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

為了達到上述目標，本發(fā)明的具體實施步驟如下:

1.地鐵施工引起地表坍塌的力學(xué)機理及過程

砂土地層淺埋暗挖開挖前首先需要進行超前注漿施工，目的是通過提高隧道周圍巖體的整體性和強度來控制上部土體的移動，但在實際中往往存在注漿壓力不合理或者注漿量不足等問題。當注漿壓力不合理或者注漿量不足時，就會引起較大的地層損失，在接近地鐵孔洞上方會引起較大的空洞，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)生流動并下沉，隨著時間的推移空洞向上擴展。又由于地鐵的埋深較淺，在空洞擴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)，基于此檢測數(shù)據(jù)建立地鐵隧道施工時的基礎(chǔ)模型。(2)基于牛頓第二運動定律利用圓形單元模擬顆粒材料或介質(zhì)的位移，其符合以下運動方程：

①

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

②

③

④

⑤

⑥

單元在t+Δt時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)利用上述運動方程編程，獲得砂土的運動位置。(4)參數(shù)輸入，放大災(zāi)難性因素，將計算模型中圍巖體簡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物理力學(xué)指標，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，開挖進尺為d。(5)利用上述參數(shù)及運動方程輸出砂土的運動位置。

3.利用動畫軟件實現(xiàn)可視化

根據(jù)上述軟件獲得每隔一定運行步驟砂土運動的大致過程。

動畫是在虛擬的空間里用動畫的形式,從多個角度展示地表坍塌的過程。用動畫制作坍塌圖像,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一目了然。動畫制作的流程如下：

(1)數(shù)據(jù)收集與企劃：根據(jù)確定的地表坍塌主題進行數(shù)據(jù)收集,包括坍塌的圖像圖畫、模型的實體、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/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),將動態(tài)捕捉的影像鏡頭和在靜態(tài)圖像放置攝象機以匹配場景設(shè)計。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，測試場景中各方面數(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)動畫調(diào)整設(shè)置與制作：完成所有靜態(tài)場景物體的定義后,就可以設(shè)置所有場景中的物體,運用Track View、剛體動力學(xué)、關(guān)鍵幀管理及反向運動學(xué)等功能菜單創(chuàng)建動畫。(6)輸出動畫：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)人士認識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，爭取在最短的時間內(nèi)最大限度的減少災(zāi)害帶給人們的損失。

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

以聯(lián)合信息中心為主要平臺，統(tǒng)一對外發(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公眾積極配合相關(guān)應(yīng)急響應(yīng)活動。在進行醫(yī)療救援的同時，民警官兵及時采取措施疏導(dǎo)塌陷區(qū)附近的其他人群，即建立隔離區(qū)和警戒帶，劃定危險區(qū)域保護現(xiàn)場，協(xié)調(diào)指揮現(xiàn)場救援活動，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(自然科學(xué)版),2008,(02):293-297.

[3]陳慧芳.動畫制作中數(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.運動捕捉及其在動畫制作中的應(yīng)用[J].計算機工程,2005,(13):168-170.[2017-09-15].

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