吳紅斌，徐金明，劉大謀

(1.上海大學(xué)土木工程系，上海 200072;2.中國地質(zhì)工程集團(tuán)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(cuò)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(cuò)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(yùn)營的不利影響逐步顯現(xiàn)出來，分析管片接縫處的錯(cuò)臺變化特征對襯砌圓環(huán)變形破壞機(jī)理的研究具有重要的實(shí)際意義。

許多學(xué)者使用室內(nèi)模型試驗(yàn)對管片襯砌圓環(huán)接頭處的力學(xué)性質(zhì)與變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。Yan等［1］分析了溫度對隧道管片接頭力學(xué)性質(zhì)的影響;張建剛等［2］研究了管片接頭端面的壓應(yīng)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(shè)計(jì)方法。閆治國等［5～6］研究了盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中關(guān)鍵參數(shù)的選取方法，將試驗(yàn)得到的螺栓拉力和接頭變形值與理論計(jì)算值進(jìn)行了比較;于寧等［7］分析了影響預(yù)應(yīng)力管片接頭剛度的各項(xiàng)因素;張厚美等［8］通過管片接頭荷載試驗(yàn)研究了接頭變形破壞過程。

目前，將圖像處理方法應(yīng)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(yīng)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(yàn)?zāi)Ｐ偷奈灰茍龊蛻?yīng)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(jìn)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(xué)性質(zhì)變化進(jìn)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(jià);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(xué)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(jìn)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(jī)理的研究成果還很少。

本文根據(jù)復(fù)合材料加固前后襯砌圓環(huán)加載試驗(yàn)過程中拍攝的管片圖像，利用粒子測速技術(shù)計(jì)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(cuò)臺變化特征及整環(huán)加固后復(fù)合材料的位移變化，為襯砌圓環(huán)破壞機(jī)理研究提供一條新的研究途徑。

1 整環(huán)試驗(yàn)過程

1.1 試件結(jié)構(gòu)

本次試驗(yàn)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(gè)封頂塊(F塊)、2個(gè)鄰接塊(L1和L2塊)、2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊(B1和B2塊)、1個(gè)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(biāo)準(zhǔn)塊之間、標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)與布置原則

試驗(yàn)時(shí)襯砌圓環(huán)呈水平方向放置，外部荷載使用24個(gè)點(diǎn)的集中荷載來模擬，所有加載點(diǎn)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(gè)加載點(diǎn)。同一組內(nèi)每點(diǎn)荷載值相同，加載時(shí)完全同步，加載等級見表1。

1.3 試驗(yàn)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(shè)備進(jìn)行定時(shí)拍攝(圖1)。試驗(yàn)采用復(fù)合材料對管片進(jìn)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(jìn)行整環(huán)加固試驗(yàn)，將未進(jìn)行加固和整環(huán)加固之間的分界點(diǎn)定義為試驗(yàn)加固點(diǎn)。整環(huán)加固階段以試驗(yàn)加固點(diǎn)為起點(diǎn)加載、直至結(jié)構(gòu)達(dá)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(jìn)行了兩次試驗(yàn)。第一次試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)時(shí)，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(shí)接縫處裂縫開始擴(kuò)展、復(fù)合材料開始破壞)。

拍攝試驗(yàn)照片時(shí)，第一次試驗(yàn)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(yàn)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(diǎn)灰度圖。所攝圖像中，接縫2、3處圖像攝自第一次試驗(yàn)，接縫1處圖像攝自第二次試驗(yàn)。

2 基于粒子測速技術(shù)的管片錯(cuò)臺計(jì)算

2.1 管片錯(cuò)臺及復(fù)合材料位移計(jì)算方法

計(jì)算不同位置接縫處管片錯(cuò)臺時(shí)，在3處接縫位置管片兩側(cè)邊緣各取4個(gè)位置點(diǎn)作為分析點(diǎn)(圖3)。研究時(shí)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(jìn)行計(jì)算:對相鄰時(shí)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(diǎn)灰度圖Fig．3 Gray images of joints at various load stages

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

同理，可以計(jì)算整環(huán)加固階段復(fù)合材料的位移變化。在接縫復(fù)合材料處取2點(diǎn)作為分析點(diǎn)，將相鄰時(shí)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(fù)合材料的位移變化量。

2.2 不同位置接縫各加載階段的錯(cuò)臺變化

圖4(a)為接縫1處加固前后錯(cuò)臺隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，未加固階段，隨加載進(jìn)行管片錯(cuò)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(shí)變化速率有一次明顯增加、由4.53 mm增加至5.98 mm(達(dá)到最大值);管片錯(cuò)臺達(dá)到最大值時(shí)，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(jìn)行加固，管片錯(cuò)臺整體變化較小;加載結(jié)束時(shí)管片錯(cuò)臺達(dá)到最大值 1.30 mm，對應(yīng)荷載 P1、P2、P3分別為 560，276.3，418.2 kN;加載結(jié)束時(shí)復(fù)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(cuò)臺對比，整環(huán)加固后接縫1兩側(cè)管片錯(cuò)臺變化遠(yuǎn)小于加固前的數(shù)值。

圖4(b)為接縫2處加固前后錯(cuò)臺隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，未加固階段，管片錯(cuò)臺隨加載進(jìn)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(shí)，管片錯(cuò)臺達(dá)到最大值 4.64 mm，對應(yīng)荷載 P1、P2、P3分別為 440，276.3，358.2 kN。整環(huán)加固階段，管片錯(cuò)臺整體變化也呈增大趨勢，加載結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值，為1.58 mm，對應(yīng)荷載 P1、P2、P3分別為 530，276.3，403.2 kN。加載結(jié)束時(shí)管片混凝土開始脫落，鄰接塊處裂縫開始擴(kuò)展。根據(jù)加固前后管片錯(cuò)臺的對比，整環(huán)加固后接縫2兩側(cè)管片錯(cuò)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(cuò)臺－時(shí)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(cuò)臺隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，未加固階段，管片錯(cuò)臺隨加載進(jìn)行而逐漸增加，在加載至112.6，284.3 min時(shí)分別達(dá)到峰值點(diǎn)，峰值大小分別為0.62 mm和0.68 mm;加載至300 min時(shí)錯(cuò)臺有所減小，為0.58 mm，對應(yīng)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(cuò)臺整體變化也呈增大趨勢，加載結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值 0.84 mm，對應(yīng)荷載 P1、P2、P3分別為 530，276.3，403.2 kN。根據(jù)加固前后管片錯(cuò)臺的對比，整環(huán)加固后接縫3兩側(cè)管片錯(cuò)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(fù)合材料加固前，封頂塊與鄰接塊間錯(cuò)臺最大，鄰接塊與標(biāo)準(zhǔn)塊間錯(cuò)臺次之，標(biāo)準(zhǔn)塊與底塊間錯(cuò)臺最小;復(fù)合材料加固后，封頂塊與鄰接塊間錯(cuò)臺明顯減小，鄰接塊與標(biāo)準(zhǔn)塊間錯(cuò)臺有小幅度減小，但標(biāo)準(zhǔn)塊與底塊間錯(cuò)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(fù)合材料中的位移變化

整環(huán)加固階段各接縫處復(fù)合材料位移隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖5 整環(huán)加固階段復(fù)合材料位移隨時(shí)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(jìn)行，接縫1處復(fù)合材料位移逐漸增加，整體變化幅度較大，至230.6 min時(shí)達(dá)到最大值9.78 mm;此時(shí)，復(fù)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(fù)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(shè)備振動引起。接縫3處復(fù)合材料位移也隨時(shí)間變化逐漸增加、但整體變化幅度較小，至第75 min時(shí)達(dá)到最大值0.6 mm;這說明復(fù)合材料和管片襯砌之間具有較好的黏結(jié)強(qiáng)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(shí)刻不同位置接縫兩側(cè)管片錯(cuò)臺隨荷載增加的變化情況及復(fù)合材料處的位移變化情況。

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

(3)整環(huán)加固階段，復(fù)合材料中位移整體變化幅度是封頂塊-鄰接塊接縫較大、標(biāo)準(zhǔn)塊-底塊接縫次之、鄰接塊-標(biāo)準(zhǔn)塊接縫最小。

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