一种处于隧道施工最不利位置的建筑物破坏情景构建方法与流程

本发明属于地铁施工安全管理技术领域，特别是指一种处于隧道施工最不利位置的建筑物破坏情景构建方法。

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。

城市隧道大多数分布在人口密集的繁华地区，地表建筑密集，隧道施工不可避免会对建筑物造成影响。其影响主要是由于隧道、地层、建筑物之间相互作用引起的。由于建筑物与隧道平面几何位置关系一般都不是正交，隧道以不同角度穿越建筑的情况较多，均有可能使地表发生不均匀沉降导致建筑物破坏。

技术实现要素：

为了解决以上城市隧道施工中存在的问题，本发明提出一种处于隧道施工最不利位置的建筑物破坏情景构建方法，以指导隧道以最不利位置穿越建筑物而引起建筑物破坏的防治。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种处于隧道施工最不利位置的建筑物破坏情景构建方法，其包括以下步骤：

S1)建立隧道在不同角度条件下穿越建筑物的模型，计算地表沉降，确定建筑物与隧道施工的最不利位置；

S2)通过运用midas/gts建立三维模型，得出处于最不利位置的建筑结构内力值和沉降值；

S3)评定建筑结构是否失效；

S4)整合数据，使用3D MAX软件将建筑物与隧道最不利位置的变形可视化。

上述技术方案中，步骤S1)采用peck公式计算地表沉降。

上述技术方案中，步骤S1)中，建筑物与隧道施工的最不利位置通过下式计算：

当α＝90时沉降量最大，即建筑物长轴与隧道中心线平行时为最不利位置。

上述技术方案中，步骤S2)通过运用midas/gts建立三维模型，先定义材料属性、几何绘图网格划分最终得出建筑结构内力值和沉降值，其步骤如下：

S21)统计各地层的物理学参数，依次输入midas/gts软件；

S22)逐步模拟隧道挖掘过程，计算建筑物变形数据；

S23)输出建筑物沉降、倾斜、内力值。

上述技术方案中，步骤S21)中数据来源于实际工程现场实测数据，基于现场勘测的基础上统计出各地层的物理力学参数，包括地层厚度、泊松比、密度、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、抗拉强度、抗压强度，模型的边界这些数据为后期建模打下坚实的基础；

模型的长度为隧道宽度的2倍，模型左右边界为水平约束，模型上边界为自由端，模型下边界同时作用水平约束和竖直约束。

上述技术方案中，步骤S3)具体步骤如下：

S31)模拟隧道施工、土体受到扰动的过程，建筑物构件受到附加应力，计算附加应力和位移增加量；

S32)判断构件受力和位移是否超出限值：

若未超出则结构不发生破坏；

若超出则构件失效，构件退出工作并将此构件自重加入其他构件；判断整体或局部结构是否形成几何可变体系：

若否则结构不发生破坏；若是则结构破坏。

上述技术方案中，步骤S4)具体包括：

S41)利用具有断裂构件的建筑物的实体图像获得建筑物构件断裂的数据模型；

S42)虚拟建筑物不均匀沉降模型；

S43)对构建好的所述建筑物构件断裂的数据模型进行断裂处理；

S44)虚拟建筑物破坏动画。

上述技术方案中，步骤S41)具体包括：

S411)引入一张具有构件断裂数据信息的图像，将断裂的数据信息映射至需要被断裂计算的虚拟平面上；

S412)捕捉平面的断裂裂纹图像的纹理信息，并与原平面的裂纹图像的纹理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)中，是利用破坏程序对所述建筑物破坏数据模型进行破坏处理，利用破坏程序进行构件断裂的具体方法为：

S431)利用破坏程序引入建筑物模型到对象模块中，将其指定为作用物体；

S432)通过断裂模块对作用物体进行断裂计算，得到更多的建筑物断裂模型；

S433)在执行第一次的断裂计算后，将第一次的断裂结果作为作用物体，再一次执行断裂指令，执行更细化的断裂数据处理；

S434)对破坏中心部分的局部破坏数据信息再进行破坏处理，得到更加精确的破坏结果；

S435)对破坏模型多次进行破坏处理，得到破坏结果。

上述技术方案中，步骤S44)中：

利用所述的破坏程序中的物理学引擎执行断裂指令，形成完整的动画。

综上所述，本发明提出一种处于隧道施工最不利位置的建筑物破坏情景构建方法，在城市隧道项目施工过程中，对导致建筑破坏的因素进行分析，并对建筑物破坏情况进行预判，以指导隧道以最不利位置穿越建筑物而引起建筑物破坏的防治。使得工程人员可及时采取有效的措施，尽可能避免房屋破坏事故的发生，或者安全事故发生后将危害减至最低。

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为地表倾斜引起建筑物破坏的示意图；

图2为曲率变形对建筑物基础影响示意图；

图3为本发明处于隧道施工最不利位置的建筑物破坏情景构建方法的流程示意图；

图4为地表横截面沉降曲线示意图；

图5为观测面与隧道夹角位置关系示意图；

图6为不同角度沉降槽关系示意图；

图7为结构破坏原理的弹簧模拟分析模型示意图；

图8为典型的截面受弯本构曲线示意图；

图9为运用midas/gts建立三维模型的流程示意图；

图10为运用midas/gts软件计算变形的流程示意图；

图11为隧道引起建筑物破坏的流程示意图。

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。

在城市隧道项目施工过程中，需要对导致建筑破坏的因素进行分析，并对建筑物破坏情况进行预判。

首先，来介绍导致建筑物破坏的因素，如图1和图2所示，包括：

(1)不均匀沉降因素

隧道开挖引起的地表下沉一般是非均匀分布的，地表非均匀下沉将使建筑物发生倾斜变形，使建筑物重心产生偏移，在偏心荷载作用下产生附加倾覆力矩。倾斜变形过大时，建筑物重心的投影可能转移到基础底面以外而引起建筑物的破坏。如图1所示为地表倾斜引起建筑物破坏的示意图，地表未变形时建筑物受到均布的地基反力作用；随着地表发生倾斜变形，建筑物靠近隧道一侧的基础与土层的接触处发生松动，使得地基反力发生重新分布；随后建筑物产生倾斜，在偏心荷载作用下，地基反力再次发生重新分布。

(2)地表曲率因素

地表曲率对建筑物有较大的影响，地表曲率有两种典型的变形区：正曲率变形区(地表相对上凸)和负曲率变形区(地表相对下凹)。一般情况下，地表拉伸变形和正曲率变形同时出现，地表压缩变形和负曲率变形同时出现。在正、负曲率作用下，使地基与建筑物基础接触状态发生两种变化，一种是建筑物全部切入地基，另一种是建筑物部分切入地基，如图2所示。

建筑物受正负曲率影响下，将使地基反力重新分布，因而使建筑物在竖直面内附加的弯距和剪力的作用。在负曲率作用下，建筑物的中央部分将处于悬空状态，如图2a所示。当建筑物长度过大时，在重力的作用下，建筑物将会从底部断裂，从而使建筑物破坏。在正曲率的作用下，建筑物的两端将会部分悬空，如图2b所示。建筑物屋架或粱的端部将会从墙体或柱内抽出，从而导致建筑物破坏。

针对以上情形，如图3所示，本发明提供一种处于隧道施工最不利位置的建筑物破坏情景构建方法，针对由于隧道施工最不利位置的建筑物破坏这一重大突发事件，预先开展情景构建，使各方及时采取有效措施，将危害降至最低，其包括以下步骤：

S1)建立隧道在不同角度条件下穿越建筑物的模型，计算地表沉降，确定建筑物与隧道施工的最不利位置；

S2)通过运用midas/gts建立三维模型，得出处于最不利位置的建筑结构内力值和沉降值；

S3)评定建筑结构是否失效；

S4)整合数据，使用3D MAX软件将建筑物与隧道最不利位置的变形可视化。

上述技术方案中，步骤S1)具体采用peck公式计算地表沉降。

peck公式是假定沿隧道整个长度上的地层损失呈均匀分布，隧道施工引起的地表沉降槽横向分布近似为一正态分布曲线，如图4所示，地表横向沉降的公式为：

式中：S(x)为距离隧道中心轴线x处地表沉降量；S_max为隧道中心线处地表最大沉降量。

上述技术方案中，步骤S1)中，建筑物与隧道施工的最不利位置通过下式计算：

当α＝90时沉降量最大，即建筑物长轴与隧道中心线平行时为最不利位置。

上述公式的推导如下：

由peck公式可知，圆形截面的隧道最大沉降值S_max公式为：

S_max＝0.313V_LgD²/i_y (2)

其中D为圆形隧道的直径；i_y是从隧道中心线对应的地面点到沉降曲线的拐点处的水平距离，i和隧道轴线埋深z₀之间存在以下简单的线性关系：

i_y＝Kz₀ (3)

其中，K为沉降槽宽度参数。

天然地面横向沉降的公式：

隧道轴线与建筑物的走向之间往往存在一个夹角α，如图5所示。沿建筑物外墙观测到的沉降曲线与和隧道轴线正交方向剖面上观测到的沉降槽曲线是不同的。在这种情况下，相应的转换公式可推导如下：

定义夹角α为隧道的中心线和与观测剖面垂直的线之间的夹角，-90≤α≤90，如图6所示。如果α＝0(即通常考虑的横向沉降槽)时，沉降槽曲线可以用高斯曲线表示，则如前所述，其表达式为(4)。

然后考虑存在一个夹角α时沉降槽曲线S(y)的表达式。图6描述了这一问题，其中给出了两套坐标系统y’和y，且y₁＝ycos a，S₁(y₁)＝S(y)，所以

从公式(5)中可知，当α＝90时沉降量最大，即建筑物长轴与隧道中心线平行时为最不利位置。

为了详细说明本发明的步骤S2)与S3)，以下简单介绍混凝土结构的破坏过程机理。

结构破坏原理可以用弹簧来模拟，分析模型如图7所示。根据能量守恒原理对该模型进行非线性分析，得到的结论是：当弹簧的强度承受的力在C点大于系统重力时，系统不会破坏，反之，系统会发生破坏；如果弹簧屈服强度大于系统重力的2倍，系统就可以回弹而不发生破坏；如果系统重力是处于C、D之间，结构体系发生轻微的振动，也不会发生破坏。当冲击荷载在作用在结构构件可吸收的荷载范围内时，结构只是发生弹性或弹塑性变形而不破坏，反之结构就会发生连续性破坏。但对于体型复杂建筑结构来说，由于原来的竖向承重构件失效后其反应相当复杂。

机械铰其实就是一个实际的铰连接，如同桁架杆单元端部的铰结点，它只能承受结点力而不能承载弯矩。为了说明机械铰和塑性铰的区别，需要用截面弯矩曲率受力图加以说明。

首先说明的是截面弯曲破坏状况的定义方式。如图8截面受弯本构曲线图，当截面曲率达到B点，此时构件受拉钢筋达到屈服点。如果构件继续承受荷载，则截面进入塑性阶段BC，此后截面的曲率不断增加，但是截面的弯矩增加较少。

当截面曲率达到C点，截面的最大受压纤维超过了极限承载能力而被压碎，此后截面的弯曲承载力进入下降阶段(如图8所示)，随着截面条带连续的失效，截面抗弯承载力逐渐下降，当到达D点后，截面已经完全丧失了弯曲承载能力。如果按照精确的计算，截面的破坏应该定义在C点，即一旦截面有一个条带发生压碎破坏即认为截面破坏，此种方法通常是忽略了截面受弯性能的下降段CD。

构件失效后，不论荷载怎么变化即使荷载变小，结构也不可能恢复到原先的平衡状态。由于塑性铰是可逆的，不能够代表结构破坏这种不可逆过程。因为弯曲破坏之后的截面是不能恢复弯曲承载力，而机械铰的形成过程是在截面发生弯曲破坏之后，所以机械铰代表了一种不可逆过程。机械铰本质特性是与结构实际破坏过程相符合的，对应的结构破坏标志可定义为：如果结构体系中出现了足够多的机械铰形成了不可恢复的可动机构后，结构将会发生倾覆破坏。

上述技术方案中，步骤S2)通过运用midas/gts建立三维模型，如图9所示，先定义材料属性、几何绘图网格划分最终得出建筑结构内力值和沉降值，其步骤如下：

S21)统计各地层的物理学参数，依次输入midas/gts软件；

S22)逐步模拟隧道挖掘过程，计算建筑物变形数据；

S23)输出建筑物沉降、倾斜、内力值。

具体的，S21)中数据来源于实际工程现场实测数据，基于现场勘测的基础上统计出各地层的物理力学参数，包括地层厚度、泊松比、密度、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、抗拉强度、抗压强度，模型的边界这些数据为后期建模打下坚实的基础。模型的长度为隧道宽度的2倍，模型左右边界为水平约束，模型上边界为自由端，模型下边界同时作用水平约束和竖直约束。

将以上各数据输入到midas/gts软件中，随着工作面的不断推进，上覆岩层应力重新分布，建筑物受到隧道影响越来越严重，变形值随之变大。其流程图如图10所示。

上述技术方案中，步骤S3)依据规范《建筑地基基础设计规范》以及《工程结构可靠度设计统一标准》为依据评定建筑结构是否失效，如图11所示，具体步骤如下：

S31)模拟隧道施工、土体受到扰动的过程，建筑物构件受到附加应力，计算附加应力和位移增加量；

S32)判断构件受力和位移是否超出限值：

若未超出则结构不发生破坏；

若超出则构件失效，构件退出工作并将此构件自重加入其他构件；判断整体或局部结构是否形成几何可变体系：

若否则结构不发生破坏；若是则结构破坏。

施工步定义为一次开挖2m并在3D MAX里输出一帧图像。在图像的制作时，以初始位置为参照点，依据上一步的结果输入各地表及建筑物的下沉值。分别向利用联结工具将3D点形态转化为3D曲线形态，把形成的形状加以修饰。将修改过的模型形态进行材质和灯光的修饰和逼真，最后按*.JPG格式输出为一帧图像，最终各帧图像组合在一起形成了建筑物倒塌的可视化。

上述技术方案中，步骤S4)如下：

将步骤S2)与S3)的计算数据整合，使用3D MAX软件将建筑物与隧道最不利位置变形可视化，具体包括：

S41)利用具有断裂构件的建筑物的实体图像获得建筑物构件断裂的数据模型；

S42)虚拟建筑物不均匀沉降模型；

S43)对构建好的所述建筑物构件断裂的数据模型进行断裂处理；

S44)虚拟建筑物破坏动画。

其中，步骤S41)的方法流程图，具体包括：

S411)引入一张具有构件断裂数据信息的图像，将断裂的数据信息映射至需要被断裂计算的虚拟平面上；

S412)捕捉平面的断裂裂纹图像的纹理信息，并与原平面的裂纹图像的纹理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。

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，将建筑物破坏图像的坐标应用于平面，即可与平面进行匹配，让破坏图像尤其是一些细节的破坏裂缝能够映射出来，并且还能以其原始的尺寸精准的投影到平面上。

步骤S412)中，基于平面的破坏图像，利用线性样条线程序捕捉平面的破坏图像的破坏信息，并与原平面的破坏图像的破坏信息进行进一步的匹配设置。

按照破坏结构的突出性大小依次进行匹配，首先将明显突出的破坏信息进行匹配，然后对破坏结构进行细化，将整个破坏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破坏图像的捕捉数据信息，而一个精准的破坏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，是利用破坏程序对所述建筑物破坏数据模型进行破坏处理，利用破坏程序进行构件断裂的具体方法为：

S431)利用破坏程序引入建筑物模型到对象模块中，将其指定为作用物体；

S432)通过断裂模块对作用物体进行断裂计算，得到更多的建筑物断裂模型；

S433)在执行第一次的断裂计算后，将第一次的断裂结果作为作用物体，再一次执行断裂指令，执行更细化的断裂数据处理；

S434)对破坏中心部分的局部破坏数据信息再进行破坏处理，得到更加精确的破坏结果；

S435)对破坏模型多次进行破坏处理，得到破坏结果。

该步骤主要是利用三维程序的破坏程序，对在步骤S41)中构建好的所述虚拟实体破坏模型进行破坏处理。其中：首先，在破坏程序对象模块中引入所述建筑物的局部数据信息碎块，作为参与破坏计算的作用物体。然后，在执行第一次的破坏计算后，断裂程序会将第一次的破坏结果作为作用物体，然后再一次执行破坏指令。重复同样的破坏步骤，通过破坏模块对作用物体进行多次破坏计算，得到更多的破坏模型；利用倒塌模型对破坏模型进行倒塌处理，并利用相同的步骤进行多次倒塌处理，得到更加精细的倒塌结果。

步骤S44)中，利用所述的破坏程序中的物理学引擎执行断裂指令，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。