全尺寸隧道管片在地层荷载下力学行为的全息测试系统研发与验证

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Restorative characterization of tunnel segment mechanical behavior under ground loading: A holographic testing system

　　

本研究提出了一套自主研制的面向大型地下结构的全息测试系统（holographic testing system）。该系统采用非接触测量技术，能够准确再现隧道管片在均布地层压力作用下的力学边界条件。试验装置集成了高刚度反力框架、大吨位三向协同加载系统（three-directional synergistic loading system）、试样运输台车以及精密伺服控制模块（servo-control module）。在加载机制方面，沿竖向采用16块铰接加载板（hinged plates）模拟均匀土压力；沿轴向采用双层油缸（double-layer cylinders）提供弯-剪-轴耦合受力场（coupled bending-shear-axial force field）；采用作动器阵列（actuator array）模拟纵向环间约束，从而忠实再现管片的复杂边界条件。竖向、水平向及纵向最大加载能力分别达到20,000 kN、50,000 kN和20,000 kN。控制系统采用双闭环（力与位移）反馈（dual-loop feedback），可实现精确伺服跟踪与无缝模式切换。测量系统由三维激光扫描（3D laser scanning）、数字图像相关技术（digital image correlation, DIC）、高速相机（high-speed cameras）及声发射监测（acoustic emission monitoring）组成，能够实时表征全场位移与应变演化，精确捕捉裂缝萌生、扩展及宏观破坏模式，填补了大直径隧道下部结构三向加载测试的关键技术空白。此外，该装置通用性强，可满足梁、板、柱及接头等多种结构构件的力学测试需求。其模块化架构（modular architecture）具有优越的可扩展性，可支撑复杂环境条件下隧道管片力学行为的专门研究。实际应用表明，该系统能够忠实再现大直径管片从弹性加载到非线性破坏的全过程力学特征，可作为隧道工程领域先进的全尺寸试验平台。

随着“一带一路”倡议的深入推进以及深海、深地、深空战略的全面实施，以超长距离、大断面、大埋深、高水压及复杂地质条件为特征的一批盾构隧道工程快速涌现，如在建的川藏铁路、胶州湾第二隧道、沿江高铁崇太隧道以及规划中的渤海海峡跨海通道和台湾海峡跨海通道等。这些工程对隧道管片的结构安全与性能提出了前所未有的挑战。随着隧道结构向超大直径方向发展，管片厚度显著增大，结构行为由传统“薄壁衬砌”向“深梁厚环”特征演变，使隧道结构在极高压力下的力学响应高度复杂且具有内在不确定性。在隧道结构力学行为与破坏特征研究方面，国内外研究人员主要采用构件试验、缩尺结构模型试验和足尺结构试验三种实验途径。就构件试验而言，已有学者采用专用管片加载装置研究了局部开口尺寸与位置对管片承载力和破坏机制的影响，但加载系统无法向管片提供水平轴力；部分足尺管片接头试验装置虽配置水平与竖向液压千斤顶，但无法对试样施加纵向加载；同济大学自主研发的TJ-GPJ2000盾构隧道管片接头加载系统可对试样施加三向加载，但最大水平荷载为2000 kN、最大竖向荷载为1500 kN、最大纵向荷载为2500 kN。综合来看，尽管已开发多种盾构隧道管片加载系统，但在再现深覆盖层下隧道管片复杂力学条件方面仍存在显著挑战：（i）加载维度有限、荷载场再现保真度不足，难以捕捉管片边界处弯矩-轴力-剪力（M–N–Q）的复杂耦合以及均布上覆压力（uniformly distributed overburden pressure）的联合作用；（ii）足尺或大直径拼装结构的加载能力不足，尤其缺乏兆牛（meganewton）量级的同步三维加载能力；（iii）结构可重构性有限、高精度感知能力不足，刚性一体化设计与传统接触式监测方法限制了对复杂加载工况的适应性，并阻碍了对非线性破坏行为的准确捕捉。因此，亟需一种具备大吨位三维加载、精确边界解耦、模块化架构与全息非接触测量能力的新型试验平台。

针对上述问题，研究人员自主研制了一套足尺三向高压加载试验系统。该系统可模拟极端地质荷载下管片衬砌的真实力学行为与破坏演化过程。该系统的研制不仅填补了大直径隧道足尺试验装备的空白，也为保障国家“三深”战略下隧道工程安全提供了关键技术支撑。在装置总体设计方面，研究人员首先分析了地质荷载下隧道结构的受力状态：隧道结构承受自重（G）、拱顶水土压力（p）、侧向土压力（p₁、p₂）、仰拱反力（p_k）及地层抗力（kδ），管片外侧受周围土水压力作用，管片端部承受相邻管片的轴力、剪力与弯矩，纵向承受相邻管片的挤压，呈现明显的三维受力状态。为此，装置竖向加载采用铰接加载板以保证加载板与管片表面完全接触，并在管片与加载装置之间设置橡胶垫（rubber pads）以均匀分布竖向荷载，模拟地层压力对弧形管片的均布加载；竖向加载系统由中央主液压缸和两侧辅助缸组成，中央缸可提供20,000 kN竖向荷载，每个辅助缸可提供5000 kN，智能控制系统可实现三缸独立或同步运行。管片端部的轴力、弯矩与剪力通过8个L形支撑（L-shaped supports）施加，每侧4个、每个宽1000 mm，每个支撑由两排竖向布置的液压缸从后方驱动、每排独立可控，通过调节上下两排缸的荷载可对管片或管片接头施加轴力与弯矩，每个支撑最大轴力为12,500 kN，一侧4个支撑合计最大轴力达50,000 kN。相邻衬砌环引起的纵向荷载通过由4个自反力拉杆作动器（self-reacting tie-rod actuators）组成的纵向加载系统施加，最大纵向荷载达20,000 kN。在等效荷载施加方法方面，研究人员建立了精细化数值模型，对全环隧道结构进行数值计算，根据装置竖向加载板覆盖范围确定管片研究区域，从全环模型中提取研究区域的边界荷载（M、N、Q），再结合地质荷载大小、研究区域边界荷载、结构自重及管片在支撑上的相对位置进行静力平衡计算，确定上下液压缸需施加的水平轴力与竖向荷载。在装置性能验证方面，基于实际隧道工程建立全环数值模型，隧道开挖外径14,800 mm、内径13,500 mm、管片宽2000 mm、厚650 mm，每环由7块标准块、2块邻接块和1块封顶块组成，邻接块采用常规斜螺栓连接，埋深15,000 mm，采用非线性弹簧模拟隧道与周围土体的相互作用，并采用Abaqus有限元软件计算全环结构在地质荷载下的力学响应。模型提取的研究区域边界截面荷载为弯矩142.4 kN·m、轴力2020 kN、剪力57.35 kN，据此确定装置上部水平缸需提供1179.5 kN轴力、下部水平支撑需提供780.9 kN轴力、竖向缸需提供1002.6 kN竖向荷载。对比结果表明，研究区域内截面弯矩误差在6%以内、轴力误差在3%以内，剪力总体吻合良好，说明采用该装置加载管片可有效再现结构在地质荷载下的真实力学响应。研究人员进一步强调，该装置的核心价值在于能够在可控边界条件下研究构件在特定应力状态下的局部力学响应；当结构进入非线性阶段时，只要材料参数与边界荷载保持一致，衬砌结构的破坏模式、裂缝扩展路径与极限承载力即具有高度一致性和科学可比性；鉴于全环结构整个非线性过程的物理试验在技术上困难且成本高昂，通过等效边界荷载开展构件或接头试验是隧道工程界广泛认可的科学途径。

为开展研究，研究人员采用的主要关键技术方法包括：自主研制集高刚度反力框架、三向协同加载系统、运输台车与精密伺服控制模块于一体的全尺寸全息试验装置；基于Abaqus全环数值模型提取边界截面荷载（M、N、Q）并通过静力平衡计算确定作动器加载值的等效边界荷载施加方法；由三维结构光扫描、DIC、高速相机、红外成像及声发射监测组成的非接触全息测量系统与双闭环伺服控制技术；以及钢柱推拉试验、足尺管片加载试验和足尺管片接头压弯试验等验证性应用案例。

3 隧道结构测试系统

3.1 试验装置概述。研究人员研制的大型结构试验装置整体长、高、宽分别为14,000 mm、11,785 mm和4800 mm，试验空间为8140 mm×4600 mm×5660 mm，足以开展梁、板、柱、墙及隧道衬砌管片等足尺力学性能试验。装置配有通过地锚固定于地面的框架系统，可施加竖向、轴向与纵向三向荷载。竖向加载空间可在1500 mm至5660 mm之间分七级自动调节，级间距600 mm，液压缸最大行程700 mm，最大竖向压缩荷载20,000 kN、拉伸荷载5000 kN；水平加载空间可在2400 mm至5000 mm之间调节，水平作动器缸行程800 mm，最大水平压缩荷载50,000 kN、拉伸荷载3000 kN；纵向加载空间可在1000 mm至4000 mm之间调节，液压缸最大行程200 mm，最大纵向荷载20,000 kN。各方向加载可通过设定目标荷载与加载速率或指定缸位移速度进行控制，操作灵活。装置 Deployment 前经国家认可的第三方机构校准，确保试验荷载按既定要求准确施加。

3.2 试样运输系统。装置配有试样运输台车，用于将试样定位并安装至加载系统。安装前需调整竖向与水平加载模块以保证可用空间大于试样尺寸；台车先吊装至装置轨道并与驱动系统通过连接杆相连，调整支撑高度使试样略高于支撑位置后将试样吊装至台车并对中，操作台车将试样缓慢移至指定位置，调整水平支撑使试样两端对准支撑上方，降下支撑装置将试样置于支撑上，随后移走台车，利用水平加载系统微调试样位置，安装传感器后开展试验。

3.3 智能控制系统。智能控制系统最突出的特点是其多样的加载能力，配置了伺服跟随竖向与水平力控制以及位移-力协调控制两种闭环控制模式，并可在任何情况下平滑切换。控制软件支持手动与自动操作，具备完善的过载保护和位移限位保护功能；加载作动器力测量精度为±1%，活塞位移分辨率0.01 mm，最大加载速度150 mm/min；采用POP-NET多通道控制器与结构试验软件集成，可实现多作动器同步或异步控制，竖向荷载达20,000 kN、水平荷载达50,000 kN；系统采用微位移检测与电液伺服主动跟随加载技术，具备数据同步与输出功能，并具有可靠的试验续接功能。

3.4 测量系统。除内置作动器荷载与位移传感器及外置位移传感器外，装置还配备非接触测量系统，主要包括结构光三维扫描、DIC变形测量、红外成像与高速相机。结构光三维扫描系统安装于自动移动平台，测量体积为5000 mm×4000 mm，可在60 s内完成360°全景扫描，空间分辨率0.5 mm/pixel，距离重复性0.3 mm；DIC系统采用高分辨率工业相机（4096×3000像素），全分辨率下最大采样率23 fps，应变测量灵敏度10 με，位移分辨率优于0.01像素；高速相机全画幅（1280×1024像素）下帧率15,000 fps，经感兴趣区域（ROI）优化后峰值采集率达1,060,000 fps；电液伺服系统力测量精度与位移分辨率0.01 mm。研究人员开发了多源多尺度测试集成与控制方法及高性能分析系统，实现不同测试方法与尺度获得的大型结构响应的融合与互相关分析。此外，试验平台集成了声发射监测系统，所用SAEU3H声发射系统由专用机箱（内置采集卡）、传感器、前置放大器、同轴电缆与上位机组成，具有12个高速信号输入通道，采样率10 MS/s，每通道分辨率16 bit；未来计划引入将快速行进法（Fast Marching Method）与二阶差分定位算法耦合的微震监测技术以进一步提升损伤定位精度。该非接触全息测试系统将三维结构光扫描、声发射、DIC与高速摄像协同集成，构建了“由内而外”的多模态感知框架，具有多尺度空间覆盖、多维度状态表征与全面时间保真三方面优势。

4 试验装置应用案例

为验证加载系统与数据监测的准确性，研究人员开展了一系列试验，包括钢柱推拉试验、足尺隧道管片加载试验和足尺管片接头压弯试验。

4.1 钢柱推拉试验。研究人员对截面为400 mm×400 mm的工字形钢柱开展推拉试验，以评估装置加载性能与位移传感器测量精度。钢柱左侧通过延伸钢柱与M36螺栓连接至左侧液压作动器以施加推拉荷载，顶部直接承受竖向液压千斤顶压力，底部通过6根M90拔出螺栓锚固于装置基础；钢柱监测区域喷涂散斑图案，采用DIC非接触测量系统捕捉变形与位移。加载方案为：先以800 kN/min施加竖向荷载至2000 kN并保持恒定，随后以150 kN/min施加水平压缩荷载至200 kN，持荷1 min后以相同速率施加200 kN反向轴向拉伸荷载，循环三次后以800 kN/min卸载竖向荷载。结果表明，荷载传感器响应与设计加载序列高度吻合，装置位移传感器与DIC测量结果总体趋势一致，验证了装置传感器的高测量精度与可靠性。

4.2 足尺隧道管片加载试验。研究人员采用研制装置对海太长江隧道管片开展足尺承载性能试验，该隧道外径16,000 mm、内径14,600 mm、管片宽2000 mm、厚700 mm。试验安装14个位移传感器，其中9个布置于管片支撑的三个角点以监测水平、竖向与纵向位移，5个布置于管片跨中与两侧以监测加载过程中的竖向位移；管片侧面与底面喷涂散斑图案并采用DIC监测应变与位移；在管片顶部与底部安装4个声发射传感器监测结构损伤；底面与背面安装混凝土应变计监测拉压应力；底部监测台车配备DIC系统、结构光三维扫描仪与高速相机以观测底面裂缝发展。加载前针对不同埋深建立全环数值模型确定管片轴力范围为3000 kN至12,000 kN，本试验选取中等埋深工况，计算得管片轴力约8000 kN。加载分三阶段：阶段1调整竖向加载板与管片表面贴合并固定竖向千斤顶以施加轴力；阶段2保持轴力恒定、分级施加竖向荷载；阶段3采用位移控制逐步增加竖向千斤顶行程。轴力分七级施加至8000 kN（前六级各1200 kN、末级800 kN），每级持荷3 min；轴力加载过程中由于管片产生上拱力，竖向千斤顶产生向下反力，轴力达8000 kN时竖向千斤顶荷载达3535 kN；随后以300 kN级差施加竖向荷载至6835 kN，之后以200 kN级差递增，每级持荷3 min；当竖向荷载达8635 kN与8835 kN时适当延长持荷时间以观测表面裂缝萌生与发展；当竖向荷载恒定而位移持续增大时切换为位移控制模式，以每级2 mm递增并持荷3 min，直至位移持续增大而竖向荷载明显下降。结果表明，管片跨中竖向位移呈现三个明显阶段：阶段1轴力施加阶段竖向千斤顶位置固定，跨中竖向位移始终为零；阶段2竖向荷载施加阶段跨中竖向位移随荷载增加而增大且增速逐渐上升，竖向荷载超过7835 kN后荷载恒定而位移缓慢增大，达8635 kN时位移骤增至20.3 mm；阶段3位移快速增长阶段竖向千斤顶荷载变化很小而跨中竖向位移持续快速增长，此时底部受拉钢筋屈服、管片底部出现多条受拉裂缝、最大裂缝宽度约5 mm，管片最终达到极限荷载8897 kN、跨中竖向位移达38.93 mm。裂缝演化方面，裂缝在阶段2后期出现但一旦萌生便快速扩展：8235 kN时管片中部下方区域形成裂缝，8435 kN时裂缝明显发展、最长裂缝超过管片厚度一半并延伸至下部止水槽，阶段3中裂缝增多加宽、最长裂缝延伸至上部止水槽、宽度达4 mm。底面裂缝演化方面，竖向荷载达8235 kN时管片底面手孔位置首先出现裂缝，DIC应变监测显示底面已形成多条微裂缝，随荷载增加裂缝逐渐发展贯通，竖向荷载达8897 kN时沿管片宽度方向裂缝数量剧增、最大底面裂缝宽度约5 mm。

4.3 足尺隧道管片接头试验。为使试验装置适应不同长度足尺直线管片接头的力学行为测试，研究人员设计了模块化拼装式连接件与可移动支撑底座：在第四个水平支撑上增设模块化连接件，将该支撑上部竖向均布加载装置替换为分配梁加载装置，并在连接件底座安装钢柱与转动圆钢作为支撑结构；延伸件与支撑底座采用球铰与柱铰组合并通过底部钢杆支撑连接，使支撑可前后与竖向转动，柱铰锁定时支撑仅可竖向转动，该球-柱铰组合可实现支撑多方向转动。接头试样长1200 mm、宽1000 mm（足尺管片的一半）、高650 mm。加载分两阶段：轴力施加阶段先调整竖向加载装置接触试样并固定位置，以300 kN级差施加轴力、每级持荷3 min，轴力达3000 kN后进入竖向加载阶段，此时竖向荷载为320 kN，随后以100 kN级差施加竖向荷载、每级加载4 min并持荷6 min直至接头破坏。结果表明，接头转角随截面弯矩呈非线性变化，可分为三个阶段：阶段I接头变形小、基本闭合，转角随弯矩线性增加，轴力使管片界面混凝土紧密接触，随竖向荷载增加接头紧密受压区面积减小，弯矩达854.62 kN·m时接头明显张开；阶段II接头发展阶段，转角随弯矩呈现明显非线性、增速高于阶段I，受压混凝土面积逐渐减小导致抗弯刚度降低，阶段末截面弯矩达1145.12 kN·m，接头张开延伸至连接螺栓位置、螺栓以上混凝土仍受压、接头面开始出现微裂缝；阶段III转角随弯矩急剧增大，接头张开高度持续增大、受压混凝土面积逐渐减小至仅外侧边缘接触，最终接头外侧混凝土压碎、裂缝扩展贯通并发生混凝土剥落，截面弯矩达1380.06 kN·m时接头破坏。弯矩-变形曲线同样呈现三阶段特征：阶段I稳定变形阶段，接头变形随弯矩准线性发展，弯矩732.82 kN·m、竖向变形1.65 mm时接头底部出现可见张开，上部混凝土受压、中部螺栓开始承受接头转动引起的拉应力；阶段II加速变形阶段，弯矩达1145.12 kN·m（变形5.93 mm）时接头张开快速向中部扩展，顶部混凝土压应力显著增大并超过极限压应变而萌生纵向裂缝，此阶段接头底部抗拉主要由高强螺栓提供；阶段III快速增长与破坏阶段，弯矩峰值1380.06 kN·m时因上部混凝土压碎而最终破坏，连接螺栓因数量多、等级高而始终保持完好。DIC与LVDT对比分析表明DIC测得变形略低于LVDT，相对误差在3%以内，验证了DIC系统在大尺度接头试验中的准确性。接头最终破坏主要由顶部受压区混凝土压碎引起，接头混凝土出现贯穿裂缝，破坏区域长约38 cm、高约15 cm；接头底部铸铁连接件与混凝土之间因锚固强度不足而开裂，最大裂缝宽度近1 cm；连接螺栓未断裂，原因是铸铁件背面通过钢管锚固至对面管片钢板，随竖向荷载增加铸铁件拉力增大使背面钢管变形，从而释放螺栓拉应力。

4.4 加载稳定性验证。研究人员基于足尺管片衬砌试验数据与预调试校准结果，评估了水平轴力与竖向荷载的动态跟随稳定性。管片试验中要求水平轴力同步恒定保持8000 kN，结果表明加载开始时液压系统响应与目标值切换导致短暂瞬态超调、峰值达8024 kN，随后水平轴力迅速进入稳定持荷阶段，波动约束在7992–8008 kN范围内，数据点主要集中在7996–8004 kN的窄带内；即使竖向荷载超过8000 kN的高荷载阶段，水平轴力仍保持优异持荷精度，全过程相对误差控制在0.1%以内。系统调试前的标准加载性能校准曲线表明，竖向荷载设定为恒定10,000 kN时动态水平荷载调整影响可忽略，实际值稳定在9999–10,001 kN之间，稳定误差仅0.01%；校准试验精度更高主要归因于结构配置差异（管片轴力由两侧水平支撑协同提供、双驱动系统同步偏差导致误差累积，而竖向荷载由单一高精度液压缸提供）与试样刚度影响（校准试验采用高刚度钢柱、其压缩变形远小于混凝土管片，减少了试样变形触发的液压系统压力补偿频率）。此外，框架结构刚度对维持稳定连续加载具有关键作用，研究人员对框架系统开展了严格刚度校准试验，结果表明在20,000 kN极限竖向荷载下，支撑竖向液压千斤顶的横梁跨中挠度为11.33 mm，梁跨12,300 mm，挠跨比小于1/1000，满足大型结构试验装置的严格刚度要求，框架变形对试样边界条件的影响可忽略。

4.5 案例选择与工程相关性。为确保试验验证的代表性与科学性，研究人员策略性地选取了三个涵盖从基础系统校准到复杂工程挑战模拟的层级谱系试验案例：钢柱推拉试验再现结构节点与梁柱构件在循环或偏心荷载下的力学响应，作为基础系统精度的基准；足尺隧道管片试验着眼于评估隧道结构的整体力学行为与应力分布；管片接头试验聚焦衬砌环内关键界面的局部力学演化与破坏机制。该多层级方法确保装置在不同结构尺度与边界条件下得到严格验证，表明该集成试验平台具有通用性与鲁棒性。

5 展望与未来研究方向

研制试验系统的模块化架构为深入推进地下结构研究提供了通用且可扩展的平台，通过策略性集成附加模块或重构现有模块，可显著扩展系统功能以模拟日益复杂的服役环境。未来研究将聚焦以下关键方向：（1）非均布地层荷载模拟。对于承受非均布地层荷载的隧道衬砌结构，可将分布水土压力等效为分段集中荷载，在每个分段积分区间内计算有效竖向等效集中荷载（F_yi）与有效水平等效集中荷载（F_xi），进而计算垂直于管片弧面的合力（F_i），即该区段液压千斤顶施加的竖向荷载；研究人员建立坐标系并给出相应计算公式，通过数值模拟研究最优分段区间数量与集中荷载等效效果，以均匀分布地层荷载下的力学行为作为对照，通过比较目标衬砌块内力分布验证等效效果，并综合考虑计算误差与试验装置可容纳竖向液压千斤顶数量的实际约束确定最优分段数。（2）信息物理融合方法（cyber-physical fusion method）实现。随着盾构与TBM技术发展，隧道直径与衬砌厚度增大，足尺试验在可行性与准确性上面临挑战，为此研究人员发展了数字-物理一体化试验方法：在物理空间对复杂构件或关键子系统开展足尺加载与卸载试验以捕捉全息数据，在数字空间开展精细化足尺数值模拟，通过实时数据交换（动态混合边界条件与关键参数传递）与集成确保物理域与数字域的一致性，从而研究大型复杂结构在真实荷载条件下的时空响应特征。（3）热-力耦合试验实现。随着隧道工程数量增加与服役寿命延长，火灾等突发灾害对隧道结构安全的威胁日益增大，加载装置中已预留安装高温炉的空间，高温炉可按实际火灾温度曲线编程以模拟真实火灾场景下隧道内表面的热荷载，使衬砌结构承受三向荷载与真实火灾条件的联合作用，研究静载与高温耦合作用下隧道衬砌构件的破坏特征与机制。（4）加载-渗流耦合试验实现。装置模块化架构不仅保证结构力学测试精度，还通过预留空间与控制接口为研究深部高水压环境下的水力-力学（HM）耦合行为提供通用基础：利用加载框架内显著的空间冗余，未来可在管片试样周围集成定制高压密封舱，以刚性梁为锚固点通过高压液压源向舱内注入高压流体以模拟深部地层的高渗压环境；试验中系统可协同施加结构荷载（M-Q-N）与渗压（p_w），并通过高精度压力补偿系统在管片非线性裂缝萌生后实时监测与调控水压演化，再现海底或深部含水层中衬砌结构的力学响应，为长距离海底隧道服役寿命预测提供关键试验依据。（5）动力-力学耦合试验实现。为满足深部隧道地震动力荷载下的安全评估需求，未来可利用装置的可重构特性开展静-动组合试验：利用加载单元的模块化接口将整个加载系统迁移并锚固于大型振动台上，形成“装置-振动台”集成模式，试验中先利用电液伺服系统施加高量级初始地应力（静载），再通过振动台输入地震波激励（动载），从而高保真再现衬砌结构在高地应力下服役期的地震动力响应，特别是强震作用下的非线性损伤演化机制。（6）加载-腐蚀耦合试验实现。未来研究可沿两条技术路径开展化学-力学（CM）退化机制研究：一是顺序耦合方法，试样先经预腐蚀处理再进行力学测试，以定量评估材料劣化对剩余结构承载力的影响；二是同步耦合方法，通过研制定制密封舱在持荷阶段促进腐蚀过程，并针对试样外表面与加载作动器直接接触引起的“界面屏蔽”难题，优化传力块设计、引入带流道的专用传力介质使腐蚀溶液渗透加载边界，真实再现衬砌结构在复杂深部环境全寿命周期内的化学-力学耦合服役状态。

6 结论

本研究研制了一套用于研究大型地下基础设施力学行为与破坏机制的足尺非接触全息试验系统，重点关注盾构隧道管片与管片接头。该系统集成了模块化框架、三向大吨位加载系统、智能控制平台以及高精度接触与非接触测量技术。基于该系统的设计、实现与应用，得出以下结论：（1）模块化大吨位试验平台。加载系统由模块化部件组成，可拆卸、重构并适应不同试样几何形状与试验需求；加载模块提供大试验空间与高加载能力，最大水平轴向、竖向与纵向荷载分别为50,000 kN、20,000 kN和20,000 kN，使足尺试样能够在代表原位地应力条件的复杂高量级荷载组合下开展试验。（2）结构边界条件的准确再现。系统可独立或交互施加隧道衬砌管片与接头边界所需的轴力、弯矩与剪力，从而比传统构件试验更真实地再现实际或类地应力加载条件下隧道衬砌的边界应力状态与结构响应；系统还提供与数值模型耦合的接口，可将数值分析计算的边界荷载自动提取并传递至试验系统进行主动实时加载。（3）集成高精度测量与智能控制。接触与非接触测量系统通过实时通信与加载模块集成，实现作动器位移与施加荷载的协调控制以及对结构变形、位移与破坏发展的连续监测；多自由度加载、智能控制与高精度测量的结合提高了足尺结构试验的稳定性、准确性与可重复性。（4）试验验证与适用性。足尺盾构隧道管片与管片接头的应用案例表明，系统可实现精确加载、稳定持荷以及类地应力加载条件下隧道衬砌行为的可靠再现；试验捕捉了被测构件的力学响应、变形特征、承载力与破坏过程，验证了所提平台的有效性与实际适用性。（5）对全息测试与数字重构的贡献。与传统试验设备相比，该系统支持大规模多源试验数据的集成采集、传输与分析；其数值模型耦合、多自由度加载与接触/非接触测量的结合为大型地下基础设施的足尺全息测试、数据融合与数字重构提供了技术基础，有助于更全面地理解结构行为与破坏机制，并为地下结构的设计、评估与维护提供改进的试验支撑。总体而言，所研制系统为再现复杂原位加载条件与研究地下基础设施足尺行为提供了有效试验平台，其模块化配置、高加载能力、准确边界条件再现、集成测量与控制以及与数值模拟的兼容性，使其适用于隧道衬砌、管片接头及其他大型地下结构构件的广泛试验研究。