[發(fā)明專利]一種地鐵隧道施工引起地表坍塌災(zāi)害演示方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710113047.2
• 申請(qǐng)日: 2017-02-28
• 公開（公告）號(hào): CN106652728B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于廣明;秦?fù)碥?/a>;袁長(zhǎng)豐;謝焦焦;吳昊;王大寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 青島理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G09B25/00
• 分類號(hào): G09B25/00;G06T17/00;G06T13/20;G06F17/50
• 代理公司: 37104 青島高曉專利事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 黃曉敏;于正河<國(guó)際申請(qǐng)>=<國(guó)際公布>

1.一種地鐵隧道施工引起地表坍塌災(zāi)害演示方法，其特征在于先對(duì)地鐵隧道施工頻繁引發(fā)地表坍塌災(zāi)害的現(xiàn)狀分析，總結(jié)出地鐵隧道施工引起地表坍塌災(zāi)害發(fā)生的原因、機(jī)理、過(guò)程，再利用情景構(gòu)建的概念和方法，對(duì)地鐵隧道施工引起地表坍塌災(zāi)害演化過(guò)程和損害程度進(jìn)行情景構(gòu)建并可視化，具體步驟如下:

步驟一：分析地鐵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學(xué)性質(zhì)、施工措施和地鐵不同埋深的影響；

步驟二：分析地鐵隧道施工引起地表坍塌力學(xué)機(jī)理：將開挖的隧道簡(jiǎn)化成由隧道、六面體和楔形體構(gòu)成的模型，楔形體位于隧道開挖面的右側(cè)，隧道的開挖面內(nèi)切于楔形體的豎直側(cè)面，六面體位于楔形體上方，六面體的底面與楔形體表面重合，并對(duì)模型的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算；

步驟三：分析地鐵隧道施工引起地表坍塌的過(guò)程：砂土地層淺埋暗挖開挖前先需要進(jìn)行超前注漿施工，目的是通過(guò)提高隧道周圍巖體的整體性和強(qiáng)度來(lái)控制上部土體的移動(dòng)，但在實(shí)際中往往存在注漿壓力不合理或者注漿量不足問(wèn)題，當(dāng)注漿壓力不合理或者注漿量不足時(shí)，就會(huì)引起地層損失，在接近地鐵孔洞上方會(huì)引起空洞，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(shí)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(dòng)并下沉，隨著時(shí)間的推移空洞向上擴(kuò)展，又由于地鐵的埋深較淺，在空洞擴(kuò)展的過(guò)程中很難被削減，因此空洞很快發(fā)展到地表并形成坍塌；

步驟四：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建地鐵隧道施工引起地表坍塌情景：

(1)利用現(xiàn)有三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)地鐵施工引起地表正常沉降下的數(shù)據(jù)，并基于此檢測(cè)數(shù)據(jù)建立地鐵隧道施工時(shí)的基礎(chǔ)模型；

(2)基于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律利用圓形單元模擬顆粒材料或介質(zhì)的位移，顆粒材料或介質(zhì)符合以下運(yùn)動(dòng)方程：

式中u_x、u_y是圓形單元在時(shí)刻t的位移，F(xiàn)_x、F_y是圓形單元在時(shí)刻t所受的集中力，m是圓形單元的質(zhì)量，上式能簡(jiǎn)化為：

其中加速度記為：

將③式的用位移u來(lái)表示為：

將④帶入③得加速度為：

此外，速度表示為：

單元在t+Δt時(shí)刻的位移和速度表示為：

從而顆粒材料運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間所在的位置表示為：

u^new＝u^old+Δu＝u^Old+u_t+Δt-u_t ⑧

根據(jù)步驟(2)上述運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行編程，獲得砂土的運(yùn)動(dòng)位置；

(3)輸入?yún)?shù)，放大災(zāi)難性因素，將步驟(1)建立的基礎(chǔ)模型中周圍巖土體簡(jiǎn)化為單一的砂土介質(zhì)，先查閱相關(guān)資料確定地鐵隧道施工過(guò)程中突遇砂土的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)，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)和襯砌的法向剛度、切向剛度及摩擦系數(shù)；其次輸入所建立的基礎(chǔ)模型尺寸，隧道的走向方向取a,豎向取b，埋深取H₁，開挖高度取H₂，開挖進(jìn)尺為d，單位均為米；根據(jù)輸入的參數(shù)和步驟(2)的運(yùn)動(dòng)方程輸出砂土的運(yùn)動(dòng)位置；

步驟五：利用動(dòng)畫軟件實(shí)現(xiàn)可視化：根據(jù)步驟(4)獲得砂土運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，用動(dòng)畫軟件制作坍塌圖像,將坍塌的原因和過(guò)程一一展現(xiàn)，使坍塌過(guò)程能在外部播放器上觀看時(shí)一目了然，具體制作過(guò)程為：

(1)數(shù)據(jù)收集與企劃：根據(jù)確定的地表坍塌主題進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,收集的數(shù)據(jù)包括坍塌的圖像圖畫、模型的實(shí)體、土質(zhì)物理力學(xué)數(shù)據(jù)及相關(guān)主題，將要表現(xiàn)的畫面內(nèi)容以分格分鏡的方式繪制出來(lái),作為動(dòng)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(diǎn)/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)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(jī)取景與創(chuàng)建燈光：通過(guò)渲染程序?qū)⑹噶康臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像的數(shù)據(jù),將動(dòng)態(tài)捕捉的影像鏡頭和在靜態(tài)圖像放置攝像機(jī)以匹配場(chǎng)景設(shè)計(jì)，從圖形畫面所表現(xiàn)的結(jié)果了解問(wèn)題的所在，然后回到原來(lái)的場(chǎng)景中加以修改后再渲染成圖像；

(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(cè)試場(chǎng)景中各方面數(shù)據(jù)配合的完整性，包括材質(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；

(5)動(dòng)畫調(diào)整設(shè)置與制作：完成所有靜態(tài)場(chǎng)景物體的定義后設(shè)置所有場(chǎng)景中的物體,運(yùn)用軌道視圖、剛體動(dòng)力學(xué)、關(guān)鍵幀管理及反向運(yùn)動(dòng)學(xué)功能菜單創(chuàng)建動(dòng)畫；

(6)輸出動(dòng)畫：按需求輸出成各式圖像文件及視頻文件。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述地鐵隧道施工引起地表坍塌災(zāi)害演示方法，其特征在于步驟二中對(duì)模型的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算的具體過(guò)程為：上部六面體的上表面寬度為B＝0.25πD，上表面距地表高度為H₁，六面體高度為H₂，六面體傾角為ω，隧道埋深為C＝H₁+H₂，上表面寬度為ac＝bd＝L，下表面寬度為ef＝gh＝L′；下部楔形體的高度為D,傾角為β，對(duì)上部六面體進(jìn)行受力分析，上覆土體的土壓力為σ_v，土體自重為W₂，六面體頂部土體的豎向平均土壓力為P₀，在該六面體中任意截取厚度為dz的六面體微元，其上表面距離六面體上表面高度為z，下表面受六面體的支撐力為σ_v+dб_v；根據(jù)太沙基松動(dòng)土壓力理論，有平衡方程：

γ為巖土體的重度，α為巖土體的內(nèi)摩擦角，c為巖土體的粘聚力，k₀為靜止側(cè)壓力系數(shù)，邊界條件為(1)當(dāng)z＝0時(shí),有

P₀＝γH₁＝γ(C-H₂)＝γ[C-(L-L′)tanω]

(2)當(dāng)β＝90°時(shí)，L＝L′，

基于上述條件解方程得：

對(duì)位于六面體下方的楔形體進(jìn)行受力分析，楔形體側(cè)向滑裂面法向力N₂表示為:

側(cè)向滑裂面摩擦力T_S表示為:

楔形體自重W₁表示為：

前端滑裂面摩擦力T₁表示為：

其中N₁為楔形體垂直于其斜面的力；

水平力的平衡方程為:

豎向力的平衡方程為:

σ_vBL+W₁＝T_s+T₁sinβ+N₁sinβ

由水平力和豎向力的平衡方程可得：

通過(guò)上式確定開挖面的支護(hù)力：

若考慮地下水的影響，則確定開挖面的支護(hù)力為

p_w為地下水作用力，當(dāng)開挖面噴漿封閉提供的力小于開挖面穩(wěn)定所需的支護(hù)力時(shí)，隧道上方覆巖則發(fā)生坍塌失穩(wěn)破壞。