基于數字圖像的頂管施工土層移動模型試驗

蘇龍海，王　芳, 張春會，程樹斌

(1.石家莊市市政建設總公司，河北石家莊　050000；2. 河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊　050018)

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基于數字圖像的頂管施工土層移動模型試驗

蘇龍海1，王芳1, 張春會2，程樹斌1

(1.石家莊市市政建設總公司，河北石家莊050000；2. 河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊050018)

摘要：為研究頂管施工土層的變形和移動規律，利用數字圖像方法觀測，建立了頂管施工土層移動模擬的物理模型，研究了頂管土層損失引起的上覆土層變形和移動規律，獲得了如下結論：1)頂管施工地層損失引起頂管周圍土體向頂管移動，最大變形發生在頂管周圍；2)頂管地層移動從頂管周圍向地表上方以一定角度傳遞和擴散，地表沉降范圍大于頂管直徑，頂管地表變形呈漏斗狀，最大沉降在頂管的正上方；3)可以運用隨機介質理論和概率積分法預測頂管施工地表變形；4)可以數碼望遠鏡代替相機，采用數字圖像方法觀測頂管地表建筑物的非均勻變形。

關鍵詞：地基基礎工程；數字圖像;頂管;土層移動;模型試驗

頂管是一種管線非開挖敷設技術，在國內外管線施工中廣泛使用。近些年來，隨著頂管機形式和性能的改進，頂管施工引起的地表沉降得到了有效控制，但頂管施工地表沉降仍不可避免，有時甚至危及地表建筑物和構筑物的安全。為預測頂管施工地表變形，國內外先后提出了多種理論方法[1-6]，近些年有限元和有限差分等數值方法也被用來預測頂管施工地表變形[7-13]。然而，現有理論方法在預測頂管地表變形中普遍存在誤差大、適用性差等不足，數值方法中的土體本構模型選擇及參數確定也十分困難，頂管地表變形預測目前還不盡如人意。因此，深入認識頂管施工過程中土層的變形和移動規律，進而發展新的頂管施工變形預測和監測方法具有重要的工程和科學意義。

為理解頂管施工上覆土層的變形和移動規律，本文依托南水北調配套工程石津干渠石家莊市區排水管網改造工程A標段北二環東延北幅路的污水管道某段頂管施工，在室內開展了物理模型試驗研究，利用數字圖像測量方法測量頂管土層損失引起的上覆土層變形和移動規律。

1數字圖像測量方法

1.1基本原理

使用常規方法測量頂管上方全部土體微小位移十分困難，故本文采用數字圖像方法進行測量。數字圖像測量方法的基本原理是[14]：通過數字圖像采集系統獲得數字圖像每一點的位置，用像素表示為U=U(u,v)，對于基準圖像每一點的灰度強度值可以表示為I=I基準(U),變形后獲得的數字圖像的強度值可以表示為I=It(U)。在分析中，在基準圖像上劃分由若干像素組成的相關窗，變形后相關窗位置發生改變，即移動到新的位置。在變形后的圖像內搜索與基準圖像相關窗灰度一致的相關窗，確定變形后相關窗的新位置，進而計算該相關窗的位移，整個過程如圖1所示。

圖1　分析過程Fig.1　Analysis process

2個相關窗的相關性可以通過式(1)計算：

(1)

式中：f和g分別為基準圖像相關窗和變形后圖像的灰度分布；<>為系綜平均的運算符。

本文采用文獻[15]提供的快速傅里葉變化和卷積算法開發了相應的位移計算程序，結合有限元方法開發了應變計算程序。

1.2試驗驗證

為了驗證本文數字圖像測量計算程序的可靠性，開展了試驗驗證。

取巴里坤砂巖巖樣進行單軸壓縮試驗，試樣尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的棱柱體，在試樣表面用墨水制作黑色散斑，以利于數字圖像觀測。

單軸壓縮試驗在吉林金力YAW2000剛性試驗機上進行。將制備的砂巖巖樣安置于試驗機上,如圖2所示。加載前利用CCD相機拍照，獲得基準圖像，然后按0.01 mm/s的加載速率加載，使用CCD相機拍照記錄試樣表面變化。取加載36 s和66 s時的照片進行分析。

圖2　單軸壓縮試驗Fig.2　Unaxial compression test

試件高度為100 mm，共計530 pixel，于是可以標定為0.188 7 mm/pixel。

在基準圖像試件表面劃分20 pixel的間距網格，然后利用本文程序計算，獲得36 s和66 s兩個時刻試件豎向位移云圖，如圖3所示。

圖3　豎向位移Fig.3　Vertical displacement

從圖3可以看出，加載36 s和66 s時巖樣的豎向位移平均為1.95 pixel和3.55 pixel。根據標定值0.188 7 mm/pixel，則豎向位移分別為0.368 mm和0.669 mm。試驗機實際位移分別為0.36 mm和0.66 mm，可見本文數字圖像方法和程序可以準確地測量巖樣的變形。從圖3還可以看出，巖樣各個位置的豎向位移并不均勻，這主要是由于巖樣實際是非均質材料，加載過程中巖樣不同位置的變形有差異所致。

2試驗

2.1工程概況

南水北調配套工程石津干渠石家莊市區排水管網改造工程A標段北二環東延北幅路的污水管道，采用頂管敷設。污水管道為混凝土管，外徑為2 500 mm，管中心埋深為7.8 m，內襯中空壁纏繞管。

工程土層情況如下：第1層為粉質黏土，厚度平均為5.1 m，灰褐色-褐紅色，可塑；土質不均，含少量銹斑、粉土、砂等，局部含姜石；稍有光澤反應，無搖振反應，干強度及韌性中等；壓縮模量平均值為6.81 MPa，為中壓縮性土。第2層為粉土，平均厚度為2.8 m，灰褐色，濕，稍密；土質不均，含有銹斑，局部有細砂夾層，無光澤反應，搖振反應中等；壓縮模量平均值為8.85 MPa，為中壓縮性土。第3層為粉土，平均厚度為6.4 m，褐黃色，濕，稍密；土質不均，含有銹斑和少量粉砂，局部混粉粘團塊，無光澤反應，搖振反應中等；壓縮模量平均值為11.13 MPa，為中等壓縮性土。地下水水位在地表下12.4 m。

2.2頂管地層損失

該工程采用普通頂管機械開挖施工，由于超挖等因素頂管施工過程中將產生地層損失，引起地面沉降。根據以往經驗，預計頂管周圍將產生5 cm的地層損失。

2.3物理模型

采用縮尺模型研究頂管地層損失引起的上方土體的變形和移動規律。

試驗模型見圖4，縮尺比例為1∶12。模型中頂管的直徑為21 cm，頂管埋深為65 cm，模型總高度為0.85 m。模型厚度為0.6 m，約束前后，使之無位移，近似為平面應變條件。為減少邊界效應，依據圣維南原理，在頂管兩側各取5倍頂管直徑，計算模型長度為2.31 m，取2.4 m。模型中頂管地層損失厚度為0.42 cm。在模型中，21 cm管內套直徑為20.1 cm管，拔出外管，模擬頂管地層損失。

圖4　試驗模型Fig.4　Experimental model

土體取自現場地表下2.0 m，液限為28%，塑限為15%，最佳含水率為15.3%。原狀土粉碎后按最佳含水率配制成重塑土，在其內摻加10%的石英砂粉，以便于數字圖像觀測。重塑土的壓縮模量Es1-2為6.81 MPa。

在模型架上，標注頂管位置和分層填筑土體的位置，然后將制備的重塑土分層填入模型架上，分層厚度為10 cm。每填入1層，對土體進行適當壓實。模型填筑到頂面后，固結240 h。在頂管正上方設置2個土塊，模擬地表建筑物，該土塊尺寸為12 cm×12 cm×5 cm(厚)。在頂管旁側設置像素標定尺，為白黑方塊，尺寸為3 cm×3 cm。

2.4試驗結果及分析

先使用CCD相機垂直正對模型拍照，獲得基準圖像，然后緩慢、逐步、勻速拔出外套管，整個拔出過程為8 min，外套管拔出后固結240 h后使用相機進行拍照。

對取得的照片使用本文程序進行處理，網格尺寸為50 pixel×50 pixel，如圖5所示。坐標原點取模型底邊正中央。

圖5　分析網格Fig.5　Analysis grids

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

圖6為y方向的位移。從圖6可以看出，最大y向位移發生在頂管周圍，其值達到17.4 mm。離開頂管，y向變形逐漸減小。在地表可以發現，頂管地層損失引起的地表變形呈漏斗狀，最大沉降發生在頂管的正上方，沉降值達6.1 mm，如圖7所示。從圖7可見，地表沉降范圍大于頂管直徑。結合圖6，可以理解為頂管施工引起的地層移動從頂管周圍向地表上方傳遞，并以一定角度擴散，這一擴散角度可稱為影響傳播角，即圖6中的角β。

圖7　地表沉降Fig.7　Surface subsidence

圖8為頂管上方土體x方向的位移。從圖6和圖8可以看出，頂管施工后頂管周圍土體向頂管方向移動，其移動情況與隨機介質理論砂漏模型中砂的移動規律相似[16]，因此可以使用隨機介質理論和概率積分法預測頂管施工地表變形。

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

圖9為大剪切應變分布云圖。大剪切應變在頂管周圍較大，向外逐漸衰減。這表明頂管周圍土體更易發生剪切破壞，并引起更大程度的地表沉降。

在基準圖像中模型上方模擬建筑物的土塊(左方)上劃分網格，然后利用本文程序進行分析。

圖9　最大剪切應變Fig.9　Maximum shear strain

圖10　地表建筑物的y方向變形(左方,mm)Fig.10　y-deformation of surface building (left,mm)

圖10為利用本文方法得到的模型左方土塊(模擬地表建筑物)的y方向位移。從圖10可以看出，建筑物的最大沉降約為5.7 mm，建筑物的沉降差約為0.7 mm，傾斜值約為0.5%。可見，頂管地表非均勻變形引起的地表建筑物非均勻變形可能是導致地表建筑物內附加應力和破壞的主要原因。

3結論

本文依托南水北調配套工程石津干渠石家莊市區排水管網改造工程A標段某頂管工程，在室內開展了物理模型試驗研究，結合數字圖像測量方法研究了頂管土層損失引起的上覆土層變形和移動規律，獲得了如下結論。

1)本文開發的頂管地表變形數字圖像測量系統計算結果正確。

2)頂管施工地層損失引起頂管周圍土體向頂管移動，最大變形發生在頂管周圍。頂管地層移動從頂管周圍向地表上方以一定角度傳遞和擴散，地表沉降范圍大于頂管直徑。

3)在地表，頂管地表變形呈漏斗狀，最大沉降在頂管的正上方。

4)頂管上方土體的移動與隨機介質理論砂漏模型中砂的移動規律相似，因此可以使用隨機介質理論和概率積分法預測頂管施工地表變形。

5)若使用數碼望遠鏡代替相機，數字圖像方法可以用于觀測頂管地表建筑物的非均勻變形，這為頂管地表建筑物變形觀測提供了一種新方法。

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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

文章編號：1008-1534(2016)03-0235-05

收稿日期：2016-03-03;修回日期：2016-03-23；責任編輯：馮民

基金項目：河北省自然科學基金(E2015208089)

作者簡介：蘇龍海(1975—)，男，河北石家莊人，高級工程師，主要從事市政工程方面的研究。通訊作者：張春會教授。E-mail: zhangchunhui789@126.com

中圖分類號：：TU443

文獻標志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03010

蘇龍海，王芳, 張春會，等.基于數字圖像的頂管施工土層移動模型試驗[J].河北工業科技,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.