基于隧道不均匀沉降的列车脱轨事故情景构建方法与流程

本发明城市地铁运营应急管理领域，特别是指一种基于隧道不均匀沉降的列车脱轨事故情景构建方法。

背景技术：

随着社会的高速发展，城市人口密集，空间拥挤，交通堵塞，开发利用城市地下空间是21世纪城市发展的必经之路，国际上许多学者将21世纪称之为“地下空间开发利用的世纪”。

地铁，是城市建设的生命线工程，地铁建设为整座城市的交通提供便利的同时，也给城市的安全埋下了巨大的隐患，地铁隧道不均匀沉降严重影响列车的运营安全，保证地铁隧道的安全运营迫在眉睫。然而，地铁隧道极易因多方面的影响而发生不均匀沉降，如地铁隧道难免会穿越不良地质地段(回填区、流沙层、采空区、软岩段和断裂带等)，列车运行过程中震动荷载，将使不良地质地段产生活化，从导致隧道发生不均匀沉降；再如，其他线路的施工和其他外荷载的施加(如新建建筑物)会对已运行地铁隧道线路造成不良影响，即引起隧道结构体、地铁路基、地铁轨道产生变形、倾斜、位移、隆起或沉降等，进而严重影响列车行驶安全。近年来，地铁运营事故频繁发生，相比于地铁隧道修建时所发生的安全事故，运营期所发生的安全事故带来的后果及危害更为严重，具有显著的灾难特性，地铁隧道安全运营与全体公民生命财产安全息息相关。因此，对隧道不均匀沉降导致列车脱轨事故的情景构建具有重要研究意义，这并不完全在于其重要理论价值，更主要是对重大列车脱轨突发事件应急准备规划、应急预案管理和应急培训演练等一系列应急管理工作实践具有不可或缺的支撑和指导。

技术实现要素：

为了解决以上现有技术存在的缺陷，本发明提出一种基于隧道不均匀沉降的列车脱轨事故情景构建方法，为城市开通地铁后安全运营服务提供了一种应急准备策略，是针对隧道不均匀沉降导致列车脱轨事故的预先展现，以便强化抢险准备。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于隧道不均匀沉降的列车脱轨事故情景构建方法，其包括以下步骤：

s1)根据引起隧道基底不均匀沉降的变量，建立地铁隧道不均匀沉降的基础模型；

s2)采集隧道基底的不均匀沉降量、隧道基底的倾斜变形数据，结合地铁隧道现状条件对采集的数据信息进行集中分析处理，得到铁轨形变或沉降量；

s3)将铁轨发生的形变或沉降量进行放大，并作用于高速运行地铁列车上，得到列车失稳以及脱轨模型；

s4)虚拟上述基于隧道不均匀沉降的列车脱轨事故情景并进行动画展示。

上述技术方案中，步骤s1)中，所述引起隧道基底不均匀沉降的变量包括：

a施工期隧道下卧土体不均匀性；

b运营期下卧土体的不均匀性；

c地下水作用；

d列车震动荷载作用。

上述技术方案中，步骤s2)所述隧道基底的不均匀沉降量是监测点相对于基准点高度的变化量δs：

δs＝si-so

式中：si表示某监测点的下沉值；

s0表示的基准点的下沉值；

δs表示监测点相对于基准点高度的变化量。

上述技术方案中，步骤s2)中所述隧道基底的倾斜变形是指相邻点在竖直方向的下沉差与两相邻点间水平距离的比值，它反映了沉降槽沿某一方向的坡度，用t表示，倾斜变形为下沉的一阶导数：

式中：s(x)为相邻两监测点在数值方向的下沉差；

x为相邻两监测点的水平距离。

上述技术方案中，步骤s3)中，所述列车失稳以及脱轨模型包括：a安全接触状态、b脱轨临界状态、c脱轨状态；

定义车轮抬升量为zup，车轮爬升量为z1，车轮跳动量为z2，zup＝z1+z2；

定义车轮轮缘高度为hf；

若zup小于hf，车辆处于a安全接触状态；

若zup等于hf，车辆处于b脱轨临界状态；

若zup大于hf，车辆处于c脱轨状态。

上述技术方案中，步骤s4)具体包括以下步骤：

s41)利用具有弯曲变形的轨道的实体图像获得轨道弯曲的数据模型；

s42)虚拟隧道不均匀沉降模型；

s43)对构建好的所述轨道弯曲的数据模型进行弯曲处理；

s44)虚拟列车脱轨动画。

上述技术方案中，步骤s41)包括：

s411)引入一张具有轨道弯曲数据信息的图像，将弯曲的数据信息映射至需要被弯曲计算的虚拟平面上；

s412)捕捉平面的轨道弯曲图像的弯曲信息，并与原平面的弯曲图像的弯曲信息进行进一步的匹配设置；

s413)进一步处理样条线图像数据，即在数据中添加深度的设置，使其成为一个参数化数据模型。

上述技术方案中，步骤s43)包括：

s431)利用弯曲程序引入列车轨道模型到对象模块中，将其指定为作用物体；

s432)通过弯曲模块对作用物体进行弯曲计算，得到更多的列车轨道弯曲模型；

s433)在执行第一次的弯曲计算后，将第一次的弯曲结果作为作用物体，再一次执行弯曲指令，执行更细化的弯曲数据处理；

s434)对弯曲中心部分的局部弯曲数据信息再进行弯曲处理，得到更加精确的弯曲结果；

s435)对轨道弯曲模型多次进行列车出轨处理，得到轨道列车脱轨结果。

步骤s44)中，利用所述的弯曲程序中的物理学引擎执行弯曲指令，形成完整的动画，该步骤为最后形成动画的过程。

综上所述，本发明的基于隧道不均匀沉降的列车脱轨事故情景构建方法，从认识引起隧道基底不均匀沉降的机理(下卧土层的不均匀性、地下水作用及列车震动荷载作用)出发，建立地铁隧道不均匀沉降的基础模型，分析隧道基底不均匀沉降造成地铁铁轨形变，通过实际测量或计算得到铁轨变形或沉降情况；然后将地铁铁轨发生形变进行放大，并作用于高速运行地铁列车上，使车轮失稳(跳起或脱轨)，进而导致列车脱轨事故发生；并且将这种“基于隧道不均匀沉降的列车脱轨事故情景”以实例化的模式构建并展示给地铁列车运行管理者，以指导预期风险研究，实现对风险进行深入剖析的应急准备策略，能对既有应急体系开展“压力测试”，进而优化应对策略，完善预案，强化准备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明列车脱轨事故情景构建方法的整体流程示意图；

图2为车轮脱轨示意图；

图3为轮轨碰撞示意图；

图4为列车脱轨过程示意图；

图5为车轮抬升量示意图；

图6为车轮爬轨示意图；

图7为车轮瞬时跳离钢轨示意图；

图8为本发明列车脱轨事故情景构建方法进行动画展示的流程示意图；

图9为图8中获得轨道弯曲的数据模型的流程示意图；

图10为图8中对轨道列车脱轨数据模型进行弯曲处理的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图及本发明所涉及到的技术原理等知识详细介绍本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的基于隧道不均匀沉降的列车脱轨事故情景构建方法，其包括以下步骤：

s1)根据引起隧道基底不均匀沉降的变量，建立地铁隧道不均匀沉降的基础模型；

s2)采集隧道基底的不均匀沉降量、隧道基底的倾斜变形数据，结合地铁隧道现状条件对采集的数据信息进行集中分析处理，得到铁轨形变或沉降量；

s3)将铁轨发生的形变或沉降量进行放大，并作用于高速运行地铁列车上，得到列车失稳以及脱轨模型；

s4)虚拟上述基于隧道不均匀沉降的列车脱轨事故情景并进行动画展示。

上述技术方案中，步骤s1)中，所述引起隧道基底不均匀沉降的变量包括：

a施工期隧道下卧土体不均匀性；

b运营期下卧土体的不均匀性；

c地下水作用；

d列车震动荷载作用。

具体来讲，引起隧道基底不均匀沉降的变量有以下几种：

(1)施工期隧道下卧土体不均匀性对地铁隧道不均匀沉降影响

在地铁隧道开挖前，岩体处于原始应力平衡状态(不考虑地质构造应力响应)。地铁隧道开挖时，盾构推动作用会对隧道四周土体产生扰动，使岩体应力重分布，隧道顶部的岩体受自身重力及上覆岩体的作用力下，导致隧道拱顶下沉。由于隧道的开挖造成隧洞处岩体应力释放，隧道基底在下卧土体反作用力下产生隆起或变形，隧道开挖深度不同、地质条件不同，下卧土体的反作用力则不同，底板隆起或变形程度也不同，宏观体现为隧道发生不均匀沉降。

(2)运营期下卧土体的不均匀性对地铁隧道不均匀沉降的影响

地铁隧道不均匀沉降伴随着地铁隧道整个生命周期，是一个长期发展过程，下卧土层土性不同是地铁隧道产生不均匀沉降主要原因。对隧道产生较大危害不是隧道均匀沉降而是隧道不均匀沉降，隧道不均匀沉降会造成隧道环缝张开，引起漏水漏泥，造成轨道变形，从而严重影响列车安全运营。但实际工程中隧道连接城市不同区域，往往穿越不同性质地层，还会经常穿越软弱夹层，将导致隧道产生不均匀沉降，严重影响列车安全运营。经现场监测数据分析，当隧道穿越不同性质、弹性模量不同的土层时，隧道沉降曲线发生了较大改变，弹性模量e越小，隧道沉降值越大，并且随着e的减小，隧道沉降值随之增加，沉降区域也随之扩大，即相邻土层的弹性模量相差越大，隧道产生不均匀沉降现象越严重；当相邻土层弹性模量e1和e2值接近时，隧道沉降值趋于平缓。当相邻土层为不同性质土层，且两土层弹性模量相差一倍或一倍以上时，隧道不均匀沉降将超出标准规定限制，根据《地铁线路保护技术标准》要求，轨道纵向高低差不能超过4mm/10m，防止因不均匀沉降量过大导致铁轨产生较大高低差，从而影响列车舒适性和安全性，甚至导致列车脱轨。

(3)地下水作用对地铁隧道不均匀沉降影响

地铁隧道处在含有地下水的环境中，地下水位线的上升与下降均会对地铁隧道沉降产生影响。其中，地下水位下降会引起隧道围岩(包括隧道下卧土层)产生沉降，地下水位降低一方面减少土体中地下水对颗粒的浮托力，使地层受压缩而沉降；另一方面由于地下水作为土体中一种介质，地下水流失造成土体中水所占体积减小，使得土颗粒位置重新调整、重新排列，骨架发生错动，颗粒间相互挤密，即土体发生固结，宏观表现为地层发生沉降。地下水位上升会使地铁隧道受地下水浮托力增加，隧道结构发生上浮。地下水对地铁隧道结构作用不但与地下水位线上升与下降有关，而且与地下水分布情况有关。因此，地下水会造成地铁隧道发生不均匀沉降。

(4)列车震动荷载对地铁隧道不均匀沉降影响

列车在轨道上行驶时，列车车轮与轨道发生相互作用，形成激振源，振动能量以振动波形式依次通过轨道、路基传递给衬砌结构、隧道围岩，振动波经过之处均会产生动力响应，不同下卧土层对列车振动荷载作用反应不同，即表现为地铁隧道发生不均匀沉降。

以下参照图2至图4，详细介绍列车脱轨机理。

列车脱轨力学机理是列车桥梁系统和列车轨道系统丧失其横向振动稳定性，因此防止列车脱轨的根本理论是识别并保证此系统的横向振动稳定性。脱轨的最终表现形式为轮缘与钢轨发生剧烈横向碰撞，当碰撞能量达到一定阈值时，可能使车轮跳起，当车轮跳离高度使轮缘顶部达到或高于轨顶位置时，微小的横向激扰即可使车轮摆脱钢轨约束而发生跳轨脱轨。地铁隧道的不均匀沉降会造成轨道缺陷或运动，如轨道发生鼓胀或不平顺，使高速通过的列车发生轮轨横向碰撞，当列车跳起的高度h大于轨道高度hf时列车发生脱轨，如图2所示。

如图3所示，轮对以横向速度vy使左侧车轮轮缘与钢轨发生碰撞，碰撞接点为clf。为考察碰撞车轮的跳轨脱轨可能性，假定钢轨固定不动，将轮轨横向碰撞简化为轮对与斜面间的刚体碰撞问题。由于碰撞车轮发生轮缘接触，且其最危险的工况为轮对绕非碰撞侧接触点侧滚而使碰撞车轮跳起，本发明根据此最危险工况建立轮轨横向碰撞模型。

为描述碰撞车轮的运动趋势，需建立轮对的横向、侧滚、自旋及摇头碰撞方程。假定碰撞过程中，非碰撞侧车轮由于轮重的作用与钢轨始终接触。为简便起见，引入以非碰撞车轮接触点cr为原点的且平行于本体系的参考坐标系(crxyz)，来建立碰撞方程。在该坐标下，轮轨接触点clf绕点cr的各向速度为：

式中：和分别为轮对绕轴crz和crx的摇头和侧滚角速度；

xlf和zlf为接触点clf的纵向和垂向坐；

g为两接触点clf和cr的距离。

根据冲量定量，建立轮对的横向和转动碰撞方程为：

式中：m为轮对的簧下质量；

irxx和irzz分别为簧下质量绕轴crx和crz轴的转动惯量；

iyy为簧下质量绕轮轴中心线的转动惯量；

δvy为轮对质心的横向速度变化量；

和分别为侧滚、自旋和摇头角速度的变化量；

pi(i＝1，2，3)为碰撞过程中作用于碰撞车轮的冲量。

基于微积分学计算，当轮对横移速度和接触点己知时，可以通过碰撞方程积分求得碰撞车轮的横向和垂向瞬时速度。当垂向瞬时速度足够大，以至于使碰撞车轮摆脱轮重，轮对将绕另一侧车轮接触点cr侧滚，使碰撞车轮抬离钢轨一定高度，发生脱轨。

根据以上列车脱轨的力学机理，可得到如图4所示的列车脱轨过程。

根据以上原理，本发明的技术方案中，对相关数据的采集和判断如下：

本发明的技术方案中，步骤s2)所述隧道基底的不均匀沉降量是监测点相对于基准点高度的变化量δs：

δs＝si-so

式中：si表示某监测点的下沉值；

s0表示的基准点的下沉值；

δs表示监测点相对于基准点高度的变化量。

上述技术方案中，步骤s2)中所述隧道基底的倾斜变形是指相邻点在竖直方向的下沉差与两相邻点间水平距离的比值，它反映了沉降槽沿某一方向的坡度，用t表示，倾斜变形为下沉的一阶导数：

式中：s(x)为相邻两监测点在数值方向的下沉差；

x为相邻两监测点的水平距离。

具体来讲，倾斜变形可理解为两点间的平均斜率，以两点连线中心的切线斜率表示。设a、b为两相邻测点，其下沉差为δsab，a、b点间的倾斜变形为

式中：sa为表示测点a的下沉值；

sb为表示测点b的下沉值；

lab为表示a、b点间的水平距离。

汇集以上数据后，结合地铁隧道现状条件对采集的数据信息进行集中分析处理，得到铁轨形变或沉降量。

上述技术方案中，步骤s3)中，所述列车失稳以及脱轨模型包括：a安全接触状态、b脱轨临界状态、c脱轨状态；

定义车轮抬升量为zup，车轮爬升量为z1，车轮跳动量为z2，zup＝z1+z2；

定义车轮轮缘高度为hf；

若zup小于hf，车辆处于a安全接触状态；

若zup等于hf，车辆处于b脱轨临界状态；

若zup大于hf，车辆处于c脱轨状态。

具体的，如图5所示，定义车轮抬升量zup为车轮踏面名义接触点与钢轨顶面最高点之间的垂向距离，它是车轮爬升量z1与跳动量z2(车轮与钢轨分离时)之和，即zup＝z1+z2。对低速爬轨脱轨，如图6所示，z2＝0，车轮抬升量即为车轮爬升量，即zup＝z1；而对于跳轨脱轨，一般伴随有爬轨过程，特殊情形下，车轮可能直接从正常接触状态瞬时跳离钢轨，如图7所示，此时zup＝z2。

不管何种情形，只要车轮抬升量小于车轮轮缘高度hf，理论上可判定此时车辆未脱轨，因为轮缘最低点仍低于轨面最高点，车轮尚不能摆脱钢轨约束。一旦车轮抬升量等于轮缘高度hf，车轮随时便有脱轨危险，因为此时轮缘底部已完全跃升至钢轨顶面最高点，若有微小的横向扰动即刻发生脱轨，因此这种状态属于脱轨临界状态。

本发明的技术方案，可以通过多种具备建模制图功能的软件平台来实现，以下结合3dmax软件等来介绍步骤s4)的实施。

如图8所示，上述技术方案中，步骤s4)具体包括以下步骤：

s41)利用具有弯曲变形的轨道的实体图像获得轨道弯曲的数据模型；

s42)虚拟隧道不均匀沉降模型；

s43)对构建好的所述轨道弯曲的数据模型进行弯曲处理；

s44)虚拟列车脱轨动画。

如图9所示，步骤s41)包括：

s411)引入一张具有轨道弯曲数据信息的图像，将弯曲的数据信息映射至需要被弯曲计算的虚拟平面上；

s412)捕捉平面的轨道弯曲图像的弯曲信息，并与原平面的弯曲图像的弯曲信息进行进一步的匹配设置；

s413)进一步处理样条线图像数据，即在数据中添加深度的设置，使其成为一个参数化数据模型。

具体的，步骤s411)中，材质编辑程序与一个图像坐标的修改程序配合使用，将弯曲图像的坐标应用于平面，即可与平面进行匹配，让弯曲图像尤其是一些细节的弯曲曲率能够映射出来，并且还能以其原始的尺寸精准的投影到平面上。

步骤s412)中，基于平面的弯曲图像，利用线性样条线程序捕捉平面的弯曲图像的弯曲信息，并与原平面的弯曲图像的弯曲信息进行进一步的匹配设置。

按照轨道弯曲的突出性大小依次进行匹配，首先将明显突出的弯曲信息进行匹配，然后对弯曲结构进行细化，将整个弯曲图像分解成若干小块。值得注意的是，封闭样条线用于分解小块时，封闭样条线的数据都必须与至少一条另外的封闭样条线的某一段数据信息重叠。这种匹配方法才能得到一个精准的弯曲图像的捕捉数据信息，而一个精准的弯曲图像的捕捉数据信息才能为之后的程序提供良好的实现基础。

步骤s43)中，是利用弯曲程序对所述轨道列车脱轨数据模型进行弯曲处理，如图10所示，利用弯曲程序进行轨道弯曲的具体方法为：

s431)利用弯曲程序引入列车轨道模型到对象模块中，将其指定为作用物体；

s432)通过弯曲模块对作用物体进行弯曲计算，得到更多的列车轨道弯曲模型；

s433)在执行第一次的弯曲计算后，将第一次的弯曲结果作为作用物体，再一次执行弯曲指令，执行更细化的弯曲数据处理；

s434)对弯曲中心部分的局部弯曲数据信息再进行弯曲处理，得到更加精确的弯曲结果；

s435)对轨道弯曲模型多次进行列车出轨处理，得到轨道列车脱轨结果。

该步骤主要是利用三维程序的弯曲程序，对在步骤s41)中构建好的所述虚拟实体弯曲模型进行弯曲处理。其中：首先，在弯曲程序对象模块中引入所述轨道的局部数据信息碎块，作为参与弯曲计算的作用物体。然后，在执行第一次的弯曲计算后，弯曲程序会将第一次的弯曲结果作为作用物体，然后再一次执行弯曲指令。重复同样的弯曲步骤，通过弯曲模块对作用物体进行多次弯曲计算，得到更多的弯曲模型；利用列车运行模型对弯曲模型进行列车脱轨处理，并利用相同的步骤进行多次脱轨处理，得到更加精细的列车脱轨结果。

步骤s44)中，利用所述的弯曲程序中的物理学引擎执行弯曲指令，形成完整的动画，该步骤为最后形成动画的过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。