地鐵施工引起地表坍塌災(zāi)害的情景構(gòu)建

(青島理工大學(xué) 山東青島 266033)

地鐵施工引起地表坍塌災(zāi)害的情景構(gòu)建

謝焦焦于廣明

(青島理工大學(xué)山東青島266033)

基于底線思維方法將地鐵施工突遇不良地層引起地表坍塌災(zāi)害事故的過程進(jìn)行情景構(gòu)建并在此基礎(chǔ)上開展必要的應(yīng)急策略及反應(yīng)。

底線思維；地表坍塌；情景構(gòu)建

一、情景構(gòu)建過程

為了達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下:

1.地鐵施工引起地表坍塌的力學(xué)機(jī)理及過程

砂土地層淺埋暗挖開挖前首先需要進(jìn)行超前注漿施工，目的是通過提高隧道周圍巖體的整體性和強(qiáng)度來控制上部土體的移動(dòng)，但在實(shí)際中往往存在注漿壓力不合理或者注漿量不足等問題。當(dāng)注漿壓力不合理或者注漿量不足時(shí)，就會(huì)引起較大的地層損失，在接近地鐵孔洞上方會(huì)引起較大的空洞，加之砂土本身物理力學(xué)性質(zhì)的原因，在砂土承受自身重力的同時(shí)下部又失去支撐力，使砂土下部承受拉力，導(dǎo)致砂土顆粒松散并與周圍土體脫離產(chǎn)生流動(dòng)并下沉，隨著時(shí)間的推移空洞向上擴(kuò)展。又由于地鐵的埋深較淺，在空洞擴(kuò)展的過程中很難被削減，則空洞很快發(fā)展到地表并形成塌陷。

2.利用先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建可視化的基礎(chǔ)

(1)利用三維激光掃描技術(shù)獲取地鐵施工引起地表正常沉降下的數(shù)據(jù)，基于此檢測(cè)數(shù)據(jù)建立地鐵隧道施工時(shí)的基礎(chǔ)模型。(2)基于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律利用圓形單元模擬顆粒材料或介質(zhì)的位移，其符合以下運(yùn)動(dòng)方程：

①

上式中ux、uy是單元在時(shí)刻t的位移，F(xiàn)x、Fy是單元在時(shí)刻t所受的集中力，m是單元體的質(zhì)量，上式還可簡(jiǎn)化為：

②

③

④

⑤

⑥

單元在t+Δt時(shí)刻的位移和速度可表示為：

⑦

從而新單元的位置可表示為：

unew=uold+Δu=uold+ut+Δt-ut⑧

(3)利用上述運(yùn)動(dòng)方程編程，獲得砂土的運(yùn)動(dòng)位置。(4)參數(shù)輸入，放大災(zāi)難性因素，將計(jì)算模型中圍巖體簡(jiǎn)化為單一的砂土介質(zhì)，首先查閱相關(guān)資料確定突遇砂土的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)，分別輸入砂土介質(zhì)的密度、法向剛度、切向剛度及摩擦系數(shù)，襯砌的法向剛度、切向剛度及摩擦系數(shù)；其次輸入計(jì)算模型尺寸寬a、高b,即豎向取b，隧道走向方向取a，隧道埋深取H1，隧道開挖高度取H2米，開挖進(jìn)尺為d。(5)利用上述參數(shù)及運(yùn)動(dòng)方程輸出砂土的運(yùn)動(dòng)位置。

3.利用動(dòng)畫軟件實(shí)現(xiàn)可視化

根據(jù)上述軟件獲得每隔一定運(yùn)行步驟砂土運(yùn)動(dòng)的大致過程。

動(dòng)畫是在虛擬的空間里用動(dòng)畫的形式,從多個(gè)角度展示地表坍塌的過程。用動(dòng)畫制作坍塌圖像,將坍塌的原因、過程一一展現(xiàn)。使地表坍塌過程在播放器上觀看時(shí)一目了然。動(dòng)畫制作的流程如下：

(1)數(shù)據(jù)收集與企劃：根據(jù)確定的地表坍塌主題進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,包括坍塌的圖像圖畫、模型的實(shí)體、土質(zhì)物理力學(xué)數(shù)據(jù)及相關(guān)主題等。將要表現(xiàn)的畫面內(nèi)容以分格分鏡的方式繪制出來,作為動(dòng)畫制作的參考。(2)模型的制作及物體在空間中的定位、組合與管理：利用MURBS點(diǎn)/CV表面、曲線、Bezier面片、樣條線、參數(shù)化的幾何體和交互粒子系統(tǒng)等造型體創(chuàng)建隧道開挖模型，在空間中加以快速定位與組合。(3)架設(shè)攝像機(jī)取景與創(chuàng)建燈光：通過Render程序?qū)⑹噶康臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像的數(shù)據(jù),將動(dòng)態(tài)捕捉的影像鏡頭和在靜態(tài)圖像放置攝象機(jī)以匹配場(chǎng)景設(shè)計(jì)。從圖形畫面所表現(xiàn)的結(jié)果了解問題的所在，然后回到原來的場(chǎng)景中加以修改再渲染成圖像。(4)材質(zhì)處理及渲染單張畫面：利用材質(zhì)編輯器創(chuàng)建地鐵上方土體的仿真效果，測(cè)試場(chǎng)景中各方面數(shù)據(jù)配合的完整性，如:材質(zhì)與土體是否匹配，材質(zhì)與燈光所創(chuàng)建的渲染效果是否適合等。(5)動(dòng)畫調(diào)整設(shè)置與制作：完成所有靜態(tài)場(chǎng)景物體的定義后,就可以設(shè)置所有場(chǎng)景中的物體,運(yùn)用Track View、剛體動(dòng)力學(xué)、關(guān)鍵幀管理及反向運(yùn)動(dòng)學(xué)等功能菜單創(chuàng)建動(dòng)畫。(6)輸出動(dòng)畫：按需求輸出成各式圖像文件及視頻文件，如AVI、JPG、BMP等格式的文件。

二、結(jié)論

在情景構(gòu)建的基礎(chǔ)上，通過演示動(dòng)畫使人們更加形象具體的了解地鐵坍塌的演化過程，提前協(xié)調(diào)規(guī)劃各方在災(zāi)害中的職責(zé)，使各方專業(yè)人士認(rèn)識(shí)到如何快速有效而且互相合作解決涉及所屬專業(yè)的難題，爭(zhēng)取在最短的時(shí)間內(nèi)最大限度的減少災(zāi)害帶給人們的損失。

此情景的構(gòu)建能夠達(dá)到預(yù)警作用，災(zāi)害一旦發(fā)生，應(yīng)急指揮平臺(tái)和聯(lián)合信息中心激活，立即開展應(yīng)急響應(yīng)行動(dòng)，持續(xù)發(fā)出警報(bào)和各類應(yīng)急響應(yīng)通告，保持與參加響應(yīng)活動(dòng)的相關(guān)單位建立聯(lián)系并加強(qiáng)對(duì)重要基礎(chǔ)設(shè)施和特殊人群的保護(hù)，為現(xiàn)場(chǎng)提供必備資源，接受申請(qǐng)和求救資訊并作出反應(yīng)。

以聯(lián)合信息中心為主要平臺(tái)，統(tǒng)一對(duì)外發(fā)布事件相關(guān)信息，使公眾和媒體盡快了解事件真相并鼓勵(lì)公眾積極配合相關(guān)應(yīng)急響應(yīng)活動(dòng)。在進(jìn)行醫(yī)療救援的同時(shí)，民警官兵及時(shí)采取措施疏導(dǎo)塌陷區(qū)附近的其他人群，即建立隔離區(qū)和警戒帶，劃定危險(xiǎn)區(qū)域保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，協(xié)調(diào)指揮現(xiàn)場(chǎng)救援活動(dòng)，一方面可以避免更多的人陷入塌陷區(qū)，另一方面可以為救援提供更多的工作面，保證救援工作的順利展開。

[1]閆茂旺.淺埋暗挖地鐵隧道開挖砂土地層穩(wěn)定性研究[D].山東大學(xué),2015.

[2]繆林昌,王非,呂偉華.城市地鐵隧道施工引起的地面沉降[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,(02):293-297.

[3]陳慧芳.動(dòng)畫制作中數(shù)字軟件的功能分析及其應(yīng)用研究[D].陜西科技大學(xué),2013.

[4]黃波士,陳福民.運(yùn)動(dòng)捕捉及其在動(dòng)畫制作中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程,2005,(13):168-170.[2017-09-15].

謝焦焦(1990-)，女，漢族，山東省濟(jì)寧市，碩士研究生，青島理工大學(xué)。