[发明专利]一种地铁隧道施工引起地表坍塌灾害演示方法

摘要

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，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，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。

主权项

1.一种地铁隧道施工引起地表坍塌灾害演示方法，其特征在于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:/n步骤一：分析地铁隧道施工引起地表坍塌原因：引起地表坍塌的主要因素包括砂土本身物理力学性质、施工措施和地铁不同埋深的影响；/n步骤二：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；/n步骤三：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问题，当注浆压力不合理或者注浆量不足时，就会引起地层损失，在接近地铁孔洞上方会引起空洞，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；/n步骤四：利用计算机技术构建地铁隧道施工引起地表坍塌情景：/n(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；/n(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：/n /n式中u_x、u_y是圆形单元在时刻t的位移，F_x、F_y是圆形单元在时刻t所受的集中力，m是圆形单元的质量，上式能简化为：/n /n其中加速度记为：/n将③式的用位移u来表示为：/n /n将④带入③得加速度为：/n /n此外，速度表示为：/n /n单元在t+Δt时刻的位移和速度表示为：/n /n从而颗粒材料运动一定时间所在的位置表示为：/nu^new＝u^old+Δu＝u^Old+u_t+Δt-u_t ⑧/n根据步骤(2)上述运动方程进行编程，获得砂土的运动位置；/n(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；其次输入所建立的基础模型尺寸，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；/n步骤五：利用动画软件实现可视化：根据步骤(4)获得砂土运动的过程，用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：/n(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，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；/n(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创建隧道开挖模型，在空间中加以快速定位与组合；/n(3)架设摄像机取景与创建灯光：通过渲染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像机以匹配场景设计，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；/n(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，包括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；/n(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,运用轨道视图、刚体动力学、关键帧管理及反向运动学功能菜单创建动画；/n(6)输出动画：按需求输出成各式图像文件及视频文件。/n