重大基坑坍塌事故虛擬仿真系統研究*

齊宏偉，張紅芬，田 斌

(1.華北科技學院 建筑工程學院,河北 廊坊 065201；2.北京睿格致科技有限公司，北京 102200)

0 引言

近年來，隨著我國城市地下工程綜合體和地鐵網絡建設加速，地下工程數量和規模急劇增加，地下工程建設事故呈現增長趨勢。基坑工程具有復雜性高、技術涉及面廣、施工周期長，易受自然因素及場地環境影響等特點，其致險因素多且復雜，極易引發各類事故[1-5]。李鳳偉等[1]對2003—2010年國內地鐵建設中118起施工事故進行了統計分析，總結得出塌陷和坍塌是最主要的事故類型；鐘春玲等[2]對有代表性的地鐵事故進行了分析，提出施工過程中的坍塌事故發生頻率最高、危害最嚴重。筆者對我國2005—2018年地下工程建設的173起事故進行了統計分析，按照事故發生次數、傷亡人數統計了各類事故的占比，其中坍塌事故占比高達65%和61.5%。

坍塌引起的基坑失效往往以突發形式出現，極易引發重大工程事故和環境連鎖效應。如我國杭州地鐵湘湖站基坑事故、廣州海珠城廣場基坑坍塌事故等幾起重大事故的發生，不僅造成較多的人員傷亡，而且對周圍環境造成不可彌補的破壞，經濟損失巨大，產生極不利的社會影響[5-7]。

虛擬現實技術是仿真技術與計算機圖形學、多媒體等技術集合發展的綜合技術,通過視聽和觸覺使人獲得身臨其境的感覺。將虛擬現實技術應用于事故仿真是安全教育領域的新方向，適合危險復雜環境場景與重大事故模擬，在煤礦、交通、化工、建筑工程等領域得到應用[8-12]。

本系統針對地下工程領域發生頻率最高、危害最嚴重的基坑坍塌事故，選取典型事故案例，研究制作了重大基坑坍塌事故的虛擬仿真系統。系統主要實現典型事故重建、地下工程虛擬建造、工程風險識別等功能。

1 仿真系統開發流程與研究內容

1.1 仿真系統開發流程

虛擬仿真系統開發流程如圖1所示。首先確定系統功能和典型事故案例，對典型案例進行深入研究；根據面向對象的原則，結合系統功能需求和事故特點進行虛擬仿真系統方案設計；對應不同模塊內容，確定虛擬仿真系統實現方案與制作技術手段，完成系統平臺和場景制作；最后進行系統合成和測試，系統應用獲得反饋意見。

圖1 系統開發流程Fig.1 Flow diagram of system development

1.2 仿真系統研究內容與方法

虛擬仿真系統重點研究以下內容：

1)系統功能目標

明確系統使用對象和系統功能。本系統使用對象確定為施工企業管理者、施工技術員和工人、土木與安全專業學生、安全監察監管人員。系統需同時實現施工崗前培訓與安全教育、專業教育、安全監察監管培訓功能。

2)典型事故案例研究

收集整理事故素材，對重大基坑坍塌事故案例進行研究。通過研究事故調查報告和學者的學術研究成果，全面分析事故機理與事故引發因素。

3)虛擬仿真系統方案設計

根據系統使用對象和功能目標，結合典型事故案例特點、事故致險因素對推動事故發生的作用效應，確定仿真系統設計方案，研究系統模塊組成與各模塊內容。

4)虛擬仿真系統實現技術

根據系統各模塊內容和功能需求不同，確定不同模塊實現技術手段，研究場景創建方案、技術方案和VR過程流程。

2 典型事故案例研究

2.1 案例選擇與研究

首先，基坑坍塌事故虛擬仿真系統應達到工程事故警示教育目的，因此，事故案例的選擇應是對環境、社會、經濟帶來巨大損失的重大事故。其次，重大事故引發除涉及各級管理和經濟原因，應在施工技術、設計理論方法上存在重大失誤，只有對引發事故的機理、錯誤設計和施工方案進行深入解析，才能達到事故案例教育的目的。

杭州地鐵湘湖站北2基坑坍塌事故是我國地鐵建設重大事故之一，造成極大的人員傷亡和財產損失，嚴重破壞周圍環境，造成不利的社會影響。事故工程地質條件與場地環境復雜，工程在施工、設計、監測監管等各環節暴露出諸多問題。

文獻[5-7]、[13-16]詳細介紹了該工程場地環境、工程地質、設計施工方案及實施情況，深入分析了事故鏈各方的責任以及施工實施、設計方案存在的重大失誤。針對設計理論存在的問題，李廣信[6,14]指出了穩定分析、地面超載設計、高靈敏度軟土強度選用的設計錯誤；張曠成等[15]對原基坑深部穩定性進行了計算復核，對內支撐設計方案、抗剪強度參數的選取提出建議；陳云敏等[16]研究了深埋地下結構施工對基底土的擾動及其對地基沉降的影響；程雪松等[17-18]對基坑支護體系的冗余度設計與連續破壞機理進行了研究。

2.2 事故致險因素研究

2.2.1 事故致險因素分析

根據事故報告和多位學者對事故機理研究成果，對事故影響因素進行重新梳理和總結。將事故致險因素總結為施工因素、設計因素和環境因素，各因素的關鍵技術問題及對工程安全度和工程風險性影響如圖2所示。

圖2 致險因素關鍵技術問題Fig.2 Key technical problem of the risk factors

設計環節存在設計方案缺陷和理論計算缺陷兩大問題。由于未重視強靈敏度軟粘土的高靈敏特性，設計中出現地連墻嵌固深度不足、基坑抗隆起穩定和抗踢腳穩定性不足以及土體抗剪強度指標、地面超載計算強度指標和基坑圍護設計參數選用不合理情況，大大降低了設計安全度。

施工環節存在施工組織不嚴密、忽視施工關鍵技術、隨意變更設計方案等問題。其中施工未分區分段開挖、土方超挖是導致事故發生的重要原因，極大增加了施工的風險性；施工取消基底加固方案、變更基坑降水方案降低了工程的安全度；對鋼管支撐連接構造處理簡單增大了支護結構的易損性；對監測數據忽視和對事故征兆的草率處置為重大事故發生埋下隱患。

環境因素考慮場地條件、施工環境和天氣影響。工程場地為深厚的淤泥及淤泥質黏土層，臨近市政大道的往復車輛、施工重型車輛的動力和重復荷載作用加大了對高靈敏性軟粘土的擾動，持續降雨降低了土的抗剪強度、增大了土壓力，使支護體系安全度進一步降低。

2.2.2 致險因素推動事故發生作用

將事故致險因素進一步歸類，按照各因素對推動事故發生的作用效應不同區分主次因素，依次為：工程施工組織與技術缺陷、工程設計方案缺陷(含方案變更)、工程理論計算缺陷、環境因素，如圖3所示。其中違規施工、基坑嚴重超挖、支撐系統缺陷等工程施工組織和技術缺陷是事故調查報告給出的事故直接原因，確定為引發事故的主要因素；工程設計方案缺陷與變更使得基坑整體設計體系可靠性不足、魯棒性和冗余度不足、工程防連續倒塌性能不足，確定為第2因素；具體的設計理論計算雖然存在參數取值不合理、穩定性驗算不足等問題，但只是安全系數未達到規定要求，確定為第3因素，環境因素促使了事故的引發，為第4因素。

圖3 致險因素推動事故發生作用Fig.3 Roles of the risk factors pushing accident occurrence

3 仿真系統方案設計

根據面向對象的原則，結合系統功能需求和事故案例特點進行虛擬仿真系統方案設計。系統要求同時實現專業教育、崗前培訓與安全教育、安全監察監管培訓功能。專業教育要求對設計施工方案方法進行詳細解讀，理論依據可靠，具有一定的專業深度；施工崗前培訓與安全教育要求涉及的施工技術要點準確、對錯誤的施工組織與技術重點提示、注重事故征兆和事故發生發展過程、體驗災難場景的震撼性；安全監察監管培訓功能重點為工程監管、應急救援與事故處理。

綜合上述分析，確定虛擬仿真系統模塊構成，包含工程概況、事故再現、事故分析、應急救援與事故處理4大模塊，下設15個分級菜單。工程概況包括場地環境、工程地質、工程設計、工程施工4部分內容；事故再現包括事故預兆、事故情景再現和現場破壞描述；事故分析包含設計分析、施工分析、管理分析；應急救援與事故處理包含應急救援、事故調查、行政處罰3部分。其中施工分析包括安全施工與環境監測、施工技術分析、正確施工流程3方面內容。仿真系統模塊設計框架如圖4所示。

圖4 仿真系統模塊設計Fig.4 Module design of the simulation system

系統展示重點為施工場景還原、深基坑施工流程與工藝、事故發生發展過程。對錯誤的施工方案、施工流程及錯誤工藝進行全過程動畫模擬，展示直觀的施工場景；對設計、監測、環境等因素的影響，在不同階段、采取不同形式予以說明和提示；事故發生發展過程、基坑整體坍塌和引發周圍環境破壞的災難場景，采取三維動畫和場景漫游形式進行事故情景再現；其他模塊以文本形式為主。

4 虛擬仿真系統制作與實現

4.1 系統開發工具

虛擬仿真系統采用Unity3d作為開發工具，C#為軟件編程語言，應用3ds Max創建動畫模型。C#是Unity3d開發的首選語言，綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率。Unity3d是一款適于創建建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型開發工具，Unity支持C#腳本語言，支持大部分3D模型，動畫實現自動瞬時導入。3ds Max與Unity3d技術結合，是構建建筑工程虛擬現實三維場景的最佳平臺。

4.2 基坑場景創建

根據原場地布置圖、GPS衛星圖、事故圖片等資料創建原建設場地周邊環境，真實還原周邊建筑、道路、學校操場、建設河等場地全貌。根據原工程設計、施工資料創建工程建設場景模型，重現基坑開挖和支護的建造過程，展示基坑施工錯綜復雜的空間關系、繁瑣的工序。

模型創建包括場地場景模型、建筑模型、工程模型、工程構件與機具設備模型。為實現模型的逼真效果，幾何模型采用3ds max創建，應用Photo Shop進行圖形處理，Unfold3D作為UV展開工具，Substance Painter進行貼圖繪制，應用Z-Brush工具對幾何模型進行優化和材質的賦予。圖5為事故基坑場景和典型的工程隱患。

圖5 事故基坑典型場景及工程隱患Fig.5 Sign of the foundation pit and hidden dangers

4.3 事故災難場景3D再現

4.3.1 事故關鍵事件及其相互關系

事故災難場景再現以事故征兆、事故發生發展過程和現場破壞場景為主要內容，再現了從路面開裂下沉、鋼管支撐破壞、擋土墻破裂，到路面塌陷、基坑坍塌、支撐體系打翻散落、河水倒灌涌入基坑的整個事故流程和災難場景。

事故場景設計關鍵是構建清晰的事件發生次序、建立事件間的關聯性，突出事故突發后的4個災難場景及其發生發展過程。事故情景再現關鍵事件及其相互關系如圖6所示。

圖6 事故情景再現關鍵事件Fig.6 Key events of the accident scene emersion

4.3.2 事故征兆與事故引發環境因素

提出對事故征兆草率處理以及對監測數據的忽視會引發重大事故的警示，同時突出施工邊載以及持續性降雨等環境因素增大軟土擾動對基坑坍塌的影響。事故典型征兆及環境場景如圖7所示。

圖7(a)為關鍵事故預兆場景，展示事故發生1個月前發生的路面開裂、地連墻開裂現象，事故發生前1周機動車道、人行道出現的多處裂縫，事故發生前2天測得超過警戒值的基坑擋墻最大側向位移等畫面。圖7(b)為事故引發環境因素場景，突出基坑相鄰道路川流不息的來往車輛、基坑一側重型施工機械及施工堆載場景。

圖7 事故征兆與環境場景Fig.7 The sign of the accidents and environments

4.3.3 事故災難場景

事故典型場景畫面如圖8所示。

1)在模型演示過程中，首先出現事故突發關鍵節點場景，停在基坑施工現場西側風情大道的十幾輛車重成為引發基坑垮塌的“最后一根稻草”[14]，即臨界荷載。伴隨背景音樂，畫面暫停，場景突出紅燈、車輛、基坑，預示災難事件來臨。

2)圖8(a)為路面坍塌場景，展現路面開裂下沉、車輛搖晃傾斜、突然間大面積坍塌、地下管道水涌出、路面及車輛淹沒場景。

3)圖8(b)為地連墻破壞與基坑坍塌場景，展現地連墻迅速開裂、鋼筋籠鼓出、混凝土碎裂崩塌的破壞過程，突出展現基坑整體轟然坍塌的災難場景。

4)圖8(c)為場地整體破壞場景，展現鋼管支撐系統突然打翻、傾倒散落于基坑，建設河河水向坍塌基坑漫延場景。

5)圖8(d)為河水倒灌涌入基坑，從擋土墻裂隙噴涌入基坑場景。

4.3.4 事故場景制作技術

事故發生發展過程場景涉及流體動畫、破碎動畫、塌陷動畫、線性環繞等非常規性寫實動畫的實現，需要分析各動畫特點屬性，明確效果要求、匹配技術手段、對應工具插件等。各場景制作技術與流程如下：

1)路面、擋土墻坍塌場景：路面、擋土墻等幾何模型及物理模型單元化破碎→碎塊綁定及坍塌路徑設計→碎塊動畫Ray Fire碰撞模擬→自定義碎塊動畫調節→動作幀數賦予。

圖8 事故3D再現典型場景Fig.8 Typical scenes on the accident 3D reappearance

2)鋼支撐傾覆場景：應用Ray Fire進行碰撞模擬。

3)河水倒灌景象：應用水元素幻影粒子制作，序列幀動態貼圖流動模擬河水漫延。

4)河水涌入基坑景象：應用泥水材質貼圖繪制，進行水面上升動畫模擬、材質貼圖采用動態序列幀調節。

5)事故場景漫游：將攝像機置于不同位置實現場景漫游，以從不同角度體驗基坑坍塌帶來的災難場景，突出事故場景的真實感和震撼力，增強交互性和事故體驗沉浸感。

5 結論

1)重大基坑坍塌事故虛擬仿真系統以杭州地鐵湘湖站北2基坑坍塌事故為素材研究制作。對案例事故涉及的設計、施工、環境3大因素的技術問題進行總結，致險因素按照對推動事故發生所起作用不同依次為工程施工組織與技術缺陷、工程設計方案缺陷、工程理論計算缺陷、環境因素。

2)虛擬仿真系統由工程概況、事故再現、事故分析、應急救援與事故處理4大模塊構成，可同時實現施工崗前培訓與安全教育、專業教育、安全監察監管培訓功能。

3)對工程建設場景及深基坑施工過程進行仿真模擬，展示了基坑錯綜復雜的空間關系及施工工序，以三維動畫方式再現導致事故發生的關鍵因素，對預防同類基坑事故發生具有指導意義。

4)事故場景仿真展示了事故發生瞬間的場地環境變化，再現了路面塌陷、支撐體系失效、基坑坍塌、河水倒灌的事故過程和災難場景。模擬的事故災難場景真實性強，具有較強的震撼力，達到事故警示教育的目的。