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数字散斑技术(dic)如何助力地铁隧道安全施工?

地铁像奔流在城市地下的动脉,昼夜不息地为城市注入生机与活力。

我国地形复杂,在地铁施工建设中,会遇到很多隧道施工作业。隧道施工作业在山体下进行,因此随时存在安全危险。

隧道施工非常复杂,在隧道开挖过程中,会受到地质、天气等因素影响,加之城市高楼林立,对地铁隧道施工质量提出了更高的要求。

在我国城市隧道施工的安全事故中,地面坍塌事故占有较大比重,且塌陷事故发生突然、危害性大,严重威胁着城市的生产和生活,对施工人员与当地群众的生命安全也是极大的威胁。

地铁施工污水管断裂.jpg

污水管断裂&繁忙路段交通中断
地铁施工导致地面塌陷深坑.jpg

地面塌陷深坑&搜救(6人遇难)

基于国内隧道施工过程中地面坍塌事故频发的现状,在隧道施工前,必须对施工土层土质进行勘察,科学分析隧道施工中地面塌陷灾变的机制,有针对性地提出控制措施,减少塌陷事故发生的几率。

在城市地铁隧道施工过程中,地面塌陷事故虽然诱因复杂,但有规律可循。从有关数据统计分析来看,地面塌陷事故的形成过程主要有几种类型:

1、由于施工引起上表底层稳定性遭到破坏出现地面塌陷;

2、由于隧道施工作业,原有的不良地质层受到破坏,引起的地面塌陷;

3、由于施工操作不当,引起管道渗漏问题恶化,进而导致地面塌陷。

不良地质环境,主要是底层中出现的空洞。隧道开挖作业中,设备运动会产生震动,周围岩体会发生松散、脱落,岩体的厚度变薄,围岩压力拱丧失负载力,影响空洞结构的稳定性,地面坍塌事故由此而发。

相似材料模拟加载试验是研究隧道施工过程结构变化、塌陷发生的一种重要手段。

通过制备地质结构相似材料,建立三维物理模型,模拟隧道施工过程对岩土复合地层的破坏,借助数字散斑技术(dic)测量,对模型表面应变、位移进行实时监测,为探究塌陷的发生和破坏规律提供指导依据。

采用新拓三维XTIDIC三维全场应变测量系统,基于数字图像相关法(dic)及图像处理技术,通过给模型施加压力来模拟地质层受压情况,分析地铁隧道施工扰动下,含缺陷岩土复合地层灾变机制,分析隧道周围的地层结构位移及坍塌演化。

地铁施工隧道图.jpg

相似材料模型整体尺寸2m*3m,模型上方施力液压机提供载荷,在不断增大载荷过程中,XTDIC三维全场应变测量系统实时观测整个地质模型的结构变化。地质材料模型具有流动性,利用前方树脂玻璃作为观测平面,中间圆通部分模拟隧道环境,去掉加固钢圈后,液压机对模型进行加载。

采用XTDIC三维全场应变测量系统对地质层模型位移及应变进行观测,XTDIC系统基于双目立体视觉技术,通过两个工业相机实时采集模型变形过程中的图像,经过标志点识别及图像匹配,解算地质材料模型表面位移应变数据。

地铁隧道施工结构相似材料模型.jpg

XTDIC系统选取1200万像素30帧工业相机,测量视场2m,精度0.1mm。在施加载荷的同时,XTDIC系统相机同步采集数据,通过XTDIC软件计算模型位移及应变数据。

 

地铁隧道施工结构地质层模型.jpg

地铁隧道结构地质层模型加载坍塌.jpg

实验前完全坍塌后

液压机加载初期位移增加缓慢,随着加载不断推进,受压面以及圆通洞口上方位移变化加大,说明关键塌陷部位位移变化加大,坍塌位置最大位移达到11.38mm,XTDIC分析软件输出坍塌前位移及应变图。

随着加载能量继续增加,地质模型的承载能力下降,分析位移散斑图可发现,位移快速增加,最大垂直位移达到了22.18mm,此时模型已塌陷破坏,加载至中部位置完全塌陷,圆通洞口位置自上而下塌落,XTDIC系统输出坍塌后的位移及应变图:

数字散斑技术(DIC)测量地铁隧道施工地质层模型坍塌演化过程.jpg

数字散斑技术(DIC)测量地铁隧道施工地质层模型坍塌演化过程.jpg

选取圆通洞口上方塌陷关键点,XTDIC软件输出随着加载力与位移的变化关系曲线,可以清晰呈现模型塌落破坏过程,隧道顶部关键点位移及应变图:(该区域坍塌后没有数据)

地质材料模型选取关键点位移曲线.jpg

地质材料模型关键点位移曲线.jpg

地质材料模型关键点位移曲线.jpg

采用新拓三维数字散斑技术(dic),采用地质材料模型,对地铁隧道施工扰动地层灾变机制进行探索,采用模型测试分析的方式,揭示隧道施工诱发地面塌陷的灾变机制及演化规律,为有针对性提出隧道施工过程中地面塌陷的控制方案提供数据依据。


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