数字图像测量技术及在隧道室内模型试验中的应用.pdf
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1、第 51 卷第 9 期2023 年 9 月同济 大 学 学报(自然科学版)JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Vol.51 No.9Sep.2023论文拓展介绍数字图像测量技术及在隧道室内模型试验中的应用韩兴博1,冯浩岚1,何乔2,王培源1,陈子明1,娄智普3(1.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064;2.贝尔福蒙贝利亚技术大学 信息学院,贝尔福 90000;3.中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司,山东 济南 250000)摘要:首先按照数字图像技术分析基本原理差异,对数字图像相关(DIC)、粒子图像测速(PIV)等二维数字图像测
2、量方法在隧道模型试验中的应用现状、技术发展以及基本原理进行梳理。进一步,对三维测量方法的原理及在隧道模型试验中的应用潜力进行分析。最后,通过黄土地层盾构隧道的掘进模拟试验,对数字图像测量技术在隧道模型试验中的应用进行示范。结果表明:DIC、数字照相变形量测(DPDM)等非接触测量方法以照片上点的相关性判断各点的位移,使用场景更偏向于室内试验道路、桥梁、隧道、基础、河坝、钢结构、钢混结构等土建结构的变形监测中;而PIV分析可测量流体中流动的大小和方向,被广泛运用于浆液、泥石流、喷泉等流体运动的研究中。此外,基于黄土地层盾构隧道室内模型试验方案发现,低含水率黄土地层盾构掘进8环管片距离时,围岩的扰
3、动范围为盾构掘进中轴线两侧1 D(管片外径)左右和盾构上方1 D范围内。关键词:隧道工程;模型试验;非接触测量方法;数字图像相关;盾构掘进;土体变形中图分类号:U456.1文献标志码:ADigital Image Measurement Technology and Its Application in Tunnel Indoor Model TestHAN Xingbo1,FENG Haolan1,HE Qiao2,WANGPeiyuan1,CHEN Ziming1,LOU Zhipu3(1.School of Highway,Chang an University,Xi an 710064
4、,China;2.School of Information,University of Technology of Belfort-Montbliard,Belfort 90000,France;3.China Railway 21st Bureau Group Rail Transit Engineering Co.,Ltd.,Jinan 250000,China)Abstract:Based on the difference in basic principles of digital image technology,the application status,technical
5、development,and basic principles of two-dimensional digital image measurement methods such as digital image correlation(DIC)and particle image velocimetry(PIV)in tunnel model test are summarized.Moreover,the principle of the three-dimensional measurement method and its application potential in tunne
6、l model tests are analyzed.Furthermore,the application of digital image measurement technology in the tunnel model test is demonstrated through the tunneling simulation test of the shield tunnel in the loess stratum.The results show that DIC,digital photogrammetry for deformation measurement(DPDM),a
7、nd other non-contact measurement methods judge the displacement of each point by the correlation of points on the photo,and the use scenarios are more inclined to the deformation monitoring of civil structures such as indoor test roads,bridges,tunnels,foundations,dams,steel structures,and steel-conc
8、rete structures.PIV analysis can measure the size and direction of the fluid flow and is widely used in the study of fluid motion,such as slurry,debris flow,and fountains.Based on the indoor model test scheme of the shield tunnel in the loess stratum,it is found that the disturbance range of surroun
9、ding rock is about 1D on both sides of the central axis of shield tunneling and 1D above the shield when the shield tunneling is eight-ring segment distance in low water content loess stratum.Key words:tunnel engineering;model test;non-contact measurement method;digital image correlation;shield tunn
10、eling;earth deformation 隧道模型试验以其相较原位试验的经济性与可重复性,以及相较理论分析及数值计算的客观性与文章编号:0253374X(2023)09-1344-08DOIDOI:10.11908/j.issn.0253-374x.23217收稿日期:2023-06-30基金项目:国家自然科学基金项目(52108360);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(300102213206)第一作者:韩兴博(1991),男,副教授,工学博士,主要研究方向为隧道及地下结构受力与安全评价。E-mail:通信作者:何乔(1997),男,工程师硕士,主要研究方向为信息系统及
11、地下结构受力与安全评价。E-mail:qiao.heutbm.fr第 9 期韩兴博,等:数字图像测量技术及在隧道室内模型试验中的应用直观性,在岩土隧道工程领域的研究中占据重要地位,是不可或缺的研究手段之一1。隧道模型试验中一般采集的数据包括地表位移、围岩与衬砌的接触压力、衬砌的变形及结构内力等。早期,郭舜年等2、顾金财等3通过百分表及位移计量测衬砌变形,以及通过观察围岩开裂的宏观现象对不同工况隧道结构的受力特性进行了模型试验研究。后续,学者们也在模型试验的地层顶部增设了多组百分表以观察隧道开挖引起的地表沉降规律。此类衬砌变形、地表沉降等数据,可以通过百分表、位移计等设备接触结构体直接进行观测,
12、获取较为便捷。但是除此类结构体表面的位移外,围岩内部的位移也对隧道开挖后地层影响规律的研究具有重要价值。因此,为了观测岩土体内部的位移,李又云等4通过多点位移计监测了隧道模型试验围岩内部位移。这类多点位移测量系统及方法,为获取围岩内部的变形规律提供了条件,但是仍然属于通过少量点的位移来推测整个围岩的变形情况,试验结果分析具有一定的偶然性。此外,该类位移计多为自研,不同研究团队的制作工艺水平会较大程度影响测量结果的准确性5。后续,随着光纤测量技术的发展,刘泉声等6通过在围岩内部布设光纤,实现围岩变形的监测。但是,不论内置的多点位移计还是光纤测量仪器,其均需将测量元件埋置于土体内部,这些元件不同程
13、度上会影响其周边土体位移的发展,从而一定程度影响试验结果。随着数字图像测量技术的发展,李元海等7提出了采用标点法计算图像的相关性,并开发了相应的软件系统PhotoInfor。Stanier等8通过改良算法实现了粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术在岩土变形监测中的应用,并研发了基于MATLAB 的 GeoPIV-RG 程 序 并 可 开 放 获 取。Blaber 等9基 于 数 字 图 像 相 关(digital image correlation,DIC)技术,也研发了可开放获取的MATLAB程序Ncorr。上述技术及实践对隧道模型试验围岩衬砌等的
14、位移及裂缝发展的非接触测量提供了强力支撑。因此,本研究拟首先从DIC、PIV、数字 照 相 变 形 量 测(digital photogrammetry for deformation measurement,DPDM)三类技术出发,对数字图像测量方法在隧道模型试验中的应用现状及技术发展进行梳理,并介绍各类测量方法的基本原理。其后通过黄土盾构隧道的掘进模拟试验,对数字图像测量技术在隧道模型试验中的应用进行示范。研究以期对隧道模型试验的围岩及结构变形量测提供思路及具体方法。1 数字图像测量方法应用概述 1.1数字图像相关DICDIC技术较早被应用于固体力学中,测试刚性材料(如钢和铝)的应变。岩土
15、工程研究对象相对刚性材料,试验中的应变明显更大(应变范围在0.1%1%)且显著高于与该技术的典型误差幅度。因此,在20世纪90年代末,研究人员意识到DIC特别适用于岩土工程领域,开始在地层变形的分析中广泛应用。在公路隧道方面,基于缩尺离心试验,Idinger等10对不同围岩压力下隧道掌子面塌方的破坏机理进行了分析,进一步利用DIC分析地面变形规律并将分析结果与理论模型进行了对比。Huang等11基于物理模型试验,采用DIC技术分析了隧道开挖后围岩的变形情况,研究了断层带附近隧道围岩的破坏机理。在地铁隧道方面,Sun等12采用透明砂和DIC技术对盾构机掘进时的土体变形规律进行了实验研究,研究发现
16、土体的沉降槽类似于高斯曲线。李堂勇13依托成都地铁某运营区间,通过模型试验及 DIC 等方法对浅埋地铁隧道抗震性能进行了研究。此外,针对许多岩土破坏过程,如浅基础的塑性破坏或山体滑坡涉及的类似颗粒流运动,也可以利用图像相关技术解决流体力学领域的相关问题14。1.2粒子图像测速PIV相较DIC技术,PIV技术不仅可以分析不同工况下的岩土体位移场,还可以针对盾构隧道壁后注浆等流体在空隙中的填充情况和扩散范围进行分析。在分析材料试件的基本性能方面,王文学等15对试件开展压剪试验,探究了裂隙张开度对试件强度、变形及破坏的影响。而在桩土变形及隧道施工方面的分析中,曹兆虎等16对沉桩过程中桩周土体的位移场
17、进行测量,并研究了不同因素对桩周土体位移场的影响规律。方焘等17开展了不同埋深盾构隧道施工时砂土地层的变形规律模型试验,得出了不同埋深情况下地层的变形规律。此外,在土动力学以及流体力学相关的研究中,Cilingir等18利用PIV测量了隧道周围的加速度和土压力,发现最大加速度对隧道承受的最大荷载有重要影响。李文涛19利用PIV测试,对盾构隧道壁后1345同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷注浆控制地层沉降的效果及注浆浆液的填充情况和扩散范围进行了研究。1.3数字照相变形监测DPDMDIC和PIV作为主流的非接触测量方法,在此两者基础上,学者们对非接触测量方法进行了拓展,形成
18、了更多元化的测量手段。数字照相量测技术20主要通过单反相机、电荷耦合器件(CCD)摄像机或者其他拍照设备当作图像采集的手段,从而得到需要观测物体的数字图片,进一步利用数字图像处理以及分析软件对所量测的目标的变化趋势进行分析与处理21。其中,李元海团队研发的DPDM软件20最具代表性,DPDM软件包括2个图像分析程序(PhotoTarget、PhotoInfor)和1个后处理程序PostViewer。用户在应用该技术时只需要采集数字照片并准备一个控制点文件,系统便可完成剩余分析处理工作。基于此,李元海等22对压缩试验时的混凝土试件进行观察,得到了其表面位移、应变等发展、演变过程。2 测量方法的原
19、理 2.1二维图像测量2.1.1基本原理(1)数字图像相关DIC数字图像相关又称数字散斑相关法,其基本原理是在变形前对图像中的感兴趣区域进行网格划分,并将每个子区域视为刚体运动。然后,通过预定义的有关函数计算每个子区域,在变形后的图像中找到对应的子区域,从而确定该区域的位移。通过计算所有子区域,得到整个场的变形信息。该方法具有全场测量、抗干扰能力强、测量精度高的优点。该方法中的局部DIC(是传统DIC的一种,与全局DIC不同23)分析方法的原理如图1所示。图 1 中,P(x0,y0)为参考子区的中心坐标,Q(x0,y0)为 图 像 子 区 中 任 意 一 点 的 坐 标。而P(x0,y0)和Q
20、(x0,y0)分别为变形后,子区中心P(x0,y0)和任意一点Q(x0,y0)对应的坐标。针对研究对象依次拍摄的图片进行相关性分析,得到物体的相应位移,其核心思想是将计算区域离散化为独立的图像子区,并在每个子区内分别搜索目标位置。在变形前后的图像中,应用相关系数公式计算它们之间的相关性24。在搜索区域内,当相关系数达到峰值时,该位置即为目标子区的位置。目标子区的定位过程包括整像素搜索和亚像素匹配,实际上使用了优化方法。(2)粒子图像测速PIV通常将跟随性好且反光性强的示踪粒子大量地释放到所测流场内,粒子会跟随着流体运动并保持一致的运动状态,此时即可以示踪粒子的运动速度反映出同一位置流体的运动速
21、度,激光器发射出来的光束经柱面透镜散射后用来照亮测试流场中的示踪粒子,同时利用垂直于测试流场的CCD相机进行不间断的两次曝光,将同一区域不同时刻的粒子运动图像记录在PIV底片上25。图像处理技术能够针对较大测试区域难以准确确定同一粒子运动轨迹的问题将原本较大的区域划分成若干个称为查问区的小区域。再利用统计技术得出每个查问区粒子在流场中的位移大小和方向,再结合跨帧时间t计算粒子的速度矢量,如图2所示。通过统计每个查问区的粒子,得到每个查问区的速度矢量,再对所有的查问区进行处理,最终统计出整个测试区域的速度矢量场。在二维平面上,选取任一运动的示踪粒子,时间间隔为t,则它在x方向和y方向上的位移均与
22、时间t存在函数关系,即:vx=dx()tdtx()t+t-x()tt=v x(1)图1DIC变形子区示意图24Fig.1Schematic of DIC deformation sub-region24图2PIV原理图25Fig.2Schematic diagram of PIV251346第 9 期韩兴博,等:数字图像测量技术及在隧道室内模型试验中的应用vy=dy()tdty()t+t-y()tt=v y(2)式中:vx、vy分别为x、y方向上的瞬时速度;v x、v y分别为x、y方向上的平均速度;t为两次测量的时间间隔。当测量间隔满足一定条件时,平均速度就能反映出瞬时速度。PIV测速即是根
23、据示踪粒子的瞬时平均速度来反映出整个二维流场。(3)数字照相变形量测(DPDM)DPDM软件系统中,根据观测目标上是否使用人工量测标志点,将 DPDM 分为标点法和无标点法,前者因不受观测区域变形限制,图像处理速度较快等优点适用于模型试验、现场观测等大范围变形观测场景,但其测点布置操作较复杂且数量受限;后者因测点布置灵活且无需人工物理量测适用于小范围观测,但其缺点是量测精度对观测区变形突变性和环境光线变化敏感且图像分析时间较长20。其中,图像分析程序PhotoTarget专门用于标点法数字照片的处理分析。而PhotoInfor既可以用于无标点法图像处理,也可以处理标点法图像。进一步,针对岩土类
24、材料局部化变形特性,提出了旋转加平动的图像相关分析三步搜索算法,然后说明了基于等参四边形单元的坐标转换与变形解释方法。DPDM软件系统可为砂土、黏土、钢筋混凝土、岩石等岩土工程常用材料的数字照相变形全程观测、演化过程以及局部分析提供有力支持。2.1.2测量方法原理的差异DIC、DPDM等非接触测量方法虽然在基础数据的采用等方面存在差异,但基本原理均以照片上点的相关性判断各点的位移,并进一步分析观察区域内的位移。图像相关技术在应用于实验流体力学时发生了很大变化。如果两幅图像是在激光照射流体流动平面上的已知时间间隔内拍摄的,则图像分析可以用来测量流体中流动的大小和方向。在流体力学应用中,因为该技术
25、被用来测量某种粒子的速度,基于 DIC 原理的图像相关技术通常也被称为PIV。DIC和DPDM使用场景更偏向于室内试验道路、桥梁、隧道、基础、河坝、钢结构、钢混结构等土建结构的变形监测中。而PIV被广泛运用于浆液19、泥石流26、喷泉27等流体运动的研究中。2.2三维图像测量针对二维数字照相量测方法在透明岩体内部变形破裂观测方面存在的不足,林志斌等28通过研究近景摄影测量相关算法开发三维数字照相量测技术,该技术采用多台图像采集设备(数码相机、摄像机等)观测目标,然后利用三维数字图像的相关算法解算观测目标上各待测点的三维变形,适用范围广泛。模型试验中该方法的量测求解过程大致为:在试验开始前,布置
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