地铁施工引起地表坍塌灾害的情景构建

(青岛理工大学 山东青岛 266033)

地铁施工引起地表坍塌灾害的情景构建

谢焦焦于广明

(青岛理工大学山东青岛266033)

基于底线思维方法将地铁施工突遇不良地层引起地表坍塌灾害事故的过程进行情景构建并在此基础上开展必要的应急策略及反应。

底线思维；地表坍塌；情景构建

一、情景构建过程

为了达到上述目标，本发明的具体实施步骤如下:

1.地铁施工引起地表坍塌的力学机理及过程

砂土地层浅埋暗挖开挖前首先需要进行超前注浆施工，目的是通过提高隧道周围岩体的整体性和强度来控制上部土体的移动，但在实际中往往存在注浆压力不合理或者注浆量不足等问题。当注浆压力不合理或者注浆量不足时，就会引起较大的地层损失，在接近地铁孔洞上方会引起较大的空洞，加之砂土本身物理力学性质的原因，在砂土承受自身重力的同时下部又失去支撑力，使砂土下部承受拉力，导致砂土颗粒松散并与周围土体脱离产生流动并下沉，随着时间的推移空洞向上扩展。又由于地铁的埋深较浅，在空洞扩展的过程中很难被削减，则空洞很快发展到地表并形成塌陷。

2.利用先进技术构建可视化的基础

(1)利用三维激光扫描技术获取地铁施工引起地表正常沉降下的数据，基于此检测数据建立地铁隧道施工时的基础模型。(2)基于牛顿第二运动定律利用圆形单元模拟颗粒材料或介质的位移，其符合以下运动方程：

①

上式中ux、uy是单元在时刻t的位移，Fx、Fy是单元在时刻t所受的集中力，m是单元体的质量，上式还可简化为：

②

③

④

⑤

⑥

单元在t+Δt时刻的位移和速度可表示为：

⑦

从而新单元的位置可表示为：

unew=uold+Δu=uold+ut+Δt-ut⑧

(3)利用上述运动方程编程，获得砂土的运动位置。(4)参数输入，放大灾难性因素，将计算模型中围岩体简化为单一的砂土介质，首先查阅相关资料确定突遇砂土的各项物理力学指标，分别输入砂土介质的密度、法向刚度、切向刚度及摩擦系数，衬砌的法向刚度、切向刚度及摩擦系数；其次输入计算模型尺寸宽a、高b,即竖向取b，隧道走向方向取a，隧道埋深取H1，隧道开挖高度取H2米，开挖进尺为d。(5)利用上述参数及运动方程输出砂土的运动位置。

3.利用动画软件实现可视化

根据上述软件获得每隔一定运行步骤砂土运动的大致过程。

动画是在虚拟的空间里用动画的形式,从多个角度展示地表坍塌的过程。用动画制作坍塌图像,将坍塌的原因、过程一一展现。使地表坍塌过程在播放器上观看时一目了然。动画制作的流程如下：

(1)数据收集与企划：根据确定的地表坍塌主题进行数据收集,包括坍塌的图像图画、模型的实体、土质物理力学数据及相关主题等。将要表现的画面内容以分格分镜的方式绘制出来,作为动画制作的参考。(2)模型的制作及物体在空间中的定位、组合与管理：利用MURBS点/CV表面、曲线、Bezier面片、样条线、参数化的几何体和交互粒子系统等造型体创建隧道开挖模型，在空间中加以快速定位与组合。(3)架设摄像机取景与创建灯光：通过Render程序将矢量的数据转变为图像的数据,将动态捕捉的影像镜头和在静态图像放置摄象机以匹配场景设计。从图形画面所表现的结果了解问题的所在，然后回到原来的场景中加以修改再渲染成图像。(4)材质处理及渲染单张画面：利用材质编辑器创建地铁上方土体的仿真效果，测试场景中各方面数据配合的完整性，如:材质与土体是否匹配，材质与灯光所创建的渲染效果是否适合等。(5)动画调整设置与制作：完成所有静态场景物体的定义后,就可以设置所有场景中的物体,运用Track View、刚体动力学、关键帧管理及反向运动学等功能菜单创建动画。(6)输出动画：按需求输出成各式图像文件及视频文件，如AVI、JPG、BMP等格式的文件。

二、结论

在情景构建的基础上，通过演示动画使人们更加形象具体的了解地铁坍塌的演化过程，提前协调规划各方在灾害中的职责，使各方专业人士认识到如何快速有效而且互相合作解决涉及所属专业的难题，争取在最短的时间内最大限度的减少灾害带给人们的损失。

此情景的构建能够达到预警作用，灾害一旦发生，应急指挥平台和联合信息中心激活，立即开展应急响应行动，持续发出警报和各类应急响应通告，保持与参加响应活动的相关单位建立联系并加强对重要基础设施和特殊人群的保护，为现场提供必备资源，接受申请和求救资讯并作出反应。

以联合信息中心为主要平台，统一对外发布事件相关信息，使公众和媒体尽快了解事件真相并鼓励公众积极配合相关应急响应活动。在进行医疗救援的同时，民警官兵及时采取措施疏导塌陷区附近的其他人群，即建立隔离区和警戒带，划定危险区域保护现场，协调指挥现场救援活动，一方面可以避免更多的人陷入塌陷区，另一方面可以为救援提供更多的工作面，保证救援工作的顺利展开。

[1]闫茂旺.浅埋暗挖地铁隧道开挖砂土地层稳定性研究[D].山东大学,2015.

[2]缪林昌,王非,吕伟华.城市地铁隧道施工引起的地面沉降[J].东南大学学报(自然科学版),2008,(02):293-297.

[3]陈慧芳.动画制作中数字软件的功能分析及其应用研究[D].陕西科技大学,2013.

[4]黄波士,陈福民.运动捕捉及其在动画制作中的应用[J].计算机工程,2005,(13):168-170.[2017-09-15].

谢焦焦(1990-)，女，汉族，山东省济宁市，硕士研究生，青岛理工大学。