一种地铁隧道施工引起地表坍塌灾害演示方法与流程

本发明属于地铁隧道施工安全管理技术领域，涉及一种地铁隧道施工引起地表坍塌灾害演示方法，采用底线思维方法将地铁隧道施工突遇不良地层引起地表坍塌灾害事故过程进行情景构建，并在此基础上开展必要的应急策略及反应演练。

背景技术：
：

随着城市化进程的近一步发展及各种先进科学技术的普遍应用，使人们的生活更加便利。因此，吸引越来越多的人拥入城市。然而种种现象表明众多的人口造成城市地上交通的严重堵塞，使开发利用地下空间进行交通建设成为近几年发展潮流和未来趋势。在开挖地铁隧道期间，因地质勘测的不明确造成地铁施工期间突遇不良地层，加之地铁施工措施、埋深、含水量等因素的影响，导致地表坍塌灾害事故的发生无可避免，如：在修建成都地铁1号线时，根据统计仅人民路上就发生数十次的地表坍塌，严重影响城市居民的生产和生活，对社会造成一定程度的不良影响。十八大以后，提出了一种新的概念—情景构建，即采用底线思维方式把一种事物引发重大灾害的场景提前设想出来，再提出应对策略，这样能够更好的保障社会和谐，使可能的损失降到最小。目前，尚未有利用这种新的概念来构建地铁隧道施工引起地表塌陷灾害事故阶段性演化过程的公开报道，因此，寻求一种地铁隧道施工引起地表坍塌灾害演示方法，形象了解地表坍塌发生的真实情况，进而有效协调各方处理地铁施工引起地表坍塌灾害可能给人们造成的损失。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种地铁隧道施工引起地表坍塌灾害演示方法，预先构建地铁隧道施工引起地表坍塌灾害事故的情景，在此基础上指导地表坍塌灾害的防治。

为了实现上述目的，本发明先对地铁隧道施工频繁引发地表坍塌灾害的现状分析，总结出地铁隧道施工引起地表坍塌灾害发生的原因、机理、过程，再利用情景构建的概念和方法，对地铁隧道施工引起地表坍塌灾害演化过程和损害程度进行情景构建并可视化，具体步骤如下:

1.分析地铁隧道施工引起地表坍塌原因：地铁隧道开挖时，在空间意义上地层会产生损失，这种地层损失与围岩的应力状态、不同的施工措施和地层本身物理力学性质等因素有关，地层损失较小时会造成地铁上方地表沉降,当各影响因素皆处于不利状态时，便会引起地表发生较大程度的突然失稳甚至坍塌,引起地表坍塌的主要因素包括：

(1)砂土本身物理力学性质的影响：砂土颗粒本身强度不高，当其承受压力时表现出较强的强度和弹性模量；砂土地层颗粒之间是相互独立的，彼此之间点对点接触并进行力的传递，由于砂土之间的咬合力较差且极易受到外界的干扰，当其被强烈扰动时，土体变成松散体，土体下沉甚至产生流动现象；

(2)施工措施的影响：地铁施工时需要超前注浆施工，目的是通过增加围岩的整体性来控制上部土体的下沉或冒落，但在实际中很难控制注浆压力及注浆量，注浆压力过大会对地层产生较大的扰动，注浆压力过小或者注浆量不足均会导致空隙未被浆液填充，从而造成更大的地层损失；地铁施工时采用机械施工，必然会造成对土体的强烈扰动，在对地层开挖和做衬砌之间必然存在时间间隔，在此期间，土体由于本身的重力使下部承受较大的拉力；而且，地层有时富含大量的水分，开挖前需要进行降水，当不能采取更好降水措施时，致使地层还会积有大量的水分，水分的存在不仅弱化了土层之间的粘结力而且当水分流动时还会存在渗透力；

(3)地铁不同埋深的影响：地铁施工时会引起靠近地铁孔洞土体的下沉，随着时间的推移，下沉土体上方会形成空洞，伴随土体下沉的过程空洞会向地表慢慢移动，地铁埋深较深时地层损失相同的情况下，空洞向地表移动的过程会慢慢减小甚至消失，因此地铁埋深越深，地表受地层损失的影响较小；

2.分析地铁隧道施工引起地表坍塌力学机理：将开挖的隧道简化成由隧道、六面体和楔形体构成的模型，楔形体位于隧道开挖面的右侧，隧道的开挖面内切于楔形体的竖直侧面，六面体位于楔形体上方，六面体的底面与楔形体表面重合，并对模型的稳定性进行分析计算；

3.分析地铁隧道施工引起地表坍塌的过程：砂土地层浅埋暗挖开挖前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，因此空洞很快发展到地表并形成坍塌；

4.利用计算机技术构建地铁隧道施工引起地表坍塌情景：

(1)利用现有三维激光扫描技术检测地铁施工引起地表正常沉降下的数据，并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，.颗粒材料或介质符合以下运动方程：

式中u_x、u_y是单元在时刻t的位移，F_x、F_y是单元在时刻t所受的集中力，m是单元体的质量，上式能简化为：

其中加速度记为：

将③式的用位移u来表示为：

将④带入③得加速度为：

此外，速度表示为：

单元在t+Δt时刻的位移和速度表示为：

从而颗粒材料运动一定时间所在的位置表示为：

u^new＝u^old+Δu＝u^Old+u_t+Δt-u_t ⑧

根据步骤上述运动方程进行编程，获得砂土的运动位置；

(3)输入参数，放大灾难性因素，将步骤(1)建立的基础模型中周围岩土体简化为单一的砂土介质，先查阅相关资料确定地铁隧道施工过程中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和衬砌的法向刚度、切向刚度及摩擦系数；其次输入所建立的计算模型尺寸，隧道的走向方向取a,竖向取b，埋深取H₁，开挖高度取H₂，开挖进尺为d，单位均为米；根据输入的参数和步骤(2)的运动方程输出砂土的运动位置；

5.利用动画软件实现可视化：根据步骤(4)获得每隔一定运行步骤(没有具体要求或限制，但是为了更加形象的展示砂土运动的过程可以隔较少的步骤取一次图)砂土运动的过程，用现有动画软件制作坍塌图像,将坍塌的原因和过程一一展现，使坍塌过程能在外部播放器上观看时一目了然，具体制作过程为：

(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,收集的数据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后再渲染成图像；

(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。

本发明步骤2中对模型的稳定性进行分析计算的具体过程为：

上部六面体的上表面宽度为B＝0.25πD，上表面距地表高度为H₁，六面体高度为H₂，，六面体倾角为ω，隧道埋深C＝H₁+H₂，上表面宽度ac＝bd＝L，下表面宽度ef＝gh＝L’；下部楔形体的高度为D,倾角为β，对上部六面体进行受力分析，上覆土体的土压力σ_v，土体自重为W₂，六面体顶部土体的竖向平均土压力为P₀，在该六面体中任意截取厚度为dz的六面体微元，其上表面距离六面体上表面高度为z，下表面受六面体的支撑力根据太沙基松动土压力理论，有平衡方程：

γ为岩土体的重度，α为岩土体的内摩擦角，c为岩土体的粘聚力，k₀为静止侧压力系数，边界条件为(1)当Z＝0时,有P₀＝γH₁＝γ(C-H₂)＝γ[C-(L-L’)tanθ](2)当β＝90°时，L＝L’，

基于上述条件解方程得：

对下部楔形体进行受力分析，楔形体侧向滑裂面法向力N₂表示为:

侧向滑裂面摩擦力T_S表示为:

楔形体自重W₁表示为：

前端滑裂面摩擦力T₁表示为：

水平力的平衡方程为:

竖向力的平衡方程为:

σ_vBL+W₁＝T_s+T₁sinβ+N₁sinβ

由上述二式可得：

通过上式确定开挖面的支护力：

若考虑地下水的影响为

p_w为地下水作用力，当开挖面喷浆封闭等措施提供的力小于开挖面稳定所需的支护力时，隧道上方覆岩则发生坍塌失稳破坏。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是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；二是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；三是能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。

附图说明：

图1为本发明地铁隧道施工过程中砂土运动示意图。

图2为本发明所述动画制备过程原理示意框图。

图3为本发明步骤2中隧道的简化模型图。

图4为本发明步骤2中隧道简化模型中六面体的受力分析图。

图5为本发明步骤2中隧道简化模型中楔形体的受力分析图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例先对地铁隧道施工频繁引发地表坍塌灾害的现状分析，总结出地铁隧道施工引起地表坍塌灾害发生的原因、机理、过程，再利用情景构建的概念和方法，对地铁隧道施工引起地表坍塌灾害演化过程和损害程度进行情景构建并可视化，具体步骤如下:

1.分析地铁隧道施工引起地表坍塌原因：地铁隧道开挖时，在空间意义上地层会产生损失，这种地层损失与围岩的应力状态、不同的施工措施和地层本身物理力学性质等因素有关，地层损失较小时会造成地铁上方地表沉降,当各影响因素皆处于不利状态时，便会引起地表发生较大程度的突然失稳甚至坍塌,引起地表坍塌的主要因素包括：

(1)砂土本身物理力学性质的影响：砂土颗粒本身强度不高，当其承受压力时表现出较强的强度和弹性模量；砂土地层颗粒之间是相互独立的，彼此之间点对点接触并进行力的传递，由于砂土之间的咬合力较差且极易受到外界的干扰，当其被强烈扰动时，土体变成松散体，土体下沉甚至产生流动现象；

(2)施工措施的影响：地铁施工时需要超前注浆施工，目的是通过增加围岩的整体性来控制上部土体的下沉或冒落，但在实际中很难控制注浆压力及注浆量，注浆压力过大会对地层产生较大的扰动，注浆压力过小或者注浆量不足均会导致空隙未被浆液填充，从而造成更大的地层损失；地铁施工时采用机械施工，必然会造成对土体的强烈扰动，在对地层开挖和做衬砌之间必然存在时间间隔，在此期间，土体由于本身的重力使下部承受较大的拉力；而且，地层有时富含大量的水分，开挖前需要进行降水，当不能采取更好降水措施时，致使地层还会积有大量的水分，水分的存在不仅弱化了土层之间的粘结力而且当水分流动时还会存在渗透力；

(3)地铁不同埋深的影响：地铁施工时会引起靠近地铁孔洞土体的下沉，随着时间的推移，下沉土体上方会形成空洞，伴随土体下沉的过程空洞会向地表慢慢移动，地铁埋深较深时地层损失相同的情况下，空洞向地表移动的过程会慢慢减小甚至消失，因此地铁埋深越深，地表受地层损失的影响较小；

2.分析地铁隧道施工引起地表坍塌力学机理：将开挖的隧道简化成由隧道、六面体和楔形体构成的模型，楔形体位于隧道开挖面的右侧，隧道的开挖面内切于楔形体的竖直侧面，六面体位于楔形体上方，六面体的底面与楔形体表面重合，并对模型的稳定性进行分析计算；

3.分析地铁隧道施工引起地表坍塌的过程：砂土地层浅埋暗挖开挖前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，因此空洞很快发展到地表并形成坍塌；

4.利用计算机技术构建地铁隧道施工引起地表坍塌情景：

(1)利用现有三维激光扫描技术检测地铁施工引起地表正常沉降下的数据，并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，.颗粒材料或介质符合以下运动方程：

式中u_x、u_y是单元在时刻t的位移，F_x、F_y是单元在时刻t所受的集中力，m是单元体的质量，上式能简化为：

其中加速度记为：

将③式的用位移u来表示为：

将④带入③得加速度为：

此外，速度表示为：

单元在t+Δt时刻的位移和速度表示为：

从而颗粒材料运动一定时间所在的位置表示为：

u^new＝u^old+Δu＝u^Old+u_t+Δt-u_t ⑧

根据步骤上述运动方程进行编程，获得砂土的运动位置；

(3)输入参数，放大灾难性因素，将步骤(1)建立的基础模型中周围岩土体简化为单一的砂土介质，先查阅相关资料确定地铁隧道施工过程中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和衬砌的法向刚度、切向刚度及摩擦系数；其次输入所建立的计算模型尺寸，隧道的走向方向取a,竖向取b，埋深取H₁，开挖高度取H₂，开挖进尺为d，单位均为米；根据输入的参数和步骤(2)的运动方程输出砂土的运动位置；

5.利用动画软件实现可视化：根据步骤(4)获得每隔一定运行步骤(为了更加形象的展示砂土运动的过程可以隔较少的步骤取一次图)砂土运动的过程，用现有动画软件制作坍塌图像,将坍塌的原因和过程一一展现，使坍塌过程能在外部播放器上观看时一目了然，具体制作过程为：

(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,收集的数据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后再渲染成图像；

(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。

本实施例步骤2中对模型的稳定性进行分析计算的具体过程为：

上部六面体的上表面宽度为B＝0.25πD，上表面距地表高度为H₁，六面体高度为H₂，，六面体倾角为ω，隧道埋深C＝H₁+H₂，上表面宽度ac＝bd＝L，下表面宽度ef＝gh＝L’；下部楔形体的高度为D,倾角为β，对上部六面体进行受力分析，上覆土体的土压力σ_v，土体自重为W₂，六面体顶部土体的竖向平均土压力为P₀，在该六面体中任意截取厚度为dz的六面体微元，其上表面距离六面体上表面高度为z，下表面受六面体的支撑力σ_v+dб_v；根据太沙基松动土压力理论，有平衡方程:

γ为岩土体的重度，α为岩土体的内摩擦角，c为岩土体的粘聚力，k₀为静止侧压力系数，边界条件为(1)当Z＝0时,有P₀＝γH₁＝γ(C-H₂)＝γ[C-(L-L’)tanθ](2)当β＝90°时，l＝L’，

基于上述条件解方程得：

对下部楔形体进行受力分析，楔形体侧向滑裂面法向力N₂表示为:

侧向滑裂面摩擦力T_S表示为:

楔形体自重W₁表示为：

前端滑裂面摩擦力T₁表示为：

水平力的平衡方程为:

竖向力的平衡方程为:

σ_vBL+W₁＝T_s+T₁sinβ+N₁sinβ

由上述二式可得：

通过上式确定开挖面的支护力：

若考虑地下水的影响为

p_w为地下水作用力，当开挖面喷浆封闭等措施提供的力小于开挖面稳定所需的支护力时，隧道上方覆岩则发生坍塌失稳破坏。