基准图像试件表面划分20 pixel的间距网格，然后利用本文程序计算，获得36 s和66 s两个时刻试件竖向位移云图，如图3所示。

图3　竖向位移Fig.3　Vertical displacement

从图3可以看出，加载36 s和66 s时岩样的竖向位移平均为1.95 pixel和3.55 pixel。根据标定值0.188 7 mm/pixel，则竖向位移分别为0.368 mm和0.669 mm。试验机实际位移分别为0.36 mm和0.66 mm，可见本文数字图像方法和程序可以准确地测量岩样的变形。从图3还可以看出，岩样各个位置的竖向位移并不均匀，这主要是由于岩样实际是非均质材料，加载过程中岩样不同位置的变形有差异所致。

2试验

2.1工程概况

南水北调配套工程石津干渠石家庄市区排水管网改造工程A标段北二环东延北幅路的污水管道，采用顶管敷设。污水管道为混凝土管，外径为2 500 mm，管中心埋深为7.8 m，内衬中空壁缠绕管。

工程土层情况如下：第1层为粉质黏土，厚度平均为5.1 m，灰褐色-褐红色，可塑；土质不均，含少量锈斑、粉土、砂等，局部含姜石；稍有光泽反应，无摇振反应，干强度及韧性中等；压缩模量平均值为6.81 MPa，为中压缩性土。第2层为粉土，平均厚度为2.8 m，灰褐色，湿，稍密；土质不均，含有锈斑，局部有细砂夹层，无光泽反应，摇振反应中等；压缩模量平均值为8.85 MPa，为中压缩性土。第3层为粉土，平均厚度为6.4 m，褐黄色，湿，稍密；土质不均，含有锈斑和少量粉砂，局部混粉粘团块，无光泽反应，摇振反应中等；压缩模量平均值为11.13 MPa，为中等压缩性土。地下水水位在地表下12.4 m。

2.2顶管地层损失

该工程采用普通顶管机械开挖施工，由于超挖等因素顶管施工过程中将产生地层损失，引起地面沉降。根据以往经验，预计顶管周围将产生5 cm的地层损失。

2.3物理模型

采用缩尺模型研究顶管地层损失引起的上方土体的变形和移动规律。

试验模型见图4，缩尺比例为1∶12。模型中顶管的直径为21 cm，顶管埋深为65 cm，模型总高度为0.85 m。模型厚度为0.6 m，约束前后，使之无位移，近似为平面应变条件。为减少边界效应，依据圣维南原理，在顶管两侧各取5倍顶管直径，计算模型长度为2.31 m，取2.4 m。模型中顶管地层损失厚度为0.42 cm。在模型中，21 cm管内套直径为20.1 cm管，拔出外管，模拟顶管地层损失。

图4　试验模型Fig.4　Experimental model

土体取自现场地表下2.0 m，液限为28%，塑限为15%，最佳含水率为15.3%。原状土粉碎后按最佳含水率配制成重塑土，在其内掺加10%的石英砂粉，以便于数字图像观测。重塑土的压缩模量Es1-2为6.81 MPa。

在模型架上，标注顶管位置和分层填筑土体的位置，然后将制备的重塑土分层填入模型架上，分层厚度为10 cm。每填入1层，对土体进行适当压实。模型填筑到顶面后，固结240 h。在顶管正上方设置2个土块，模拟地表建筑物，该土块尺寸为12 cm×12 cm×5 cm(厚)。在顶管旁侧设置像素标定尺，为白黑方块，尺寸为3 cm×3 cm。

2.4试验结果及分析

先使用CCD相机垂直正对模型拍照，获得基准图像，然后缓慢、逐步、匀速拔出外套管，整个拔出过程为8 min，外套管拔出后固结240 h后使用相机进行拍照。

对取得的照片使用本文程序进行处理，网格尺寸为50 pixel×50 pixel，如图5所示。坐标原点取模型底边正中央。

图5　分析网格Fig.5　Analysis grids

图6　y方向位移(mm)Fig.6　y-direction displacement(mm)

图6为y方向的位移。从图6可以看出，最大y向位移发生在顶管周围，其值达到17.4 mm。离开顶管，y向变形逐渐减小。在地表可以发现，顶管地层损失引起的地表变形呈漏斗状，最大沉降发生在顶管的正上方，沉降值达6.1 mm，如图7所示。从图7可见，地表沉降范围大于顶管直径。结合图6，可以理解为顶管施工引起的地层移动从顶管周围向地表上方传递，并以一定角度扩散，这一扩散角度可称为影响传播角，即图6中的角β。

图7　地表沉降Fig.7　Surface subsidence

图8为顶管上方土体x方向的位移。从图6和图8可以看出，顶管施工后顶管周围土体向顶管方向移动，其移动情况与随机介质理论砂漏模型中砂的移动规律相似[16]，因此可以使用随机介质理论和概率积分法预测顶管施工地表变形。

图8　x方向位移(mm)Fig.8　x-direction displacement(mm)

图9为大剪切应变分布云图。大剪切应变在顶管周围较大，向外逐渐衰减。这表明顶管周围土体更易发生剪切破坏，并引起更大程度的地表沉降。

在基准图像中模型上方模拟建筑物的土块(左方)上划分网格，然后利用本文程序进行分析。

图9　最大剪切应变Fig.9　Maximum shear strain

图10　地表建筑物的y方向变形(左方,mm)Fig.10　y-deformation of surface building (left,mm)

图10为利用本文方法得到的模型左方土块(模拟地表建筑物)的y方向位移。从图10可以看出，建筑物的最大沉降约为5.7 mm，建筑物的沉降差约为0.7 mm，倾斜值约为0.5%。可见，顶管地表非均匀变形引起的地表建筑物非均匀变形可能是导致地表建筑物内附加应力和破坏的主要原因。

3结论

本文依托南水北调配套工程石津干渠石家庄市区排水管网改造工程A标段某顶管工程，在室内开展了物理模型试验研究，结合数字图像测量方法研究了顶管土层损失引起的上覆土层变形和移动规律，获得了如下结论。

1)本文开发的顶管地表变形数字图像测量系统计算结果正确。

2)顶管施工地层损失引起顶管周围土体向顶管移动，最大变形发生在顶管周围。顶管地层移动从顶管周围向地表上方以一定角度传递和扩散，地表沉降范围大于顶管直径。

3)在地表，顶管地表变形呈漏斗状，最大沉降在顶管的正上方。

4)顶管上方土体的移动与随机介质理论砂漏模型中砂的移动规律相似，因此可以使用随机介质理论和概率积分法预测顶管施工地表变形。

5)若使用数码望远镜代替相机，数字图像方法可以用于观测顶管地表建筑物的非均匀变形，这为顶管地表建筑物变形观测提供了一种新方法。

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Experimental study on soil’s movement and deformation due to pipe-jacking based on digital image correlation method

SU Longhai1, WANG Fang1, ZHANG Chunhui2, CHENG Shubin1

(1.Shijiazhuang Municipal Works Construction Corporation, Shijiazhuang, Hebei 050000, China; 2.School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Abstract:To investigate the movement and deformation of soil due to pipe-jacking construction, by using the digital image correlation method, the physical model of the pipe-jacking construction is set up. The movement and deformation laws of overburden due to soil loss of pipe-jacking construction are studied and the main conclusions are as follows: 1) the overburden soil moves to the jacking pipe, and the maximum deformation occurs around the jacking pipe; 2) the movement and deformation of soil are transferred and diffused from the pipe to the surface at some angle, the scope of the surface subsidence is more greater than the diameter of the pipe, the surface subsidence takes on funnel, and the largest settlement appears over the pipe; 3) the probability integral method and stochastic medium theory can be employed to predict the surface deformation due to the pipe-jacking construction; 4) using the digital telescope instead of camera can help to use the digital image correlation method to investigate the deformation and failure of buildings due to pipe-jacking construction.

Keywords:ground foundation engineering; digital image; pipe-jacking; soil movement; model tetst

文章编号：1008-1534(2016)03-0235-05

收稿日期：2016-03-03;修回日期：2016-03-23；责任编辑：冯民

基金项目：河北省自然科学基金(E2015208089)

作者简介：苏龙海(1975—)，男，河北石家庄人，高级工程师，主要从事市政工程方面的研究。通讯作者：张春会教授。E-mail: zhangchunhui789@126.com

中图分类号：：TU443

文献标志码：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03010

苏龙海，王芳, 张春会，等.基于数字图像的顶管施工土层移动模型试验[J].河北工业科技,2016,33(3):235-239.

SU Longhai, WANG Fang, ZHANG Chunhui, et al.Experimental study on soil’s movement and deformation due to pipe-jacking based on digital image correlation method[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):235-239.