本發(fā)明屬于地鐵隧道施工安全管理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種地鐵隧道施工引起地表坍塌災(zāi)害演示方法，采用底線思維方法將地鐵隧道施工突遇不良地層引起地表坍塌災(zāi)害事故過(guò)程進(jìn)行情景構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展必要的應(yīng)急策略及反應(yīng)演練。

背景技術(shù)：
：

隨著城市化進(jìn)程的近一步發(fā)展及各種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的普遍應(yīng)用，使人們的生活更加便利。因此，吸引越來(lái)越多的人擁入城市。然而種種現(xiàn)象表明眾多的人口造成城市地上交通的嚴(yán)重堵塞，使開(kāi)發(fā)利用地下空間進(jìn)行交通建設(shè)成為近幾年發(fā)展潮流和未來(lái)趨勢(shì)。在開(kāi)挖地鐵隧道期間，因地質(zhì)勘測(cè)的不明確造成地鐵施工期間突遇不良地層，加之地鐵施工措施、埋深、含水量等因素的影響，導(dǎo)致地表坍塌災(zāi)害事故的發(fā)生無(wú)可避免，如：在修建成都地鐵1號(hào)線時(shí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)僅人民路上就發(fā)生數(shù)十次的地表坍塌，嚴(yán)重影響城市居民的生產(chǎn)和生活，對(duì)社會(huì)造成一定程度的不良影響。十八大以后，提出了一種新的概念—情景構(gòu)建，即采用底線思維方式把一種事物引發(fā)重大災(zāi)害的場(chǎng)景提前設(shè)想出來(lái)，再提出應(yīng)對(duì)策略，這樣能夠更好的保障社會(huì)和諧，使可能的損失降到最小。目前，尚未有利用這種新的概念來(lái)構(gòu)建地鐵隧道施工引起地表塌陷災(zāi)害事故階段性演化過(guò)程的公開(kāi)報(bào)道，因此，尋求一種地鐵隧道施工引起地表坍塌災(zāi)害演示方法，形象了解地表坍塌發(fā)生的真實(shí)情況，進(jìn)而有效協(xié)調(diào)各方處理地鐵施工引起地表坍塌災(zāi)害可能給人們?cè)斐傻膿p失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)提供一種地鐵隧道施工引起地表坍塌災(zāi)害演示方法，預(yù)先構(gòu)建地鐵隧道施工引起地表坍塌災(zāi)害事故的情景，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)地表坍塌災(zāi)害的防治。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明先對(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:

1.分析地鐵隧道施工引起地表坍塌原因：地鐵隧道開(kāi)挖時(shí)，在空間意義上地層會(huì)產(chǎn)生損失，這種地層損失與圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、不同的施工措施和地層本身物理力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)，地層損失較小時(shí)會(huì)造成地鐵上方地表沉降,當(dāng)各影響因素皆處于不利狀態(tài)時(shí)，便會(huì)引起地表發(fā)生較大程度的突然失穩(wěn)甚至坍塌,引起地表坍塌的主要因素包括：

(1)砂土本身物理力學(xué)性質(zhì)的影響：砂土顆粒本身強(qiáng)度不高，當(dāng)其承受壓力時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的強(qiáng)度和彈性模量；砂土地層顆粒之間是相互獨(dú)立的，彼此之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸并進(jìn)行力的傳遞，由于砂土之間的咬合力較差且極易受到外界的干擾，當(dāng)其被強(qiáng)烈擾動(dòng)時(shí)，土體變成松散體，土體下沉甚至產(chǎn)生流動(dòng)現(xiàn)象；

(2)施工措施的影響：地鐵施工時(shí)需要超前注漿施工，目的是通過(guò)增加圍巖的整體性來(lái)控制上部土體的下沉或冒落，但在實(shí)際中很難控制注漿壓力及注漿量，注漿壓力過(guò)大會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，注漿壓力過(guò)小或者注漿量不足均會(huì)導(dǎo)致空隙未被漿液填充，從而造成更大的地層損失；地鐵施工時(shí)采用機(jī)械施工，必然會(huì)造成對(duì)土體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，在對(duì)地層開(kāi)挖和做襯砌之間必然存在時(shí)間間隔，在此期間，土體由于本身的重力使下部承受較大的拉力；而且，地層有時(shí)富含大量的水分，開(kāi)挖前需要進(jìn)行降水，當(dāng)不能采取更好降水措施時(shí)，致使地層還會(huì)積有大量的水分，水分的存在不僅弱化了土層之間的粘結(jié)力而且當(dāng)水分流動(dòng)時(shí)還會(huì)存在滲透力；

(3)地鐵不同埋深的影響：地鐵施工時(shí)會(huì)引起靠近地鐵孔洞土體的下沉，隨著時(shí)間的推移，下沉土體上方會(huì)形成空洞，伴隨土體下沉的過(guò)程空洞會(huì)向地表慢慢移動(dòng)，地鐵埋深較深時(shí)地層損失相同的情況下，空洞向地表移動(dòng)的過(guò)程會(huì)慢慢減小甚至消失，因此地鐵埋深越深，地表受地層損失的影響較小；

2.分析地鐵隧道施工引起地表坍塌力學(xué)機(jī)理：將開(kāi)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(kāi)挖面的右側(cè)，隧道的開(kāi)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；

3.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(kāi)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等問(wèn)題，當(dāng)注漿壓力不合理或者注漿量不足時(shí)，就會(huì)引起較大的地層損失，在接近地鐵孔洞上方會(huì)引起較大的空洞，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；

4.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是單元在時(shí)刻t的位移，F(xiàn)_x、F_y是單元在時(shí)刻t所受的集中力，m是單元體的質(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)；其次輸入所建立的計(jì)算模型尺寸，隧道的走向方向取a,豎向取b，埋深取H₁，開(kāi)挖高度取H₂，開(kāi)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；

5.利用動(dòng)畫(huà)軟件實(shí)現(xiàn)可視化：根據(jù)步驟(4)獲得每隔一定運(yùn)行步驟(沒(méi)有具體要求或限制，但是為了更加形象的展示砂土運(yùn)動(dòng)的過(guò)程可以隔較少的步驟取一次圖)砂土運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，用現(xiàn)有動(dòng)畫(huà)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(huà)、模型的實(shí)體、土質(zhì)物理力學(xué)數(shù)據(jù)及相關(guān)主題等，將要表現(xiàn)的畫(huà)面內(nèi)容以分格分鏡的方式繪制出來(lái),作為動(dòng)畫(huà)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)等造型體創(chuàng)建隧道開(kāi)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)Render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)圖像放置攝象機(jī)以匹配場(chǎng)景設(shè)計(jì)，從圖形畫(huà)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(huà)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，如: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等；

(5)動(dòng)畫(huà)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Track View、剛體動(dòng)力學(xué)、關(guān)鍵幀管理及反向運(yùn)動(dòng)學(xué)等功能菜單創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)。

(6)輸出動(dòng)畫(huà)：按需求輸出成各式圖像文件及視頻文件，如AVI、JPG、BMP等格式的文件。

本發(fā)明步驟2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C＝H₁+H₂，上表面寬度ac＝bd＝L，下表面寬度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’)tanθ](2)當(dāng)β＝90°時(shí)，L＝L’，

基于上述條件解方程得：

對(duì)下部楔形體進(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：

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

由上述二式可得：

通過(guò)上式確定開(kāi)挖面的支護(hù)力：

若考慮地下水的影響為

p_w為地下水作用力，當(dāng)開(kāi)挖面噴漿封閉等措施提供的力小于開(kāi)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。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是在情景構(gòu)建的基礎(chǔ)上，通過(guò)演示動(dòng)畫(huà)使人們更加形象具體的了解地鐵坍塌的演化過(guò)程，提前協(xié)調(diào)規(guī)劃各方在災(zāi)害中的職責(zé)，使各方專業(yè)人士認(rèn)識(shí)到如何快速有效而且互相合作解決涉及所屬專業(yè)的難題，爭(zhēng)取在最短的時(shí)間內(nèi)最大限度的減少災(zāi)害帶給人們的損失；二是此情景的構(gòu)建能夠達(dá)到預(yù)警作用，災(zāi)害一旦發(fā)生，應(yīng)急指揮平臺(tái)和聯(lián)合信息中心激活，立即開(kāi)展應(yīng)急響應(yīng)行動(dòng)，持續(xù)發(fā)出警報(bào)和各類應(yīng)急響應(yīng)通告，保持與參加響應(yīng)活動(dòng)的相關(guān)單位建立聯(lián)系并加強(qiáng)對(duì)重要基礎(chǔ)設(shè)施和特殊人群的保護(hù)，為現(xiàn)場(chǎng)提供必備資源，接受申請(qǐng)和求救資訊并作出反應(yīng)；三是能以聯(lián)合信息中心為主要平臺(tái)，統(tǒng)一對(duì)外發(fā)布事件相關(guān)信息，使公眾和媒體盡快了解事件真相并鼓勵(lì)公眾積極配合相關(guān)應(yīng)急響應(yīng)活動(dòng)，在進(jìn)行醫(yī)療救援的同時(shí)，民警官兵及時(shí)采取措施疏導(dǎo)塌陷區(qū)附近的其他人群，即建立隔離區(qū)和警戒帶，劃定危險(xiǎn)區(qū)域保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，協(xié)調(diào)指揮現(xiàn)場(chǎng)救援活動(dòng)，一方面可以避免更多的人陷入塌陷區(qū)，另一方面可以為救援提供更多的工作面，保證救援工作的順利展開(kāi)。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明地鐵隧道施工過(guò)程中砂土運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述動(dòng)畫(huà)制備過(guò)程原理示意框圖。

圖3為本發(fā)明步驟2中隧道的簡(jiǎn)化模型圖。

圖4為本發(fā)明步驟2中隧道簡(jiǎn)化模型中六面體的受力分析圖。

圖5為本發(fā)明步驟2中隧道簡(jiǎn)化模型中楔形體的受力分析圖。

具體實(shí)施方式：

下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例：

本實(shí)施例先對(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:

1.分析地鐵隧道施工引起地表坍塌原因：地鐵隧道開(kāi)挖時(shí)，在空間意義上地層會(huì)產(chǎn)生損失，這種地層損失與圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、不同的施工措施和地層本身物理力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)，地層損失較小時(shí)會(huì)造成地鐵上方地表沉降,當(dāng)各影響因素皆處于不利狀態(tài)時(shí)，便會(huì)引起地表發(fā)生較大程度的突然失穩(wěn)甚至坍塌,引起地表坍塌的主要因素包括：

(1)砂土本身物理力學(xué)性質(zhì)的影響：砂土顆粒本身強(qiáng)度不高，當(dāng)其承受壓力時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的強(qiáng)度和彈性模量；砂土地層顆粒之間是相互獨(dú)立的，彼此之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸并進(jìn)行力的傳遞，由于砂土之間的咬合力較差且極易受到外界的干擾，當(dāng)其被強(qiáng)烈擾動(dòng)時(shí)，土體變成松散體，土體下沉甚至產(chǎn)生流動(dòng)現(xiàn)象；

(2)施工措施的影響：地鐵施工時(shí)需要超前注漿施工，目的是通過(guò)增加圍巖的整體性來(lái)控制上部土體的下沉或冒落，但在實(shí)際中很難控制注漿壓力及注漿量，注漿壓力過(guò)大會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，注漿壓力過(guò)小或者注漿量不足均會(huì)導(dǎo)致空隙未被漿液填充，從而造成更大的地層損失；地鐵施工時(shí)采用機(jī)械施工，必然會(huì)造成對(duì)土體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，在對(duì)地層開(kāi)挖和做襯砌之間必然存在時(shí)間間隔，在此期間，土體由于本身的重力使下部承受較大的拉力；而且，地層有時(shí)富含大量的水分，開(kāi)挖前需要進(jìn)行降水，當(dāng)不能采取更好降水措施時(shí)，致使地層還會(huì)積有大量的水分，水分的存在不僅弱化了土層之間的粘結(jié)力而且當(dāng)水分流動(dòng)時(shí)還會(huì)存在滲透力；

(3)地鐵不同埋深的影響：地鐵施工時(shí)會(huì)引起靠近地鐵孔洞土體的下沉，隨著時(shí)間的推移，下沉土體上方會(huì)形成空洞，伴隨土體下沉的過(guò)程空洞會(huì)向地表慢慢移動(dòng)，地鐵埋深較深時(shí)地層損失相同的情況下，空洞向地表移動(dòng)的過(guò)程會(huì)慢慢減小甚至消失，因此地鐵埋深越深，地表受地層損失的影響較小；

2.分析地鐵隧道施工引起地表坍塌力學(xué)機(jī)理：將開(kāi)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(kāi)挖面的右側(cè)，隧道的開(kāi)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；

3.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(kāi)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等問(wèn)題，當(dāng)注漿壓力不合理或者注漿量不足時(shí)，就會(huì)引起較大的地層損失，在接近地鐵孔洞上方會(huì)引起較大的空洞，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；

4.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是單元在時(shí)刻t的位移，F(xiàn)_x、F_y是單元在時(shí)刻t所受的集中力，m是單元體的質(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)；其次輸入所建立的計(jì)算模型尺寸，隧道的走向方向取a,豎向取b，埋深取H₁，開(kāi)挖高度取H₂，開(kāi)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；

5.利用動(dòng)畫(huà)軟件實(shí)現(xiàn)可視化：根據(jù)步驟(4)獲得每隔一定運(yùn)行步驟(為了更加形象的展示砂土運(yùn)動(dòng)的過(guò)程可以隔較少的步驟取一次圖)砂土運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，用現(xiàn)有動(dòng)畫(huà)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(huà)、模型的實(shí)體、土質(zhì)物理力學(xué)數(shù)據(jù)及相關(guān)主題等，將要表現(xiàn)的畫(huà)面內(nèi)容以分格分鏡的方式繪制出來(lái),作為動(dòng)畫(huà)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)等造型體創(chuàng)建隧道開(kāi)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)Render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)圖像放置攝象機(jī)以匹配場(chǎng)景設(shè)計(jì)，從圖形畫(huà)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(huà)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，如: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等；

(5)動(dòng)畫(huà)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Track View、剛體動(dòng)力學(xué)、關(guān)鍵幀管理及反向運(yùn)動(dòng)學(xué)等功能菜單創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)。

(6)輸出動(dòng)畫(huà)：按需求輸出成各式圖像文件及視頻文件，如AVI、JPG、BMP等格式的文件。

本實(shí)施例步驟2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C＝H₁+H₂，上表面寬度ac＝bd＝L，下表面寬度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’)tanθ](2)當(dāng)β＝90°時(shí)，l＝L’，

基于上述條件解方程得：

對(duì)下部楔形體進(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：

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

由上述二式可得：

通過(guò)上式確定開(kāi)挖面的支護(hù)力：

若考慮地下水的影響為

p_w為地下水作用力，當(dāng)開(kāi)挖面噴漿封閉等措施提供的力小于開(kāi)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。