【基金标书】2010CB732100-城市地下工程安全性的基础理论研究

项目名称： 城市地下工程安全性的基础理论研究 首席科学家： 张顶立 北京交通大学 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 教育部 一、研究内容 1、 关键科学问题的提出 随着城市地下工程建设规模的迅速增大，安全性问题越来越受到社会的关注，而且也直接影响到学科领域的自身的发展，其中蕴涵着许多亟待解决的重大科学问题，开展系统的基础研究非常迫切。尽管在规范化管理、监控量测以及施工措施细化方面进行了有效的工作，但由于基于经验的工程技术理论没有从本质上认识灾害发生的规律，因此对事故预测和 判断具有很大的局限性，已成为对地下工程安全性实行科学化控制以及技术发展的瓶颈。 本质上，隧道施工引起的地层变形是工程灾害和安全事故发生的根源，因此施工扰动下的地层变形和破坏规律是灾害机制研究的基础，而对地层材料及其结构特性的认识则是分析其演化过程的前提；城市地下工程由于其结构、环境、施工方法的特殊性也使得工 程安全性面临更加复杂的条件。因此应从城市地下工程所处介质的特性、城市地下 工程自身特性 以及城市地下工程灾害类型三 个方面进行分析 归纳关键科学问题 。 地下工程中的灾害是由地层、结构物变形过大或发生破坏所致。结构 物多为金属管线、混凝土结构、砌体结构、木结构等人造结构，其非连续性、非均匀性、流 对来说比较容易研究。而地层的变形与破坏更加复杂，而且影响因素多，且对灾害的研究不仅关系灾害发生时的状态，更关心灾害的演变过程，因而，对应的 第一个科学问题是施工扰动下地层损伤演化规律及变形特点 ，包含的研究内容为地质体的初始状态、本构关系、变形理论、破坏理论。由于地质体与结构物的力学特性相差很大，且人类对地下工程稳定性的控制主要是通过结构物主动或被动对地质体的支护作用来实现的；同时地层在变形传递过程会与相邻构 筑物发生作用，这也是工程灾害和安全事故发生的根源，因而， 第二个关键科学问题是地层 包括地层变形作用下的结构演化过程及破坏机理、灾变形成机制等。对地下工程安全性研究的宗旨是对工程灾害实行科学的控制，因此应在以上两个关键科学问题研究的基础上，引入灾害动力学和控制理论对灾变机理与控制进行研究，因而 第三个关键科学问题是城市地下工程安全性预测与过程控制原理， 包括结构安全评价体系、基于灾害演化特点的安全性预测预报及控制。 2、关键科学问题的内涵 本项目以城市地下工程的安全性为研究对象， 围绕地层变形、破坏特点及演化规律、多体作用及灾变形成机制、安全性控制原理等关键科学问题，通过对施工扰动地层的破坏机理、地层变形传播及其与结构的相互作用特征、灾害演化过程、结构劣化评价及灾害控制的研究，揭示地层变形 机理 及灾害形成机制，构建我国城市地下工程安全性评估和控制的系统科学理论，为我国城市地下工程的发展提供科学的理论依据。本项目拟解决的三个科学问题具体如下： （ 1） 施工扰动下地层损伤演化规律及变形特点 考虑到地层的非均质性和结构效应，建立土体多尺度模型，从宏、细观多个角度和结构稳定性的层面上分析地层的 损伤破坏机理；建立地层破坏的判别准则，并基于典型地层条件对影响地层稳定性的主要因素进行系统分析，形成相应的评价指标体系；基于地层缺陷的影响分析，考虑不良地质体的尺度效应 ， 建立不良地质体对地层结构稳定性的影响关系 ；根据地下工程的施工特点，依据施工过程力学原理，通过试验及模拟建立起地层开挖与周围地层之间的动态关系，并考虑地层的蠕变特性；基于典型地层条件，建立施工扰动影响的地层沉降模型，揭示不同沉降模式下的地层变形演化机理，并提出沉降量的预测方法；应用非线性叠加原理分析群洞施工的相互影响，提出评价标准和评价方法； 分析隧道围岩渐进破坏特点，描述失稳演化过程和规律；建立地层变形的多尺度模型，为变形量的预测提供依据；考虑到工程尺度的影响关系，建立上覆地层的结构模型，用以确定基于安全性的合理埋置深度。 （ 2） 地层与结构的动态相互作用关系及灾变机制 分析受扰动地层的变形及其传播规律，建立位移场计算模型；分别采用分离法和耦合法研究地层变形对结构的影响规律；动荷载作用下土体与结构的相互作用关系；建立地层变形与结构的动态作用模型，分析土体变形作用下的结构破坏机理及演化过程；结构变形、破坏对土体稳定性的影响规律；新建结构对既有结构 的影响规律及评价方法，用以确定地下结构的保护范围和技术要求；研究水荷载及渗流场影响下的“土体 用关系，为地下结构防排水方案及结构荷载的确定提供依据；研究地层与结构的失效模式与失效机理，分析地下工程灾害形成的条件和判别准则； 通过 试验和模拟地下工程典型安全事故的演化过程，获取过程拐点，为事故的预测预报提供依据； 建立 地下结构及地面基础结构的劣化模型 ， 为长期稳定性判别准则的确定提供参考；分析地下结构的破坏指标和标准，作为健康监测方案制定的依据。 （ 3） 城市地下工程安全性预测与过程控制原理 研究施工影响范围 内地层变形与结构稳定性的关系，用以确定地层破坏及其诱发安全事故的判别准则和标准； 制定 受影响建（构）筑物的变形控制标准，并根据预测结果对安全风险进行评价，给出安全性等级；基于非线性动力学理论，建立城市地下工程安全风险控制模型；研究地下工程与安全相关的性能参数正交完备集，建立这些参数的关键指标；基于施工过程力学和非线性力学建立地层及结构变形的动态控制理论，形成“过程控制”的原理和方法；揭示地层加固和修复机理，探讨约束条件下的结构修复方法，以便在必要时 实行 “过程恢复”和“工后恢复”；建立基于仿真、试验、模拟和系统 集成的安全风险控制和灾变救护理论体系。 3、主要研究内容 本项目的研究以揭示城市地下工程安全事故及灾变的形成机理和演化规律为核心，以 最大限度地 降低或避免重大安全事故为目的，采用 岩土力学、结构力学、工程地质学、隧道与地下工程、工程灾害学、非线性动力学以及信息和控制科学等 综合交叉学科进行系统研究。为此，从地层变形及其与结构的 相互 作用本质出发，重点 对地层变形模式、灾变机理及控制原理进行研究，主要研究如下： （ 1） 多尺度土体与结构的破坏机理及演化过程 基于地层的宏、细观结构及变形局部化的观点建立复杂地层的破坏模型， 探索地层土体的失效模式。 分别采用宏、细观结构理论，在工程尺度概念上将地层视为一个结构体，对结构的稳定性进行分析和评价，建立相应的判别准则，从而对地层的破坏过程作出描述，揭示地层破坏机理；同时考虑到各种因素的影响以及地层不均匀性引起的应变局部化效应，由此对地层的破坏发展过程进行描述；考虑到地层中各种缺陷的影响，建立起评价体系，从而对其影响关系作出描述。 主要包括： 1）不同尺度土体与结构的力学效应及力学行为。 研究地质体力学参数探测方法及量测系统 ， 建立多尺度 土 体的内在联系 ， 进行不同尺度地质体力学参数反演及识别方 法研究 ，建立多场耦合变形的数值模型。 2）地层变形的逐渐破损理论。研究应变局部化的启动 准则与土的非线性特性，再现地层渐进破坏过程，揭示其渐进破坏的尺度效应及场地土与城市基础设施动力相互作用机理，提出相应的破坏模式和分析理论。 3）尺度对地层及结构安全性的影响规律。针对地层中的典型不良地质体，通过与工程尺度的对比分析，揭示其影响规律， 建立不同尺度复杂地质体力学模型，给出确定地质体力学参数的方法。 4）不良地质体对地层力学特性及变形特性的多尺度影响特点。利用 度复杂地质体 多 尺 度 力学模型， 研究不良地质体对地层力学的 影响，重点分析特殊不良地质体对地层力学特性及变形特性的多尺度影响机理，建立不良地质体多尺度评价体系。 5） 典型 地层的破坏准则及评价体系。 利 用考虑大尺度场地和 局部精细化计 算的 三维 多尺度数值模拟方法 ， 研究土体结构尺度和施工尺度对工程安全性的影响机制与规律，分析 典型 地层的破坏准则及建立相应的评价体系，量化安全评价体系。 （ 2） 施工扰动下复杂地层的变形机制研究 应用施工过程力学的原理，建立施工影响的动态力学模型，并对地层变形和传播规律进行模拟和预测 。 重点 分析施工引起的地层变形及其传播规律，建立不同地层受施工影响的 沉降模式，对地层变形进行预测；考虑上覆地层变形的结构特点和时空效应，提出城市地下工程 基于安全性的 合理埋深的优化方法； 研究 施工行为造成的失水效应及其对地层固结的影响，建立三场耦合作用下地层变形演化模型； 描述 地层位移与施工步序之间的动态关系；探索结构物及地面荷载对地层变形演化过程的影响规律。 主要包括： 1）地层施工扰动的过程力学特性及控制原理。揭示开挖卸荷引起地层应力应变状态及其变化规律，建立起施工步序与地层变形的动态关系，对地层变形演化过程作出整体的描述，提出地表沉降值的时效特征及控制原理。 2）施工引起的 地层固结及其影响作用。揭示施工降水引起的地层固结沉降特点，建立三场耦合作用下地层变形演化模型，揭示地层失水与施工扰动引起的综合作用结果。 3）地层变形传播规律及沉降模式。建立地层变形的演化模型，分析隧道开挖尺度与地层变形的动态关系，建立起不同地层条件下的地层沉降模型，用以分析其水平和竖向传播规律。 4）大型洞室及地下洞群施工的时空效应分析。应用非线性理论原理， 提出大型洞室的施工步序施工方案优化方法，揭示不同洞室施工力学转换机理，提出大型洞室合理尺度的确定方法，分析不同洞室的相互影响关系，确定洞室群合理间距及 施工顺序。 5）施工环境下的地层沉降。分析地层缺陷对沉降传播的影响规律，探索结构物及地面荷载对地层变形演化过程的影响规律，基于 波变换的方法对地表沉降数据序列进行多尺度特征分析，给出不同尺度的强弱和分布情况以及沉降变化的趋势和突变点。 6）地层沉降过程的模拟与预测方法。综合施工开挖和固结沉降的 影响 效应，对施工引起的地层沉降进行模拟和仿真，建立地层沉降及其对周边环境影响的预测方法；通过对地层变形的结构效应和时空效应的分析，提出 了保证 地下工程安全性的合理埋深优化方法。 7）地层变形及传递过程的精细 化监测。基于地层结构效应及跨尺度破坏特点，建立其变形过程的测试理论与方法，尤其对细观结构失稳与地层整体变形及其传递规律实施精细化的监控量测，为过程控制理论提供依据。 （ 3）多场条件下的多体相互作用机理 建立多场耦合作用下的土体与结构相互作用模型，可对结构的安全性作出评价 。 核心问题是建立地层与结构相互作用的力学模型，同时考虑到水及动荷载的影响。分析城市地下工程中地层与结构的相互作用特点及其力学特征； 分析 不同类型地层、结构及其相互位置关系的作用效应，建立评价体系和方法对 其 作用结果作出判断；分析新建工程对既有结构 物的作用规律，进而给出既有地下结构周围允许施工的空间范围； 研究 车辆振动在地层中的传播规律及其对周围结构物的影响关系； 提出 地下结构水 荷载的设计理论和方法；新建结构与既有结构土体的力学特性及合理间距 的确定方法。 主要包括： 1）地下工程多体相互作用的力学特征。 以土水压力和“土体结构”的相互作用为主线，考虑多种荷载和多场的耦合作用，在多种尺度上剖析城市地下工程所涉及到的多体相互作用的主要力学特征。 2）多场作用下的土体与结构动态作用关系。 考虑城市地下工程多体系统中的多场耦合作用以及动态变化特性，研究在此条件下的 土体的本构关系及适用性、土与结构物间的接触特性，分析多场作用下土体与结构的动态作用关系。 3）动荷载环境下的土体与结构作用关系。 通过对典型土样以及土与结构接触面的动力特性试验、土与结构物的振动离心模型试验，研究动荷载下土体与结构的相互作用关系及破坏特征。 4）施工影响下的结构破坏机理及安全性评价。重点分析 地下工程施工引起的安全事故以及导致邻近建筑物破坏主 的 要原因，针对各种影响因素的主次关系给出安全评价的指标体系、权重和分析方法。 5）新建工程与既有结构的相互作用关系规律。 通过模型试验和数值模拟研究新建工程与 既有结构在时空上相互影响、相互作用的关系，建立控制新建工程施工和运行的指导性原则。 （ 4）城市地下工程灾变演化规律及预测 建立地层及结构稳定性的评价体系，揭示不同类型安全事故的发生机理 。 从工程结构安全和环境影响两个方面对地下工程的安全性进行评价。 重点分析大尺度地下结构的可靠性、分步施工过程中的力学转化规律，对关键施工步序下的结构安全性进行评述；分析地层与工程结构的失效模式及发生条 件 ，揭示不同类型灾害的形成机理；典型灾害过程的模拟与仿真；灾害发生过程的多因素分析与预测方法；城市地下工程建设灾害的预警、报警机制 及管理系统。 主要包括： 1）城市地下工程灾变类型及分析。 系统调研国内外城市地下工程灾害状况，分析各 类 灾害发生的特点及其引发的次生灾害类型，根据不同的灾害损失后果，建立城市地下工程灾变分类 体系 。 2）城市地下工程 影响下 地层与结构的失效模式及灾变机理。 研究城市地下工程地层变形与结构的相互作用模式，系统分析不同地层变形作用下典型结构的失效模式以及不同结构失效模式下的灾变机理。 3）城市地下工程典型灾变演化过程的模拟试验。 采用离心机模型试验分析城市地下工程渐进性灾变破坏过程及引发的灾害演化过程；采用数值模拟方法及灾害调查结果，对典型灾变的演化过程进行验证。 4）城市地下工程地层及结构的失效判别指标及破坏准则研究。针对城市地下工程典型灾变演化模式，确定地层与结构的失效指标，建立不同地下工程典型灾变破坏准则；研究周边临近构筑物的失效指标，并制定其破坏准则。 5）城市地下工程典型灾变预测模型、灾害预测方法及灾害预警标准。建立多种因素作用下的城市地下工程典型灾变预测模型，针对不同的灾变类型及演化后果，建立城市地下工程灾害预测方法；提出城市地下工程灾害预警标准。 6）地层与结构作用过程的监测与控制方法。建立“地层 用 过程的监控体系，尤其对地下结构物的安全状态实施直接和间接的监测，并及时反馈信息，提高安全性控制水平。 （ 5）复杂环境作用下地下结构的长期安全性及其预测方法 建立地下结构的劣化模型，分析结构失稳机理并确定控制指标和标准，由此制定工程结构的长期健康监测系统 。 建立地下结构耐久性的评价体系，分别对地下结构在复杂环境下的长期稳定性及动载作用下的可靠性进行研究；新建结构对既有结构的影响 ， 重点考察对既有结构安全性和耐久性的影响，建立既有结 构损伤演化模型，为既有结构的预加固和预处理提供理论依据；根据具体 结构的损伤劣化特点提 出结构健康监测方法。 主要包括： 1）城市地下结构的耐久性及长期安全性特点。 分析城市地下结构的环境特点，探索影响城市地下结构耐久性的主要因素；分析地下结构的稳定性特点，建立地下结构长期安全性的评价体系； 明确 提高地下结构耐久性的技术思路。 2）强动力作用下的结构破坏特点和安全性评价。 重点分析城市轨道交通运营的振动对地下结构损伤演化特点，揭示其影响机理； 研究 列车振动在地层中的传播规律及其对邻近地下结构的影响规律。 3）环境影响下结构性能劣化机理及过程。 建立地下结构性能劣化的分析模型，揭示地下结构在复杂环境影响下 的劣化机理；分析结构劣化的主要影响因素，描述 劣化 和破坏过程。 4）近接施工对既有工程结构的影响规律。 分析既有结构在给定变形条件下的安全性及其评价方法，建立结构安全性的评价体系，并给出新建结构的施工优化方法。 5）结构性能劣化的计算模型。 结合地下结构的复杂环 境及受力特点，建立结构性能劣化的计算分析模型，并采用数值计算 获得评价方法。 （ 6）灾害环境下地下工程安全性控制原理和方法 采用非线性动力学理论建立地下工程安全性的控制体系，实现对工程的全过程控制 。 从典型安全事故和重大灾变的发生机理入手，分析主要影响和诱发因 素，从而建立起安全性控制的理论和方法。基于过程论的观点，建立起城市地下工程安全性的过程控制理论；依据地层与结构的作用关系，提出重要结构物控制标准的确定方法；结构物注浆抬升的原理和方法；受损结构物的修复理论和方法；复杂环境条件下地下结构长期安全性的评价理论和方法。 主要包括： 1）典型结构的变形控制标准及评估体系。研究地下结构变形非线性反应模拟的精细化建模方法和模型，获得地层变形作用下的结构反应与损伤状态、性能指标参数之间的关系，建立起结构变形控制的评价体系。 2）地层与结构变形控制标准的确定。通过地层与结构 相互作用关系的分析，建立结构变形控制标准的确定方法；综合考虑地层变形的 非线性特点，进而提高相应地层控制标准的确定方法。 3）地层及结构的非线性控制理论。按照结构变形与施工过程的动态关系，建立起两者的动态响应规律，以此作为过程控制的基础；依据控制论原理，建立起动态控制的修正模型。 4）受扰动地层的加固与修复原理。发展结构变形与周边土体的相关性评价理论，建立地层 加固 对结构的影响关系；研究结构修复的安全性，揭示结构状态修复机理。 5）地下工程安全风险控制理论体系。提出 地下工程的安全风险辨识模式和分析模型，按照系统 论的观点，建立起完善的安全风险控制系统。 在对基础理论、灾害发生机理以 及控制原理研究的基础上，进行系统 集成，建立起典型城市地下工程安全性的综合控制平台，包括安全风险的控制系统和技术标准等，可以 再现 和 预测灾害的发生过程，形成灾害防治、长期安全性 控制 的依据 。结合世界范围内的工程事故案例 和上述控制理论，分别作为案例库和知识库，编制专家系统软件；根据我国城市的地层、水文条件、区位、环境、历史和文化差异，选择北京和深圳两个典型城市分别完成可操作性的管理系统平台。 二、预期目标 （一）总体目标 通过 对施工影 响下地层损伤演化和变形机制、地层与结构的动态作用关系、灾害发生机理等问题的系统 研究 ， 建立我国城市地下工程安全性控制 的 理论体系，为城市地下空间开发的规划、建设以及城市轨道交通等重大基础设施建设的安全风险控制提供理论基础， 显著 改善我国 城市地下 工程建设的安全形势；使重大工程决策和安全性管理更具科学化、前瞻性和可控制性，为 城市地下 工程科学对策的制定提供依据，为城市的协调和可持续发展作出贡献；并 通过学科的交叉和融合， 凝聚和培养 一批城市地下工程安全性控制的高水平研究 人才 ，建立和完善先进的 城市 地下工程研究平台，为城市社会 经济发展和学科的持续技术进步奠定坚实的基础。 （二）五年预期目标 本项目的预期目标如下： （ 1）基于不同尺度土体的变形演化特点、变形局部化及渗透耦合力学行为的分析，建立地层稳定性的评价体系和方法，以此对典型地层的破坏特点作出评述；针对不同地层受扰动影响的特点，建立不同地层沉降模式下的力学模型，由此可对地层总体沉降状况和控制要点作出判断；考虑施工过程特点及其扰动地层变形演化规律，建立地层位态与施工行为的动态定量化关系，实现过程再现；依据施工影响范围的分析和稳定性分析， 建立隧道覆盖层厚度与地表沉降之间的定量关系 ，提出临界埋深的确定 方法。本项成果可为扰动地层与结构的相互作用关系及灾害机理的分析提供基础。 （ 2）依据地层受施工扰动后的应力状态及其与结构空间关系，建立不同作用模式下的“地层 结构”相互作用关系，并对作用结果 作出定量分析和描述；依据结构状态改变后周围土体的响应特点，并考虑水的渗透影响，对结构的稳定性进行预测，进而提出新建工程施工的极限影响范围；通过理论分析和试验研究，提出施工行为对结构物的影响模式和类型，以此为城市地下空间开发规划和设计提供指导。 （ 3）分析城市地下工程建设中的主要灾害类型，对其产生的背景 、诱因进行归纳和总结，作为安全性分析的基础；研究地层在水作用 下 的破坏模式，描述其发展过程，建立损伤演化模型，揭示地层坍塌发生机理；发展城市建（构）筑物失效模式的分析方法，提高结构 的 抗变形能力 ， 并建立施工扰动结构安全性的等级划分体系，给出划分的方法；建立城市地下工程的灾变预测模型，研制重大灾变的预警、报警系统。 （ 4）建立城市地下结构在复杂环境下的劣化模型，描述其损伤、破坏和灾变形成过程，建立结构劣化参数与安全性之间的定量评价关系；提出地下结构的病害检测和评价方法，制定相应的技术指标和标准，规范检测评估工作； 重点分析新建工程对既有结构的影响关系，为新建工程的设计、施工及既有结构的保护提供理论依据。 （ 5）根据城市地下工程典型灾变的形成机制，建立灾害控制体系，提出安全性控制的基本思路和方法；建立重大灾害的过程控制理论，完善地层与结构变形和安全性状态的变位分配方法；建立结构修复的系统理论，重点揭示结构注浆抬升的机理，形成系统的理论认识；集成综合技术，构建综合控制平台，并给出2 个典型城市的综合控制方案。 本项目集中我国在城市地下工程领域中最核心的研究力量，研究阵容强大，并拟开展国际合作。通过本项目的研究，拟发表高水平 论文 300 篇左右，其中 录论文 200 篇以上，完成 5 6 部高水平的学术专著（其中外文出版2 部），申请发明专利 20 项，开发具有自主知识产权的系统软件 5 套；培养博士研究生 50 名左右，造就 5 6 名面向学科前沿、自主创新能力强、具有较大国际影响的中青年科学家，整体提升我国 在 该领域的国际地位，实现我国 由 地下工程大国向地下工程强国的跨越。 考虑到本项目的研究直接面对城市地下工程安全建设的重大需求，研究成果的技术转化力较强，工程需求迫切，因此在对北京和深圳两个城市进行工程应用的基础上，建立城市地下工程安全性控 制系统平台，完成城市地下工程安全性控制技术指南，并为城市地下工程设计规范提供完整的技术资料。 三、研究方案 （一）学术思路 本项目涉及土力学、施工过程力学、隧道及地下工程、结构力学、非线性动力学、灾害动力学、控制理论等多个学科分支，必须通过多学科交叉与融合研究，认识和揭示城市地下工程变形和破坏的演化机理，建立城市地下工程安全性评、预测与控制的基本理论，发展 和 提高城市地下工程安全性的科学体系。 本项目的学术思路是以复杂环境下的城市地下工程为研究对象，围绕开挖扰动作用、土 结构体失效破坏与控制等关键 科学问题，在我国大规模开发城市地下空间中现场观测和资料积累基础上，利用多尺度理论和先进的试验与计算手段，研究城市地下工程中灾害的特征、形成机理、模拟和预测 方法 ；依托近些年申请单位投资兴建的大型隧道试验台、土工离心机模型、现场原位试验设施，结合多种研究手段，针对复杂条件下城市地下工程的灾害与安全性的控制原理进行研究； 通过我国多个城市地下空间开发中发生的灾害 实测资料进行验证，形成城市地下工程安全性控制的理论体系。 （二）技术途径 城市地下工程是巨型复杂系统，地下工程的灾变是由微观向宏观发展的跨尺度演变过程，揭 示城市地下工程灾变机理与控制的理论和对策，需要解决三个科学难点：（ 1）多尺度耦合条件下土体 结构破坏演化机理；（ 2）多因素耦合作用下城市地下工程灾变非线性演化过程；（ 3）城市地下工程安全性预测与定量化控制理论。 解决第一个科学难点主要通过下列途径：采用现代岩土工程试验技术与非线性动力学、多尺度理论、损伤力学理论与方法，结合现场测试，研究城市地下工程从土体、构件到土 结构体系统的损伤破坏动力学行为的多尺度建模理论与方法；应用高效实用的计算方法和并行计算技术，基于地层细观结构特征，研究复杂环境下地下工程的多尺度非线性损伤演化规律和破坏机理。 解决第二个科学难点主要通过下列途径：利用最近十几年获得的城市地下工程观测数据和灾害实例数据，结合土工离心机模型试验，采用多尺度模型，建立基于微观和宏观耦合的数值计算模型，借助并行计算技术，研究多因素条件下城市地下工程灾变的非线性演化过程。结合城市地下空间的多尺度、多场、多体的特性，模拟预测城市地下工程的破坏特征与机理，提出其理论表述方 法，揭示其形成机理。 解决第三个科学难点主要通过下列途径：从灾变演化过程入手，研究城市地下空间开挖扰动过程中能量转移、吸收与耗散机理和分布规律，以此为基础，建立控制指标的 变位 分配原理。针对分配指标，建立多步骤、分阶段的控制理论，区别性地优化和提高细部与整体的安全性，达到量化安全控制的目的。以多个典型的城市地下工程为验证和考核实例，反馈和完善提出的理论。 （三）创新点与特色 与国际同类研究和前期研究相比，本项目具有以下创新和特色： 1. 建立考虑多尺度耦合、局部化损伤与整体功能失效的动态演化预测模型，揭示 城市地下工程灾变机理，改变长期以来城市地下空间的安全性采用综合考虑经验数据、专家意见和简单模型的半经验的评估与预测方法，建立考虑城市地下工程损伤演化、破坏直至灾害过程的定量分析方法和预测理论，为城市安全性定量评价理论的发展奠定坚实的基础。 2. 拓展传统安全评估与控制的内涵，提出城市地下工程失效模式优化与控制方法，建立土 结构非线性破坏控制理论，为工程由构件安全验算到细部与结构整体安全能力相结合的设计奠定科学基础；发展复杂环境下城市地下工程非线性灾变过程的多尺度精细化高效数值模拟和大尺度试验方法，提出城市地 下工程安全性设计理论，构建城市工程细部与整体安全性能力的理论评价体系，为地下结构从安全设计转向性能设计提供理论基础。 3. 提出并研究地下工程安全性控制指标的变位分配原理。以施工过程力学和非线性控制理论为基础，从灾变演化过程入手，研究变位分配原理的基础、内涵以及实施规则。针对分配指标，建立多步骤、分阶段的控制理论，区别性地优化和提高细部与整体的安全性，达到量化安全控制的目的。 （四）取得重大突破的可行性分析 1. 近十年来国内进行了大规模的地下空间开发，曾经发生过多次重大安全事故，积累的相关资料可以作为 本项目研究应用的基础数据，相应的灾害给本项目研究揭示城市地下工程安全性与灾害控制以直观的认识、启示和理论验证实例。本项目申请单位北京交通大学已经将北京地铁从 1990年到 2006年地铁事故案例与分析汇编成册，系统地分析了各类灾害发生的机理。北京交通大学、西南交通大学和中科院武汉岩 土所也分别广州、深圳、南京、沈阳等城市地铁建设中开展了有关安全性 的研究工作。这些地区是我国城市地下空间开发的重点地区，也是具有代表性的典型地区。此外，国外工程的详尽资料也为本项目开展城市地下工程安全性评估、灾害预测和控制研究提供了十分 有利的条件。 2. 现场观测、实验室试验、数值计算和高新技术是本项目研究的重要手段，我国在这些研究手段方面已经具备良好的条件。项目牵头单位是我国较早开展城市地下工程设计理论和施工技术研究的单位，近年来又在国内率先开展了安全风险控制的研究和实践，取得了公认的研究成果。北京交通大学拥有国内唯一的双层地下试验隧道以及可模拟多场耦合作用下地下结构与围岩作用的大型试验台；在 进行大规模数值模拟。清华大学具有先进的土工离心机，可满足本项目地层力学特性方面研究的需要；中科院武汉岩 土所建有岩土力学及工程国家重点实验室，可完成本项目的相关实验研究。最近几年，我国木工程结构试验设备得到了很好的更新和升级，项目申请单位的试验设备，无论从数量和性能都已经接近经济发达国家的试验条件，试验技术得到了很大的发展；非线性理论和大型土木工程数值计算在城市地下工程研究中得到了初步应用。上述条件为本项目的实施提供了坚实的技术支撑。 3相关科学进展为本项目的研究奠定了良好的基础。项目申报单位承担的多项国家级项目，以及省市级项目均涉及城市地下工程灾害的研究，构建了本项目良好的学术基础；我国许多城市地下空间的 开发中都建立了灾害评估管理系统，为城市地下工程安全性理论的研究与验证提供了直接可用的数据。北京交通大学针对城市地下工程建设安全性控制原理及应用技术， 自 2001 年 以来， 结合深圳、北京、天津地铁和大连城市隧道工程进行开发研究，形成整体技术成果，之后在北京、沈阳、西安、苏州、广州地铁以及武广铁路客运专线金沙洲隧道、南水北调工程北京段西四环暗涵工程、厦门机场路隧道工程等地下工程建设中得到了推广应用，确保了工程安全。在国内外发表了学术论文 60 多篇，其中 I 收录 40 余篇；已申请国家发明专利 4 项，其中已授权 1 项， 软件著作权 1项；先后获得教育部科学技术进步一等奖 1 项，北京市科学技术进步一等奖 1项、二等奖 2 项。这一阶段的研究 重点在于解决技术层面的问题，对相关基础理论的研究提出的较高的需求。应对此需求， 2005 年至今研究的重点逐步转向基础研究，为申报项目的研究 提供 了基础。实现理论突破以后，所形成的全新技术将会提高到一个更高的层次 。本项目的参加单位近年来也对城市地下工程的环境影响、控制、地下结构耐久性开展了系统的研究，尤其对土体的结构特性及跨尺度特性、变形测试等问题进行了大量的研究工作，对某些特殊地层变形特点进行总体提升， 可作为本项目的工作基础。 4. 近年来，我国地下空间的开发规模居世界首位 ，在地下工程和风险管理的学术研究上积累了较多的研究成果，同时也培养了一支老中青结合的高水平研究队伍。本项目通过多部门学科交叉研究，组建由年轻学者领头、多名院士指导和几十位骨干研究者参与的高水平队伍，将在城市地下工程安全性基础理论研究上取得突破和创新成果，实现我国城市地下工程安全性评估与控制的跨越式发展，并培养一支具有自主创新和有国际影响的研究 团队 。 （五 ） 各课题间相互关系 为有效地开展研究工作，本项目拟设置以下 6 个相对独立、但又彼此 联系的课题开展研究： 1多尺度土体与结构的破坏机理及演化过程 2施工扰动下复杂地层的变形机制研究 3多场作用下的多体相互作用机理 4城市地下工程灾变演化规律及预测 5复杂环境作用下地下结构的长期安全性及其预测方法 6灾害环境下地下工程安全性控制原理和方法 六个课题以项目的总体目标为龙头、总体科学思路为主线，按照各自的特点，在研究内容上各有侧重，形成一个依次递进、互相关联的有机整体（图 ）。第一个课题重点揭示城市地下工程中土体 结构的破坏力学特性；第二课题揭示城市地下工程施工中复杂地层的变形机理 及传递 规律 ；课题三研究 多场作用下的多体相互作用机理 。课题一、二、三是整个项目的基础。课题四、五分别研究施工期和使用期 城市地下工程灾变演化规律及预测 ，是项目的核心研究内容。课题六研究复杂环境作用下地下结构的安全性及其预测方法 、 灾害环境下地下工程安全性控制原理和方法 ，是实现总体目标的关键性课题。 图 项目课题设置及其关系 课题一 课题二 课题三 课题四 课题五 课题六 土力学 结构力学 施工力学 工程地质 土力学 动力学 灾害动力学 控制理论 地层与结构的动态相互作用及灾变机制 城市地下工程安全性控制原理 灾害动力学 破坏模型 变形模型 相互作用模型 工程建设安全性控制理论 工程服役期 安全控制理论 施工扰动下地层变形与破坏的演化机理和特点 城市地下工程安全性预测与过程控制原理 四、年度计划 研究内容 预期目标 第 一 年 定详细的实施方案，项目分解并明确分工。 2. 开展专题的城市 地下工程案例调查，对不同典型地区、典型工程地质条件下的工程案例进行系统调查、分类、分析 ,收集和分析我国已建城市地下工程的相关资料，包括应力变形监测数据和典型事故案例。 制室内小型的颗粒材料细观力学测试设备，研究测试技术与和测试方法； 制订土体及土 3 个典型城市地下工程为课题依托，进行详细地分析和典型土体的取样 ,进行现场参数测定 ,并从现场 钻 取几种代表性土样，进行基本物理特性和三轴应力应变实验；针对不同的工程条件进 行 3 5 台室内模型试验，重点研究隧道施工的过程力学特点和变形演化规律； 析各灾害发生的特点及其引发的次生灾害类型；根据不同的灾害损失后果，建立城市地下工程灾变分类。 下结构耐久性的影响因素、列车动荷载曲线、列车荷载对地下结构的动力作用、地震和爆破作用地下结构的动力响应、地下结构荷载特性、近接施工对地层的扰动、城市地下结构健康与安全状态的监测原理。 够考虑地下结构与环境介质、环境结构物耦合作 用的精细化分析模型。 置和改造的基本思路，初步确定试验方法并论证其可行性； 完成 颗小型粒细观力学测试装置的研制与开发 ，完成 小型颗粒细观力学测试装置的详细实验方案 , 初步完成无线智能量测系统 . 建工程与既有结构相互作用特点、多场耦合基本特点、常见事故类型及原因等；对典型工程进行土层及结构概化，对典型土体取样；完成几种代表性土样基本物理特性和三轴应力应变实验极其结果分析 其中的关键部分进行可行性分析。 定出安全事故中地层变形的影响要点；形成典型地层过程破化和变形演化的基本认识，对施工力学的转换过程进行描述 . 立城市地下工程灾变分类。 地 下结 构耐 久性 的影响因素，提出振动对地下结构的动力形态，掌握地下结构荷载的迁移特性以及近接施工对地层的扰动，构建城市特定条件下地下结构健康与安全状态的监测原理。 境结构物的耦合响应； 发表 录论文 30 篇以上。 研究内容 预期目标 第 二 年 粒材料细观力学小型测试设备 研究应变局部化物理和几何机制及其与土体物理特性的相关关系 ;开发能分析微小应变到大应变破坏的有限元分析程序 ;建立多场耦合变形的理论与数值模型 ;开展非连续、非均匀介质力学模型及其计算方法研究；在选取一个地下工程现场，监测地表和地下的变形。 结构接触面进行基本性质试验，研究其在复杂条件下的变形和强度特性；根据试验成果，发展适合于城市地下工程土体以及土 市地下工程土体与结构动力相互作 用研究；发展城市地下工程典型破坏过程数值模拟方法；设计模型试验设备并进行部分试验。 对多个细观结构模型的整体效应进行模拟，建立综合效应与细观结构稳定性之间的关系；建立几种典型的地层细观结构模型，对稳定性性进行分析，分析其主要影响因素和关键指标，取得相应判据和标准 析灾变条件下地层及结构的失效模式及主要影响因素；采用离心机模型试验分析城市地下工程渐进性灾变破坏过程及引发的灾害演 化过程；采用数值模拟方法及灾害调查结果，对典型灾变的演化过程进行验证。 列车振动对地层的影响规律、 各影响因素对结构性能劣化的影响机理、隧道结构损伤的控制性损伤变量、地层水环境变化对既有结构物的影响特征、地下结构 健康监测的方法。 完成相应的数据分析 ;完成有限元分析程序的编制和调试 ;初步完成多场耦合变形的理论与数值模型的建立 ;初步完成非连续、非均匀介质力学模型的建立及其计算方法研究，初步完成相应的程序开发和调试 ;完成现场资料的整理和分析 构性和应力路径等不同组合条件下土体以及土结构接触面的变形和强度特性；发展适用于城市地下工程的土体以及土 适用多场耦合和复杂应力路径变化等城市地下工程的主要特点；分析交通荷载等动力作用对土体及地下结构的影响特点，结合实测资料分析和多场耦合动力有限元计算，研究动荷载下土体与结构的动力反应及对周围环境的影响；采用有限元 数值计算方法，发展可用于进行渗透变形和土体裂缝等常见城市地下工程破坏现象的数值模拟计算方法 . 在典型工程中进行应用；考虑到地层固结和施工扰动影响，建立起细观结构失稳与宏观地层变形之间的动态作用关系 . 要影响因素及演化过程。建立典型的地层与结构灾变演化模式。 明列车振动对地层的影响规律以及各环境和人为因素对结构性能劣化的影响机理，提出隧道结构损伤的控制性损伤变量，分析 地层水环境变化对既有结构物的影响特征，建立地下结构健康监测的方 研究内容 预期目标 境结构物耦合作用的损伤与恶化模型的研究分析； 提出地层与结构的变形标准控制体系。 中期评估。 法。 立地下结构安全性的评价体系； 得出不同地质条件、不同工法条件下的地层与结构变形、变位的控制标准； 申请发明专利 1。 发表 I 论文 35 篇以上 ,提交中期总结报告 第 三 年 究测试技术和测试方法 ;研究地下水渗流与地质体裂隙 孔隙分布规律相关性 ;对不同尺度的试验及工程实例进行数值模拟，监测地表和地下的中期变形和渗流量 究，重点分析结构转换过程中的地层变形演化特点以及群洞效应的作用规律，为大型地下结构的开挖方式的设计以及参数确定提供依据；通过细观结构失稳、地层固结和施工扰动综合影响的分析，建立起地层沉降模式下地层变形的预测理论与方法。 结构接触面本构模型的建立；继续开发城市地下工程典型破坏过程数值模拟方法；整合已有计算软件，开发适合于大型非线性结构多场耦合计算的数值计算方法；进行部分 1g 模型或离心模型试验。 层或岩石）分析城市地下工程地层变形与结构的相互作用模式；分析不同地层变形 作用下，不同结构型式的失效模式；结构不同失效模式下的灾变机理。 列车振动对地中邻近建筑物的影响， 施工爆破对既有结构物的影响特征，中尺度力学测试装置的研制与开发 ， 初步完成部分中尺度土体的实验；建立不同土体的 渗流模型 ;完成验证理论和数值模型合理性和正确性，初步完成建立多尺度 土体变形和破坏的一般演化规律 ;完成现场中期资料的整理和分析 发施工过程的优化设计软件，并实现地层变形的预测和过程仿真；针对软弱地层条件，开发复杂洞群施工引起地层变形的控制设计软件和平台； 结构接触面本构模型；采用有限元 展可用于进行土 发大型非线性系统的求解方法、多场耦合作用下的多种参量的时空分布解法、与本构 模型和整体算法相适应的应力修正方法等； 同结构型式的失效模式；结构不同失效模式下的灾变机理。 明列车振动对地中邻近建筑物的影响和施工爆破对既有结构物的影响特征，建立损伤演化模型，提出 研究内容 预期目标 的发生发展过程、损伤演化 模型。 境结构之间的动态耦合的非线性分析方法的研究；开发能够反映结构与环境介质、环境结构之间动态耦合的可视化分析系统。 地下结构灾变溃损的发生发展过程。 时反映和评估人工干预对环境和地下结构本身响应的改善；得到一套较为完整、实用的可视化计算机分析系统； 发表论文 文 45 篇以上。 申请发明专利 2 项 第 四 年 尺度力学测试设备研究多尺度土体的变形规律 ;研究不良地质体对地层力学的影响。分析特殊不良地质体对地层力学特性及变形特性的多尺度影响机理 ;监测地表和地下的中长期变形和渗流量 ;对大尺度工程实例中长期变形的的进行数值模拟 括周期性信息的多尺度描述，展现沉降序列的频率特征在时域上的表现，给出不同尺度的强弱和分布情况以及沉降变化的趋势和突变点； 地层沉