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項目名稱： 城市地下工程安全性的基礎理論研究首席科學家： 張頂立 北京交通大學起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部門： 教育部一、研究內(nèi)容1、 關鍵科學問題的提出隨著城市地下工程建設規(guī)模的迅速增大，安全性問題越來越受到社會的關注，而且也直接影響到學科領域的自身的發(fā)展，其中蘊涵著許多亟待解決的重大科學問題，開展系統(tǒng)的基礎 研究非常迫切。盡管在 規(guī) 范化管理、 監(jiān)控量測以及施工措施細化方面進行了有效的工作，但由于基于經(jīng)驗的工程技術理論沒有從本質(zhì)上認識災害發(fā)生的規(guī)律，因此對事故預測和判斷具有很大的局限性，已成為對地下工程安全性實行科學化控制以及技術發(fā)展的瓶頸。本質(zhì)上，隧道施工引起的地層變形是工程災害和安全事故發(fā)生的根源，因此施工擾動下的地層變形和破壞規(guī)律是災害機制研究的基礎，而對地層材料及其結(jié)構特性的認識則是分析其演化過程的前提；城市地下工程由于其結(jié)構、環(huán)境、施工方法的特殊性也使得工程安全性面臨更加復雜的條件。因此應從城市地下工程所處介質(zhì)的特性、城市地下工程自身特性以及城市地下工程災害類型三個方面進行分析歸納關鍵科學問題。地下工程中的災害是由地層、結(jié)構物變形過大或發(fā)生破壞所致。結(jié)構物多為金屬管線、混凝土結(jié)構、砌體結(jié)構、木結(jié)構等人造結(jié) 構，其非連續(xù)性、非均勻性、流-固耦合特性都不明顯，相 對來說比較容易研究。而地層的變形與破壞更加復雜，而且影響因素多，且對災害的研究不僅關系災害 發(fā)生時的狀態(tài)，更關心災害的演變過程，因而，對應的第一個科學問題是施工擾動下地層損傷演化規(guī)律及變形特點，包含的研究內(nèi)容為 地質(zhì)體的初始狀態(tài)、本構關系、 變形理論、破壞理論。由于地質(zhì)體與結(jié)構物的力學特性相差很大，且人類對地下工程穩(wěn)定性的控制主要是通過結(jié)構物主動或被動對地質(zhì)體的支護作用來實現(xiàn)的；同時地層在變形傳遞過程會與相鄰構筑物發(fā)生作用，這也是工程災害和安全事故發(fā)生的根源，因而，第二個關鍵科學問題是地層-結(jié)構物動態(tài)相互作用關系及災變機理，包括地層變形作用下的結(jié)構演化過程及破壞機理、災變形成機制等。對地下工程安全性研究的宗旨是對工程災害實行科學的控制，因此應在以上兩個關鍵科學問題研究的基礎上，引入災害動力學和控制理論對災變機理與控制進行研究，因而第三個關鍵科學問題是城市地下工程安全性預測與過程控制原理，包括結(jié)構安全評價體系、基于災害演化特點的安全性預測預報及控制。2、關鍵科學問題的內(nèi)涵本項目以城市地下工程的安全性為研究對象，圍繞地層變形、破壞特點及演化規(guī)律、多體作用及災變形成機制、安全性控制原理等關鍵科學問題，通 過對施工擾動地層的破壞機理、地 層變形傳播及其與結(jié)構的相互作用特征、災害演化過程、結(jié)構劣化評價及災害控制的研究，揭示地 層變形機理及災害形成機制，構建我國城市地下工程安全性評估和控制的系統(tǒng)科學理論，為我國城市地下工程的發(fā)展提供科學的理論依據(jù)。本 項目擬解決的三個科學問題具體如下：（1） 施工擾動下地層損傷演化規(guī)律及變形特點考慮到地層的非均質(zhì)性和結(jié)構效應，建立土體多尺度模型，從宏、細觀多個角度和結(jié)構穩(wěn)定性的層面上分析地層的損傷破壞機理；建立地層破壞的判別準則，并基于典型地層條件對影響地層穩(wěn)定性的主要因素進行系統(tǒng)分析，形成相應的評價指標體系；基于地層缺陷的影響分析，考慮不良地質(zhì)體的尺度效應，建立不良地質(zhì)體對地層結(jié)構穩(wěn)定性的影響關系；根據(jù)地下工程的施工特點，依據(jù)施工過程力學原理，通過試驗及模 擬建立起地層開挖與周圍地層之間的動態(tài)關系，并考慮地層的蠕變特性；基于典型地層條件，建立施工擾動影響的地層沉降模型，揭示不同沉降模式下的地層變形演化機理，并提出沉降量的預測方法；應用非線性疊加原理分析群洞施工的相互影響，提出評價標準和評價方法；分析隧道圍巖漸進破壞特點，描述失穩(wěn)演化 過程和規(guī)律；建立地層變形的多尺度模型，為變形量的預測提供依據(jù)；考慮到工程尺度的影響關系，建立上覆地層的結(jié)構模型，用以確定基于安全性的合理埋置深度。（2） 地層與結(jié)構的動態(tài)相互作用關系及災變機制分析受擾動地層的變形及其傳播規(guī)律，建立位移場計算模型；分別采用分離法和耦合法研究地層變形對結(jié)構的影響規(guī)律；動荷載作用下土體與結(jié)構的相互作用關系；建立地層變形與結(jié)構的動態(tài)作用模型，分析土體變形作用下的結(jié)構破壞機理及演化過程；結(jié)構變形、破壞對土體穩(wěn)定性的影響規(guī)律；新建結(jié)構對既有結(jié)構的影響規(guī)律及評價方法，用以確定地下結(jié)構的保護范圍和技術要求；研究水荷載及滲流場影響下的“ 土體 -結(jié)構” 作用關系，為地下結(jié)構防排水方案及結(jié)構荷載的確定提供依據(jù)；研究地層與結(jié)構的失效模式與失效機理，分析地下工程災害形成的條件和判別準則；通過試驗和模擬地下工程典型安全事故的演化過程，獲取過程拐點，為事故的預測預報 提供依據(jù)；建立地下結(jié)構及地面基礎結(jié)構的劣化模型，為長 期穩(wěn)定性判別準則 的確定提供參考；分析地下結(jié)構的破壞指標和標準，作為健康監(jiān)測方案制定的依據(jù)。（3） 城市地下工程安全性預測與過程控制原理研究施工影響范圍內(nèi)地層變形與結(jié)構穩(wěn)定性的關系，用以確定地層破壞及其誘發(fā)安全事故的判別準則和標準；制定受影響建（構）筑物的變形控制標準，并根據(jù)預測結(jié)果對安全風險進行評價，給出安全性等級；基于非線性動力學理論，建立城市地下工程安全風險控制模型；研究地下工程與安全相關的性能參數(shù)正交完備集，建立這些參數(shù)的關 鍵指標；基于施工過程力學和非線性力學建立地層及結(jié)構變形的動態(tài)控制理論，形成“過程控制”的原理和方法；揭示地層加固和修復機理，探討約束條件下的結(jié) 構修復方法，以便在必要時實行“ 過程恢復”和“工后恢復”；建立基于仿真、試驗、模 擬和系統(tǒng)集成的安全風險控制和災變救護理論體系。3、主要研究內(nèi)容本項目的研究以揭示城市地下工程安全事故及災變的形成機理和演化規(guī)律為核心，以最大限度地降低或避免重大安全事故為目的，采用巖土力學、 結(jié)構力學、工程地質(zhì)學、隧道與地下工程、工程災害學、非線性動力學以及信息和控制科學等綜合交叉學科進行系統(tǒng)研究。為此，從地 層變形及其與結(jié)構的相互作用本質(zhì)出發(fā)，重點對地層變形模式、災變機理及控制原理進行研究，主要研究如下：（1）多尺度土體與結(jié)構的破壞機理及演化過程基于地層的宏、細觀結(jié)構及變形局部化的觀點建立復雜地層的破壞模型，探索地層土體的失效模式。分 別采用宏、 細觀結(jié)構理論 ，在工程尺度概念上將地 層視為一個結(jié)構體，對結(jié)構的 穩(wěn)定性進行分析和評價，建立相應的判別準則，從而對地層的破壞過程作出描述，揭示地層破壞機理；同時考慮到各種因素的影響以及地層不均勻性引起的應變局部化效應，由此對地層的破壞發(fā)展過程進行描述；考慮到地層中各種缺陷的影響，建立起評價體系，從而對其影響關系作出描述。主要包括：1）不同尺度土體與結(jié)構的力學效應及力學行為。研究地質(zhì)體力學參數(shù)探測方法及量測系統(tǒng)，建立多尺度土體的內(nèi)在聯(lián)系， 進行不同尺度地質(zhì)體力學參數(shù)反演及識別方法研究，建立多 場耦合變形的數(shù)值模型。2）地層變形的逐漸破損理論。研究應變局部化的啟動準則與土的非線性特性，再現(xiàn) 地層漸進破壞過程，揭示其漸進破壞的尺度效 應及場地土與城市基礎設施動力相互作用機理，提出相 應的破壞模式和分析理論。3）尺度對地層及結(jié)構安全性的影響規(guī)律。針對地層中的典型不良地質(zhì)體，通過與工程尺度的對比分析，揭示其影響規(guī)律，建立不同尺度復雜地質(zhì)體力學模型，給出確定地質(zhì)體力學參數(shù)的方法。4）不良地質(zhì)體對地層力學特性及變形特性的多尺度影響特點。利用度復雜地質(zhì)體多尺度力學模型，研究不良地質(zhì)體對地層力學的影響，重點分析特殊不良地質(zhì)體對地層力學特性及變形特性的多尺度影響機理，建立不良地質(zhì)體多尺度評價體系。5）典型地層的破壞準則及評價體系。利用考慮大尺度場地和局部精細化計算的三維多尺度數(shù)值模擬方法，研究土體結(jié)構尺度和施工尺度對工程安全性的影響機制與規(guī)律，分析典型地層的破壞準則及建立相應的評價體系，量化安全評價體系。（2）施工擾動下復雜地層的變形機制研究應用施工過程力學的原理，建立施工影響的動態(tài)力學模型，并對地層變形和傳播規(guī)律進行模擬和預測。重點分析施工引起的地層變形及其傳播規(guī)律，建立不同地層受施工影響的沉降模式，對地層變形進行預測；考慮上覆地層變形的結(jié)構特點和時空效應，提出城市地下工程基于安全性的合理埋深的優(yōu)化方法；研究施工行為造成的失水效應及其對地層固結(jié)的影響，建立三場耦合作用下地層變形演化模型；描述地層位移與施工步序之間的動態(tài)關系；探索結(jié)構物及地面荷載對地層變形演化過程的影響規(guī)律。主要包括：1）地層施工擾動的過程力學特性及控制原理。揭示開挖卸荷引起地層應力應變狀態(tài)及其變化規(guī)律，建立起施工步序與地層變形的動態(tài)關系，對地層變形演化過程作出整體的描述，提出地表沉降值的時效特征及控制原理。2）施工引起的地層固結(jié)及其影響作用。揭示施工降水引起的地層固結(jié)沉降特點，建立三場耦合作用下地 層變形演化模型，揭示地層失水與施工擾動引起的綜合作用結(jié)果。3）地層變形傳播規(guī)律及沉降模式。建立地層變形的演化模型，分析隧道開挖尺度與地層變形的動態(tài)關系，建立起不同地層條件下的地層沉降模型，用以分析其水平和豎向傳播規(guī)律。4）大型洞室及地下洞群施工的時空效應分析。應用非線性理論原理，提出大型洞室的施工步序施工方案優(yōu)化方法，揭示不同洞室施工力學轉(zhuǎn)換機理，提出大型洞室合理尺度的確定方法，分析不同洞室的相互影響關系，確定洞室群合理間距及施工順序。5）施工環(huán)境下的地層沉降。分析地層缺陷對沉降傳播的影響規(guī)律，探索結(jié)構物及地面荷載對地層變形演化過程的影響規(guī)律，基于 Morlet 小波變換的方法對地表沉降數(shù)據(jù)序列進行多尺度特征分析，給出不同尺度的強弱和分布情況以及沉降變化的趨勢和突變點。6）地層沉降過程的模擬與預測方法。綜合施工開挖和固結(jié)沉降的影響效應，對施工引起的地層沉降進行模擬和仿真，建立地層沉降及其對周邊環(huán)境影響的預測方法；通過對地層變形的結(jié)構效應和時空效應的分析，提出了保證地下工程安全性的合理埋深優(yōu)化方法。7）地層變形及傳遞過程的精細化監(jiān)測?；诘貙咏Y(jié)構效應及跨尺度破壞特點，建立其變形過程的測試 理論與方法，尤其 對細觀結(jié) 構失穩(wěn)與地層整體變形及其傳遞規(guī)律實施精細化的監(jiān)控量測，為過程控制理論提供依據(jù)。（3）多場條件下的多體相互作用機理建立多場耦合作用下的土體與結(jié)構相互作用模型，可對結(jié)構的安全性作出評價。核心 問題是建立地層 與結(jié)構相互作用的力學模型，同時考慮到水及動荷載的影響。分析城市地下工程中地層與結(jié)構的相互作用特點及其力學特征；分析不同類型地層、結(jié)構及其相互位置關系的作用效應，建立評價體系和方法對其作用結(jié)果作出判斷；分析新建工程對既有結(jié)構物的作用規(guī)律，進而給出既有地下結(jié)構周圍允許施工的空間范圍；研究車輛振動在地層中的傳播規(guī)律及其對周圍結(jié)構物的影響關系；提出地下結(jié)構水荷載的設計理論和方法；新建結(jié)構與既有結(jié)構土體的力學特性及合理間距的確定方法。主要包括：1）地下工程多體相互作用的力學特征。以土水壓力和“ 土體－結(jié)構”的相互作用為主線，考慮多種荷載和多 場的耦合作用，在多種尺度上剖析城市地下工程所涉及到的多體相互作用的主要力學特征。2）多場作用下的土體與結(jié)構動態(tài)作用關系?？紤]城市地下工程多體系統(tǒng)中的多場耦合作用以及動態(tài)變化特性，研究在此條件下的土體的本構關系及適用性、土與結(jié)構物間的接觸特性，分析多場作用下土體與結(jié)構的動態(tài)作用關系。3）動荷載環(huán)境下的土體與結(jié)構作用關系。通過對典型土樣以及土與結(jié)構接觸面的動力特性試驗、土與結(jié) 構物的振動離心模型試驗，研究動荷載下土體與結(jié)構的相互作用關系及破壞特征。4）施工影響下的結(jié)構破壞機理及安全性評價。重點分析地下工程施工引起的安全事故以及導致鄰近建筑物破壞主的要原因，針對各種影響因素的主次關系給出安全評價的指標體系、 權重和分析方法。5）新建工程與既有結(jié)構的相互作用關系規(guī)律。通過模型試驗和數(shù)值模擬研究新建工程與既有結(jié)構在時空上相互影響、相互作用的關系，建立控制新建工程施工和運行的指導性原則。（4）城市地下工程災變演化規(guī)律及預測建立地層及結(jié)構穩(wěn)定性的評價體系，揭示不同類型安全事故的發(fā)生機理。從工程結(jié)構安全和環(huán)境影響兩個方面對地下工程的安全性進行評價。重點分析大尺度地下結(jié)構的可靠性、分步施工過程中的力學轉(zhuǎn)化規(guī)律，對關鍵施工步序下的結(jié)構安全性進行評述；分析地層與工程結(jié)構的失效模式及發(fā)生條件，揭示不同類型災害的形成機理；典型災害過程的模擬與仿真；災害發(fā)生過程的多因素分析與預測方法；城市地下工程建設災害的預警、報警機制及管理系統(tǒng)。主要包括：1）城市地下工程災變類型及分析。系統(tǒng)調(diào)研國內(nèi)外城市地下工程災害狀況，分析各類災害發(fā)生的特點及其引發(fā)的次生災害類型，根據(jù)不同的災害損失后果，建立城市地下工程災變分類體系。2）城市地下工程影響下地層與結(jié)構的失效模式及災變機理。研究城市地下工程地層變形與結(jié)構的相互作用模式，系統(tǒng)分析不同地層變形作用下典型結(jié)構的失效模式以及不同結(jié)構失效模式下的災變機理。3）城市地下工程典型災變演化過程的模擬試驗。采用離心機模型試驗分析城市地下工程漸進性災變破壞過程及引發(fā)的災害演化過程；采用數(shù)值模擬方法及災害調(diào)查結(jié)果，對典型災變的演化過程進行驗證。4）城市地下工程地層及結(jié)構的失效判別指標及破壞準則研究。針對城市地下工程典型災變演化模式，確定地層與結(jié)構的失效指標，建立不同地下工程典型災變破壞準則；研究周邊臨近構筑物的失效指標，并制定其破壞準則。5）城市地下工程典型災變預測模型、災害預測方法及災害預警標準。建立多種因素作用下的城市地下工程典型災變預測模型，針對不同的災變類型及演化后果，建立城市地下工程災害預測方法；提出城市地下工程災害預警標準。6）地層與結(jié)構作用過程的監(jiān)測與控制方法。建立“地 層- 結(jié)構” 作用過程的監(jiān)控體系，尤其對地下結(jié)構物的安全狀態(tài)實施直接和間接的監(jiān)測，并及時反饋信息，提高安全性控制水平。（5）復雜環(huán)境作用下地下結(jié)構的長期安全性及其預測方法建立地下結(jié)構的劣化模型，分析結(jié)構失穩(wěn)機理并確定控制指標和標準，由此制定工程結(jié)構的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)。建立地下結(jié)構耐久性的評價體系，分別對地下結(jié)構在復雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性及動載作用下的可靠性進行研究；新建結(jié)構對既有結(jié)構的影響，重點考察 對既有結(jié)構安全性和耐久性的影響，建立既有結(jié)構損傷演化模型，為既有結(jié)構的 預加固和預處理提供理論依據(jù)；根據(jù)具體結(jié)構的損傷劣化特點提出結(jié)構健康監(jiān)測方法。主要包括：1）城市地下結(jié)構的耐久性及長期安全性特點。分析城市地下結(jié)構的環(huán)境特點，探索影響城市地下結(jié)構耐久性的主要因素；分析地下結(jié)構的穩(wěn)定性特點，建立地下結(jié)構長期安全性的評價體系；明確提高地下結(jié)構耐久性的技術思路。2）強動力作用下的結(jié)構破壞特點和安全性評價。重點分析城市軌道交通運營的振動對地下結(jié)構損傷演化特點，揭示其影響機理；研究列車振動在地層中的傳播規(guī)律及其對鄰近地下結(jié)構的影響規(guī)律。3）環(huán)境影響下結(jié)構性能劣化機理及過程。建立地下結(jié)構性能劣化的分析模型，揭示地下結(jié)構在復雜環(huán) 境影響下的劣化機理；分析結(jié)構劣化的主要影響因素，描述劣化和破壞過程。4）近接施工對既有工程結(jié)構的影響規(guī)律。分析既有結(jié)構在給定變形條件下的安全性及其評價方法，建立 結(jié)構安全性的評價體系，并給出新建結(jié)構的施工優(yōu)化方法。5）結(jié)構性能劣化的計算模型。結(jié)合地下結(jié)構的復雜環(huán)境及受力特點，建立結(jié)構性能劣化的計算分析模型，并采用數(shù)值計算獲得評價方法。（6）災害環(huán)境下地下工程安全性控制原理和方法采用非線性動力學理論建立地下工程安全性的控制體系，實現(xiàn)對工程的全過程控制。從典型安全事故和重大災變的發(fā)生機理入手，分析主要影響和誘發(fā)因素，從而建立起安全性控制的理論和方法?；?過程 論的觀點，建立起城市地下工程安全性的過程控制理論；依據(jù)地層與結(jié)構的作用關系，提出重要結(jié)構物控制標準的確定方法；結(jié)構物注漿抬升的原理和方法；受損結(jié)構物的修復理論和方法；復雜環(huán)境條件下地下結(jié)構長期安全性的評價理論和方法。主要包括：1）典型結(jié)構的變形控制標準及評估體系。研究地下結(jié)構變形非線性反應模擬的精細化建模方法和模型， 獲得地層變形作用下的結(jié)構反應與損傷狀態(tài)、性能指標參數(shù)之間的關系，建立起 結(jié)構變形控制的評價體系。2）地層與結(jié)構變形控制標準的確定。通過地層與結(jié)構相互作用關系的分析，建立結(jié)構變形控制標準的確定方法；綜合考慮地層變形的非線性特點，進而提高相應地層控制標準的確定方法。3）地層及結(jié)構的非線性控制理論。按照結(jié)構變形與施工過程的動態(tài)關系，建立起兩者的動態(tài)響應規(guī)律，以此作為過程控制的基礎；依據(jù)控制論原理，建立起動態(tài)控制的修正模型。4）受擾動地層的加固與修復原理。發(fā)展結(jié)構變形與周邊土體的相關性評價理論，建立地層加固對結(jié)構的影響關系；研究結(jié)構修復的安全性，揭示結(jié)構狀態(tài)修復機理。5）地下工程安全風險控制理論體系。提出地下工程的安全風險辨識模式和分析模型，按照系統(tǒng)論的觀 點，建立起完善的安全 風險 控制系統(tǒng)。在對基礎理論、災害發(fā)生機理以及控制原理研究的基礎上，進行系統(tǒng)集成，建立起典型城市地下工程安全性的綜合控制平臺，包括安全風險的控制系統(tǒng)和技術標準等，可以再現(xiàn)和預測 災害的發(fā)生過程，形成災害防治、 長期安全性控制的依據(jù)。 結(jié)合世界范圍內(nèi)的工程事故案例和上述控制理論，分別作為案例庫和知識庫，編 制專家系統(tǒng)軟件；根據(jù)我國城市的地層、水文條件、區(qū)位、環(huán)境、歷史和文化差異，選擇北京和深圳兩個典型城市分別完成可操作性的管理系統(tǒng)平臺。二、預期目標（一）總體目標通過對施工影響下地層損傷演化和變形機制、地層與結(jié)構的動態(tài)作用關系、災害發(fā)生機理等問題的系統(tǒng)研究，建立我國城市地下工程安全性控制的理論體系，為城市地下空間開發(fā)的 規(guī)劃、建 設以及城市軌道交通等重大基礎設施建設的安全風險控制提供理論基礎， 顯著改善我國城市地下工程建設的安全形勢；使重大工程決策和安全性管理更具科學化、前瞻性和可控制性，為城市地下工程科學對策的制定提供依據(jù)，為城市的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展作出貢獻；并通過學科的交叉和融合，凝聚和培養(yǎng)一批城市地下工程安全性控制的高水平研究人才，建立和完善先進的城市地下工程研究平臺，為城市社會經(jīng)濟發(fā)展和學科的持續(xù)技術進步奠定堅實的基礎。（二）五年預期目標本項目的預期目標如下：（1）基于不同尺度土體的變形演化特點、變形局部化及滲透耦合力學行為的分析，建立地層穩(wěn)定性的評 價體系和方法，以此 對典型地層的破壞特點作出評述；針對不同地層受擾動影響的特點，建立不同地層沉降模式下的力學模型，由此可對地層總體沉降狀況和控制要點作出判斷；考慮施工過程特點及其擾動地層變形演化規(guī)律，建立地層位態(tài)與施工行為的動態(tài)定量化關系，實現(xiàn)過程再現(xiàn)；依據(jù)施工影響范圍的分析和穩(wěn)定性分析，建立隧道覆蓋層厚度與地表沉降之間的定量關系，提出臨界埋深的確定方法。本項成果可為擾動 地層與結(jié)構的相互作用關系及災害機理的分析提供基礎。（2）依據(jù)地層受施工擾動后的應力狀態(tài)及其與結(jié)構空間關系，建立不同作用模式下的“地 層—結(jié)構” 相互作用關系，并對作用結(jié)果作出定量分析和描述；依據(jù)結(jié)構狀態(tài)改變后周圍土體的響應特點，并考慮水的滲透影響，對結(jié)構的穩(wěn)定性進行預測， 進而提出新建工程施工的極限影響范圍；通過理論分析和試驗研究，提出施工行為對結(jié)構物的影響模式和類型，以此為城市地下空間開發(fā)規(guī)劃和設計提供指導。（3）分析城市地下工程建設中的主要災害類型，對其產(chǎn)生的背景、誘因進行歸納和總結(jié)，作為安全性分析的基礎；研究地層在水作用下的破壞模式，描述其發(fā)展過程，建立損傷演化模型，揭示地層坍塌發(fā)生機理；發(fā)展城市建（構）筑物失效模式的分析方法，提高結(jié) 構的抗變形能力，并建立施工擾動結(jié)構安全性的等級劃分體系，給出劃分的方法；建立城市地下工程的災變預測模型，研制重大災變的預警、 報警系統(tǒng)。（4）建立城市地下結(jié)構在復雜環(huán)境下的劣化模型，描述其損傷、破壞和災變形成過程，建立結(jié)構劣化參數(shù)與安全性之間的定量評價關系；提出地下結(jié)構的病害檢測和評價方法，制定相 應的技術指標和標準， 規(guī) 范檢測評估工作；重點分析新建工程對既有結(jié)構的影響關系，為新建工程的設計、施工及既有結(jié)構的保護提供理論依據(jù)。（5）根據(jù)城市地下工程典型災變的形成機制，建立災害控制體系，提出安全性控制的基本思路和方法；建立重大災害的過程控制理論，完善地層與結(jié)構變形和安全性狀態(tài)的變位分配方法；建立結(jié)構修復的系統(tǒng)理論，重點揭示結(jié)構注漿抬升的機理，形成系統(tǒng)的理論認識；集成綜合技術，構建綜合控制平臺，并 給出 2 個典型城市的綜合控制方案。本項目集中我國在城市地下工程領域中最核心的研究力量，研究陣容強大，并擬開展國際合作。通過本 項目的研究， 擬發(fā)表高水平 論文 300 篇左右，其中SCI 和 EI 收錄論文 200 篇以上，完成 5～6 部高水平的學術專著（其中外文出版2 部），申請發(fā)明專利 20 項 ，開 發(fā)具有自主知識產(chǎn)權 的系統(tǒng)軟件 5 套；培養(yǎng)博士研究生 50 名左右，造就 5～ 6 名面向?qū)W科前沿、自主 創(chuàng) 新能力強、具有 較大國際影響的中青年科學家，整體提升我國在該領域的國際地位，實現(xiàn)我國由地下工程大國向地下工程強國的跨越。 考慮到本項目的研究直接面對城市地下工程安全建設的重大需求，研究成果的技術轉(zhuǎn)化力較強，工程需求迫切，因此在對北京和深圳兩個城市進行工程應用的基礎上，建立城市地下工程安全性控制系統(tǒng)平臺，完成《城市地下工程安全性控制技術指南》，并為《城市地下工程設計規(guī)范》提供完整的技術資料。三、研究方案（一）學術思路本項目涉及土力學、施工過程力學、隧道及地下工程、 結(jié)構力學、非線性動力學、災害動力學、控制理論等多個學科分支，必 須 通過多學科交叉與融合研究，認識和揭示城市地下工程變形和破壞的演化機理，建立城市地下工程安全性評、預測與控制的基本理論，發(fā) 展和提高城市地下工程安全性的科學體系。本項目的學術思路是以復雜環(huán)境下的城市地下工程為研究對象，圍繞開挖擾動作用、土—結(jié)構體失效破壞與控制等關鍵科學問題，在我國大規(guī)模開發(fā)城市地下空間中現(xiàn)場觀測和資料積累基礎上，利用多尺度理論和先進的試驗與計算手段，研究城市地下工程中災害的特征、形成機理、模擬和預測方法；依托近些年申請單位投資興建的大型隧道試驗臺、土工離心機模型、現(xiàn)場原位試驗設施， 結(jié)合多種研究手段，針對復雜 條件下城市地下工程的災害與安全性的控制原理進行研究；通過我國多個城市地下空間開發(fā)中發(fā)生的災害實測資料進行驗證，形成城市地下工程安全性控制的理論體系。（二）技術途徑城市地下工程是巨型復雜系統(tǒng)，地下工程的災變是由微觀向宏觀發(fā)展的跨尺度演變過程，揭示城市地下工程災變機理與控制的理論和對策，需要解決三個科學難點：（1）多尺度耦合條件下土體—結(jié)構破壞演化機理；（2）多因素耦合作用下城市地下工程災變非線性演化過程；（3）城市地下工程安全性預測與定量化控制理論。解決第一個科學難點主要通過下列途徑：采用現(xiàn)代巖土工程試驗技術與非線性動力學、多尺度理論、損傷力學理論與方法， 結(jié)合 現(xiàn)場測試，研究城市地下工程從土體、構件到土—結(jié)構體系統(tǒng)的損傷破壞動力學行為的多尺度建模理論與方法；應用高效實用的計算方法和并行計算技術，基于地層細觀結(jié)構特征，研究復雜環(huán)境下地下工程的多尺度非線性損傷演化規(guī)律和破壞機理。解決第二個科學難點主要通過下列途徑：利用最近十幾年獲得的城市地下工程觀測數(shù)據(jù)和災害實例數(shù)據(jù)， 結(jié)合土工離心機模型試驗，采用多尺度模型，建立基于微觀和宏觀耦合的數(shù)值計算模型，借助并行計算技術，研究多因素條件下城市地下工程災變的非線性演化過程。結(jié)合城市地下空間的多尺度、多場、多體的特性，模擬預測城市地下工程的破壞特征與機理，提出其理論表述方法，揭示其形成機理。 解決第三個科學難點主要通過下列途徑：從災變演化過程入手，研究城市地下空間開挖擾動過程中能量轉(zhuǎn)移、吸收與耗散機理和分布規(guī)律，以此為基礎，建立控制指標的變位分配原理。 針對分配指標，建立多步驟、分 階段的控制理論，區(qū)別性地優(yōu)化和提高細部與整體的安全性，達到量化安全控制的目的。以多個典型的城市地下工程為驗證和考核實例，反饋和完善提出的理論。（三）創(chuàng)新點與特色與國際同類研究和前期研究相比，本項目具有以下創(chuàng)新和特色：1. 建立考慮多尺度耦合、局部化損傷與整體功能失效的動態(tài)演化預測模型，揭示城市地下工程災變機理，改變長期以來城市地下空間的安全性采用綜合考慮經(jīng)驗數(shù)據(jù)、專家意見和簡單 模型的半經(jīng)驗的評估與預測方法，建立考慮城市地下工程損傷演化、破壞直至災害過程的定量分析方法和預測理論，為城市安全性定量評價理論的發(fā)展奠定堅實的基礎。2. 拓展傳統(tǒng)安全評估與控制的內(nèi)涵，提出城市地下工程失效模式優(yōu)化與控制方法，建立土—結(jié)構非線 性破壞控制理論， 為工程由構件安全驗算到細部與結(jié)構整體安全能力相結(jié)合的設計奠定科學基礎；發(fā)展復雜環(huán)境下城市地下工程非線性災變過程的多尺度精細化高效數(shù)值模擬和大尺度試驗方法，提出城市地下工程安全性設計理論，構建城市工程細部與整體安全性能力的理論評價體系，為地下結(jié)構從安全設計轉(zhuǎn)向性能設計提供理論基礎。3. 提出并研究地下工程安全性控制指標的變位分配原理。以施工過程力學和非線性控制理論為基礎，從災變演化過程入手，研究變位分配原理的基礎、內(nèi)涵以及實施規(guī)則。針對分配指 標，建立多步 驟、分階 段的控制理論，區(qū)別性地優(yōu)化和提高細部與整體的安全性，達到量化安全控制的目的。（四）取得重大突破的可行性分析1. 近十年來國內(nèi)進行了大規(guī)模的地下空間開發(fā)，曾經(jīng)發(fā)生過多次重大安全事故，積 累的相關資料可以作 為本項目研究應用的基礎數(shù)據(jù)，相應的災害給本項目研究揭示城市地下工程安全性與災害控制以直觀的認識、啟示和理論驗證實例。本項 目申請單位北京交通大學已經(jīng)將北京地鐵從1990年到2006年地鐵事故案例與分析匯編成冊，系統(tǒng) 地分析了各類災害發(fā)生的機理。北京交通大學、西南交通大學和中科院武漢巖土所也分別廣州、深圳、南京、沈陽等城市地鐵建設中開展了有關安全性的研究工作。這些地區(qū)是我國城市地下空間開發(fā)的重點地區(qū)，也是具有代表性的典型地區(qū)。此外，國外工程的詳盡 資料也為本項目開展城市地下工程安全性評估、災害預測 和控制研究提供了十分有利的條件。2. 現(xiàn)場觀測、實驗室試驗、數(shù) 值計算和高新技術是本項目研究的重要手段，我國在這些研究手段方面已經(jīng)具備良好的條件。項目牽頭單位是我國較早開展城市地下工程設計理論和施工技術研究的單位，近年來又在國內(nèi)率先開展了安全風險控制的研究和實踐，取得了公認的研究成果。北京交通大學擁有國內(nèi)唯一的雙層地下試驗隧道以及可模擬多場耦合作用下地下結(jié)構與圍巖作用的大型試驗臺；在PFPEG 平臺上開發(fā)了并行有限元計算程序，可進行大規(guī)模數(shù)值模擬。清華大學具有先進的土工離心機，可滿足本項目地層力學特性方面研究的需要；中科院武漢巖土所建有巖土力學及工程國家重點實驗室，可完成本項目的相關實驗研究。最近幾年，我國木工程結(jié)構試驗設備得到了很好的更新和升級， 項目申請單位的試驗設備，無論從數(shù)量和性能都已經(jīng)接近經(jīng)濟發(fā)達國家的試驗條件，試驗技術得到了很大的發(fā)展；非線性理論和大型土木工程數(shù)值計算在城市地下工程研究中得到了初步應用。上述條件為本項目的實施提供了堅實的技術支撐。3．相關科學進展為本項目的研究奠定了良好的基礎。項目申報單位承擔的多項國家級項目，以及省市 級項目均涉及城市地下工程災害的研究，構建了本項目良好的學術基礎；我國許多城市地下空間的開發(fā)中都建立了災害評估管理系統(tǒng)，為城市地下工程安全性理論的研究與驗證提供了直接可用的數(shù)據(jù)。北京交通大學針對城市地下工程建設安全性控制原理及應用技術，自 2001 年以來，結(jié)合深圳、北京、天津地鐵和大連城市隧道工程進行開發(fā)研究，形成整體技術成果，之后在北京、沈陽、西安、蘇 州、廣州地鐵以及武廣鐵路客運專線金沙洲隧道、南水北調(diào)工程北京段西四環(huán)暗涵工程、廈門機場路隧道工程等地下工程建設中得到了推廣應用，確保了工程安全。在國內(nèi)外發(fā)表了學術論 文 60 多篇，其中 SCI 和EI 收錄 40 余篇；已申 請國家 發(fā)明專利 4 項，其中已授權 1 項，軟件著作權 1 項；先后獲得教育部科學技術進步一等獎 1 項，北京市科學技術進步一等獎 1 項、二等獎 2 項。 這一階段的研究重點在于解決技術層面的問題，對相關基礎理論的研究提出的較高的需求。應對 此需求， 2005 年至今研究的重點逐步轉(zhuǎn)向基礎研究，為申報項目的研究提供了基礎。實現(xiàn)理論突破以后，所形成的全新技術將會提高到一個更高的層次。本項目的參加單位近年來也對城市地下工程的環(huán)境影響、控制、地下結(jié)構耐久性開展了系 統(tǒng)的研究，尤其 對土體的 結(jié)構特性及跨尺度特性、變形測試等問題進行了大量的研究工作，對某些特殊地層變形特點進行總體提升，可作為本項目的工作基 礎。 4. 近年來，我國地下空間的開發(fā)規(guī)模居世界首位，在地下工程和風險管理的學術研究上積累了較多的研究成果，同時也培養(yǎng)了一支老中青結(jié)合的高水平研究隊伍。本 項目通過多部門 學科交叉研究， 組建由年 輕學者領頭、多名院士指 導和幾十位骨干研究者參與的高水平隊伍，將在城市地下工程安全性基礎理論研究上取得突破和創(chuàng)新成果， 實現(xiàn)我國城市地下工程安全性評估與控制的跨越式發(fā)展，并培養(yǎng)一支具有自主 創(chuàng)新和有國際影響的研究團隊。（五）各課題間相互關系為有效地開展研究工作，本項目擬設置以下 6 個相對獨立、但又彼此聯(lián)系的課題開展研究：1．多尺度土體與結(jié)構的破壞機理及演化過程2．施工擾動下復雜地層的變形機制研究3．多場作用下的多體相互作用機理4．城市地下工程災變演化規(guī)律及預測5．復雜環(huán)境作用下地下結(jié)構的長期安全性及其預測方法6．災害環(huán)境下地下工程安全性控制原理和方法六個課題以項目的總體目標為龍頭、總體科學思路為主線，按照各自的特點，在研究內(nèi)容上各有側(cè)重，形成一個依次遞進、互相關聯(lián)的有機整體（圖）。第一個課題重點揭示城市地下工程中土體結(jié)構的破壞力學特性；第二課題揭示城市地下工程施工中復雜地層的變形機理及傳遞規(guī)律；課題三研究多場作用下的多體相互作用機理。課題一、二、三是整個 項目的基礎。 課題四、五分別研究施工期和使用期城市地下工程災變演化規(guī)律及預測，是項目的核心研究內(nèi)容。課題六研究復雜環(huán)境作用下地下結(jié)構的安全性及其預測方法、災害環(huán)境下地下工程安全性控制原理和方法，是實現(xiàn)總體目標的關鍵性課題。課題一 課題二 課題三課題四 課題五課題六土力學結(jié)構力學施工力學工程地質(zhì)土力學動力學災害動力學控制理論地層與結(jié)構的動態(tài)相互作用及災變機制城市地下工程安全性控制原理災害動力學破壞模型 變形模型 相互作用模型工程建設 安全性控制理論工程服役期安全控制理論施工擾動下地層變形與破壞的演化機理和特點城市地下工程安全性預測與過程控制原理圖 項目課題設置及其關系四、年度計劃研究內(nèi)容 預期目標第一年1.啟動項目，制定詳細的實施方案，項目分解并明確分工。2. 開展專題的城市地下工程案例調(diào)查， 對不同典型地區(qū)、典型工程地質(zhì)條件下的工程案例進行系統(tǒng)調(diào)查、分類 、分析,收集和分析我國已建城市地下工程的相關資料，包括應力變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和典型事故案例。3.調(diào)研國內(nèi)外顆粒細觀力學測試技術，研制室內(nèi)小型的顆 粒材料細觀力學測試設備，研究測試 技術與和測試方法；制訂土體及土-結(jié)構接觸面基本特性試驗方案以及計算軟件開發(fā)方案。4.選定 2～3 個典型城市地下工程為課題依托，進行詳細地分析和典型土體的取樣,進行現(xiàn)場參數(shù)測定,并從現(xiàn)場鉆取幾種代表性土樣，進行基本物理特性和三軸應力應變實1.確定試驗設備研制、購置和改造的基本思路，初步確定試驗 方法并論證其可行性；完成顆小型粒細觀力學測試裝置的研制與開發(fā)，完成小型顆粒細觀力學測試裝置的詳細實驗方案, 初步完成無線 智能量測系統(tǒng).2.分析總結(jié)城市地下工程典型土層特征、新建工程與既有 結(jié)構相互作用特點、多場耦合基本特點、常見事故類型及原因等；對典型工程進行土層及結(jié)構概化，對典型土體取樣；完成幾種代表性土樣基本物理特性和三軸應力應變實驗極其結(jié)果分析3.確定數(shù)值計算方法及軟件開發(fā)的基本方向，對其中的關 鍵部分進行可行性分析。4.城市地下工程地層沉降模式和目前的控制水平，確定出安全事故中地層變形的影響要點；形成典型研究內(nèi)容 預期目標驗；針對不同的工程條件進行 3～5臺室內(nèi)模型試驗，重點研究隧道施工的過程力學特點和變形演化規(guī)律；5.討論城市地下工程災害的誘發(fā)因素及其相應的施工方法，分析各災害發(fā)生的特點及其引發(fā)的次生災害類型；根據(jù)不同的災害損失后果，建立城市地下工程災變分類。6.研究地 下 結(jié) 構 耐 久 性 的 影響 因 素 、列 車 動 荷 載 曲 線 、列 車荷 載 對 地 下 結(jié) 構 的 動 力 作 用 、地震 和 爆 破 作 用 地 下 結(jié) 構 的 動 力響 應 、地 下 結(jié) 構 荷 載 特 性 、近 接施 工 對 地 層 的 擾 動 、城 市 地 下 結(jié)構 健 康 與 安 全 狀 態(tài) 的 監(jiān) 測 原 理 。7.建立能夠考慮城市地下工程設計與建造過程的復雜性、能 夠考慮地下結(jié)構與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境 結(jié)構物耦合作用的精細化分析模型。地層過程破化和變形演化的基本認識，對施工力學的轉(zhuǎn)換過程進行描述.5.分析各種城市地下工程災害發(fā)生的特點及其引發(fā)的次生災害類型，建立城市地下工程災變分類。6.探 明 地 下 結(jié) 構 耐 久 性 的 影 響因 素 ，提 出 振 動 對 地 下 結(jié) 構 的 動力 形 態(tài) ，掌 握 地 下 結(jié) 構 荷 載 的 遷移 特 性 以 及 近 接 施 工 對 地 層 的擾 動 ，構 建 城 市 特 定 條 件 下 地 下結(jié) 構 健 康 與 安 全 狀 態(tài) 的 監(jiān) 測 原理 。7.揭示城市地下工程建造過程及運行過程中的結(jié)構物與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境結(jié)構物的耦合響應；發(fā)表 SCI 和 EI 收錄論文 30 篇以上。研究內(nèi)容 預期目標第二年1.用所研制的顆粒材料細觀力學小型測試設備研究應變局部化物理和幾何機制及其與土體物理特性的相關關系;開發(fā)能分析微小應變到大應變破壞的有限元分析程序;建立多場耦合變形的理論與數(shù)值模型;開展非連續(xù)、非均勻介質(zhì)力學模型及其計算方法研究；在選取一個地下工程現(xiàn)場，監(jiān)測地表和地下的變 形。2.對選取的代表性土樣和土-結(jié)構接觸面進行基本性質(zhì)試驗，研究其在復雜條件下的變形和強度特性；根據(jù)試驗成果，發(fā)展適合于城市地下工程土體以及土-結(jié)構接觸面的本構關系；城市地下工程土體與結(jié)構動力相互作用研究；發(fā)展城市地下工程典型破壞過程數(shù)值模擬方法；設計模型試驗設備并進行部分試驗。3.對典型地層結(jié)構的失穩(wěn)過程和失穩(wěn)機理進行模擬和仿真以及現(xiàn)場實測和模擬試驗，并對多個細觀結(jié)構1.初步完成部分應變局部化的實驗，并完成相應的數(shù)據(jù)分析 ;完成有限元分析程序的編制和調(diào)試;初步完成多場耦合變形的理論與數(shù)值模型的建立;初步完成非連續(xù)、非均勻介質(zhì)力學模型的建立及其計算方法研究，初步完成相應的程序開 發(fā)和調(diào)試; 完成現(xiàn)場資料的整理和分析2.分析含水量、結(jié)構性和應力路徑等不同組合條件下土體以及土－結(jié)構接觸面的變形和強度特性；發(fā)展適用于城市地下工程的土體以及土-結(jié)構接觸面本構模型，能適用多場耦合和復雜應力路徑變化等城市地下工程的主要特點；分析交通荷載等動力作用對土體及地下結(jié)構的影響特點，結(jié) 合實測資料分析和多 場耦合動力有限元計算，研究動 荷載下土體與結(jié)構的動力反應及對周圍環(huán)境的影響；采用有限元-無網(wǎng)格法耦合以及擴展有限元等新興數(shù)值計算方法，發(fā) 展可用于進行滲透 變形和研究內(nèi)容 預期目標模型的整體效應進行模擬，建立綜合效應與細觀結(jié)構穩(wěn)定性之間的關系；建立幾種典型的地層細觀結(jié)構模型，對穩(wěn)定性性進行分析，分析其主要影響因素和關鍵指標，取得相應判據(jù)和標準4.利用相似模型試驗模擬城市地下工程典型災變演化狀態(tài)，分析災變條件下地層及結(jié)構的失效模式及主要影響因素；采用離心機模型試驗分析城市地下工程漸進性災變破壞過程及引發(fā)的災害演化過程；采用數(shù)值模擬方法及災害調(diào)查結(jié)果，對典型災變的演化過程進行驗證。5.地下結(jié)構不同階段的劃分原則和依據(jù)、列 車 振 動 對 地 層 的 影 響 規(guī)律 、各影響因素對結(jié)構性能劣化的影響機理、隧道結(jié)構損傷的控制性損傷變量、地層水環(huán)境變化對既有結(jié)構物的影響特征、地下結(jié)構健 康監(jiān) 測 的 方 法 。土體裂縫等常見城市地下工程破壞現(xiàn)象的數(shù)值模擬計算方法.3.提出地層細觀結(jié)構在施工擾動影響下的安全性評價方法，并在典型工程中進行應用；考慮到地層固結(jié)和施工擾動影響，建立起 細觀結(jié)構失穩(wěn)與宏觀地層變形之間的動態(tài)作用關系.4.獲得災變條件下地層及結(jié)構的失效模式、主要影響因素及演化過程。建立典型的地層與結(jié) 構災變演化模式。5.提 出 地 下 結(jié) 構 不 同 階 段 的劃 分 原 則 和 依 據(jù) ，探 明 列 車 振 動對 地 層 的 影 響 規(guī) 律 以 及 各 環(huán) 境和 人 為 因 素 對 結(jié) 構 性 能 劣 化 的影 響 機 理 ，提 出 隧 道 結(jié) 構 損 傷 的控 制 性 損 傷 變 量 ，分 析 地 層 水 環(huán)境 變 化 對 既 有 結(jié) 構 物 的 影 響 特征 ，建 立 地 下 結(jié) 構 健 康 監(jiān) 測 的 方法 。6.獲得任何風險發(fā)展為破壞的演變機理，建立地下結(jié)構安全性的研究內(nèi)容 預期目標6.進行地下結(jié)構與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境結(jié)構物耦合作用的損傷與惡化模型的研究分析；提出地層與結(jié)構的變形標準控制體系。中期評估。評價體系；得出不同地質(zhì)條件、不同工法條件下的地層與結(jié)構變形、變位的控制標準；申請發(fā)明專利 1-3 項。 發(fā)表SCI、EI 論文 35 篇以上,提交中期總結(jié)報告第三年1.研制室內(nèi)中尺度力學測試設備，研究 測試技術和測試方法 ;研究地下水滲流與地質(zhì)體裂隙\孔隙分布規(guī)律相關性;對不同尺度的試驗及工程實例進行數(shù)值模擬，監(jiān)測 地表和地下的中期變形和滲流量2.復雜大型地下暗挖車站力學轉(zhuǎn)換過程的研究，重點分析 結(jié)構轉(zhuǎn)換過程中的地層變形演化特點以及群洞效應的作用規(guī)律，為大型地下結(jié)構的開挖方式的設計以及參數(shù)確定提供依據(jù)；通過細觀結(jié)構失穩(wěn)、地層固結(jié)和施工擾動綜合影響的分析，建立起地層沉降模式下地層變形的1.完成中中尺度力學測試裝置的研制與開發(fā)，初步完成部分中尺度土體的實驗；建立不同土體的滲流模型; 完成驗證理論和數(shù)值模型合理性和正確性，初步完成建立多尺度土體變形和破壞的一般演化規(guī)律;完成現(xiàn)場中期資料的整理和分析2.建立起復雜大型地下空間結(jié)構的設計計算方法，開發(fā)施工 過程的優(yōu)化設計軟件，并實現(xiàn)地層變形的預測和過程仿真；針對軟弱地層條件，開發(fā)復雜洞群施工引起地層變形的控制設計軟件和平臺；3.完善適用于城市地下工程的土體及土- 結(jié)構接觸面本構模型；采研究內(nèi)容 預期目標預測理論與方法。3.完成土體及土-結(jié)構接觸面本構模型的建立；繼續(xù)開發(fā)城市地下工程典型破壞過程數(shù)值模擬方法；整合已有計算軟件，開發(fā)適合于大型非線性結(jié)構多場耦合計算的數(shù)值計算方法；進行部分 1g 模型或離心模型試驗。4.結(jié)合不同地層類型（土層或巖石）分析城市地下工程地層變形與結(jié)構的相互作用模式；分析不同地層變形作用下，不同結(jié)構型式的失效模式；結(jié)構不同失效模式下的災變機理。5.地下結(jié)構處于不同劣化階段的力學性能、列 車 振 動 對 地 中 鄰 近建 筑 物 的 影 響 ，施工爆破 對既有結(jié)構物的影響特征，地下結(jié) 構災變潰損的發(fā)生發(fā)展過程、損傷 演化模型。6.進行考慮結(jié)構與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境結(jié)構之間的動態(tài)耦合的非線性分用有限元-無網(wǎng)格法耦合以及擴展有限元等新興數(shù)值計算方法，發(fā)展可用于進行土-結(jié)構體破損和土層塌陷等常見城市地下工程破壞現(xiàn)象的數(shù)值模擬計算方法；開發(fā)大型非線性系統(tǒng)的求解方法、多場耦合作用下的多種參量的時空分布解法、與本構模型和整體算法相適應的應力修正方法等；4.獲得在變形土體作用下的結(jié)構破壞規(guī)律和特點，不同結(jié) 構型式的失效模式；結(jié)構不同失效模式下的災變機理。5.獲 取 地 下 結(jié) 構 處 于 不 同 劣化 階 段 的 力 學 性 能 ，探 明 列 車 振動 對 地 中 鄰 近 建 筑 物 的 影 響 和施 工 爆 破 對 既 有 結(jié) 構 物 的 影 響特 征 ，建 立 損 傷 演 化 模 型 ，提 出地 下 結(jié) 構 災 變 潰 損 的 發(fā) 生 發(fā) 展過 程 。6.獲得可隨時考慮采用的人工干研究內(nèi)容 預期目標析方法的研究；開發(fā)能夠反映結(jié)構與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境結(jié)構之間動態(tài)耦合的可視化分析系統(tǒng)。預、及時反映和評估人工干預對環(huán)境和地下結(jié)構本身響應的改善；得到一套較為完整、實用的可視化計算機分析系統(tǒng)；發(fā)表論文 SCI、EI 論文 45 篇以上。申請發(fā)明專利 2 項第四年1.用所研制的中尺度力學測試設備研究多尺度土體的變形規(guī)律;研究不良地質(zhì)體對地層力學的影響。分析特殊不良地質(zhì)體對地層力學特性及變形特性的多尺度影響機理;監(jiān)測地表和地下的中長期變形和滲流量;對大尺度工程實例中長期變形的的進行數(shù)值模擬2.對地表沉降數(shù)據(jù)序列進行多尺度特征分析，包括周期性信息的多尺度描述，展現(xiàn)沉降序列的 頻率特征在時域上的表現(xiàn)，給出不同尺度的強弱和分布情況以及沉降變化的趨勢和突變點；地層沉降控制軟件的1.完成中尺度土體的實驗，并完成相應的數(shù)據(jù)分析，完成建立 規(guī)范化測試方法;完成建立不良地質(zhì)體多尺度評價體系;完成現(xiàn)場中長期資料的整理和分析;初步歸納出地下工程開挖擾動的變形的時效規(guī)律。2.建立起施工影響下地層沉降控制的理論和認識，確定相應 的關鍵控制點；完成基于北京和深圳地層條件的地層變形控制軟件平臺，并在工程應用中取得顯著效果；3.通過模型試驗研究隧道施工、基坑開挖等條件下土體-結(jié)構間的相互作用特性及土層變形規(guī)律和破壞研究內(nèi)容 預期目標編制，構建基于北京和深圳地鐵工程建設的安全性控制技術平臺及系統(tǒng)軟件，并完成工程應用試驗。3.完成 1g 模型或離心模型試驗；初步完成城市地下工程安全性評價大型數(shù)值模擬計算系統(tǒng)；對模型試驗結(jié)果進行計算分析。4.針對城市地下工程典型災變演化模式，根據(jù)結(jié)構的變形、變形速率以及應力等指標，建立不同 結(jié)構失效模式下的失效評價指標；在失效指標確定的基礎上，建立不同地下工程典型災變破壞準則；研究周邊臨近構筑物的失效指標，并制定其破壞準則。5.列車振動對地面鄰近建筑物的影響、劣化至災變的臨界閾值、近接施工擾動下既有結(jié)構物的安全性評價方法、地下結(jié)構不同性能劣化狀態(tài)下的力學特征、長期安全性智能評價方法。機理；將所開發(fā)的算法與所建立的本構模型等進行集成，初步建立城市地下工程安全性評價大型數(shù)值模擬計算系統(tǒng)，可對城市地下工程進行施工全過程的仿真計算分析；通過對模型試驗結(jié)果進行計算分析，驗證所發(fā)展的模型和計算方法的合理性并進行必要的修正完善。4.揭示地層變形破壞引起工程災害的機理及其與主要引發(fā)因素的關系；提出主要災變的變形演化模式，制定判別準則；給出典型災害的發(fā)生規(guī)律和預測方法。5.探 明 列 車 振 動 對 地 面 鄰 近建 筑 物 的 影 響 ，提 出 劣 化 至 災 變的 臨 界 閾 值 和 近 接 施 工 擾 動 下既 有 結(jié) 構 物 的 安 全 性 評 價 方 法 ，獲 取 地 下 結(jié) 構 不 同 性 能 劣 化 狀態(tài) 下 的 力 學 特 征 ，提 出 其 長 期 安全 性 智 能 評 價 方 法 。6.獲得受擾動結(jié)構的安全性評研究內(nèi)容 預期目標6.開展對環(huán)境介質(zhì)損傷的修復方法的研究，及修復對環(huán)境介 質(zhì)影響的數(shù)值模擬和試驗分析；建立土體損傷和建筑物變形動態(tài)修復的分析模型；給出不同受損結(jié)構的修復方法；進行風險動態(tài)評估理論體系和動態(tài)風險管理模型的理論和試驗模擬分析。估體系和結(jié)構變形與周邊土體的相關性評價理論；得到受損結(jié)構周邊地層加固的修復機理以及地層處理對結(jié)構的影響關系；獲得可變參數(shù)造成風險的敏感性及控制對策。發(fā)表 SCI、EI 論文 45 篇以上。撰寫專著 1 部。申請發(fā)明專 利 3 項 。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的系 統(tǒng)軟件 1 套。第五年1.研究地層結(jié)構效應;研究城市場地下工程開挖擾動引起周圍地層破壞的特征、影響作用和規(guī) 律;研究土體結(jié)構尺度和施工尺度對工程安全性的影響機制與規(guī)律;繼續(xù)監(jiān)測地表和地下的中長期變形和滲流量;繼續(xù)對大尺度工程實例的中長期變形的的進行數(shù)值模擬。2.基于地層沉降模式、細觀結(jié)構穩(wěn)定性特點及典型地層變形的預測理論和方法的綜合分析，建立起復雜環(huán)境下地下工程安全埋置深度的1.從結(jié)構穩(wěn)定性的層面分析揭示土體的變形和破壞機理;建立典型地層的破壞準則及建立相應的評價體系; 量化安全評價體系;完成現(xiàn)場中長期資料的整理和分析;進一步步歸納出地下工程開挖擾動的變形的時效規(guī)律2.開發(fā)城市地下工程合理埋置深度的設計軟件系統(tǒng)，并在不少于2 個城市得到應用 3. 對典型實際地下工程進行全施工過程的仿真計算，根據(jù)與 實測研究內(nèi)容 預期目標確定方法；關鍵理論成果和應用成果的總結(jié)和集成，構建起基于科學原理和安全性控制的技術平臺；成果的總結(jié)和完善，在部分城市進行總結(jié)和推廣，編制相應的技術標準和技術指南。3.對典型實際地下工程施工過程進行仿真計算；多場耦合條件下城市地下工程多體相互作用機理研究； 進行全面課題研究總結(jié)，撰寫 課題總結(jié)報告。 組織成果的審查 與驗收。4.利用理論分析及試驗模型結(jié)果，建立多種因素作用下的城市地下工程典型災變預測模型；并針對不同的災變類型及演化后果，建立城市地下工程災害預測方法；提出城市地下工程災害預警標準。5.降 低 既 有 結(jié) 構 物 影 響 的 施工 控 制 措 施 、地 下 結(jié) 構 性 能 劣 化的 全 壽 命 有 效 評 價 、地 下 結(jié) 構 長期 安 全 性 評 估 體 系 和 控 制 理 論 。總結(jié)研究成果，完善研究技術及相關內(nèi)容；進行項目驗收工作。結(jié)果的對比情況，驗證所發(fā)展的模型和方法的合理性并進行必要的修正和完善；通過典型工程案例分析，探討多場耦合條件下城市地下工程多體相互作用機理，并從變形、 強度、裂縫和滲透破壞等方面進行安全性評價；4.分析城市地下工程中的地層變形與結(jié)構的相互作用模式；研究地層變形破壞下結(jié)構響應規(guī)律；提出典型城市地下工程災變的預測方法和災害預警標準。5.提 出 降 低 既 有 結(jié) 構 物 影 響的 施 工 控 制 措 施 和 地 下 結(jié) 構 性能 劣 化 的 全 壽 命 有 效 評 價 方 法 ，構 建 地 下 結(jié) 構 長 期 安 全 性 評 估體 系 和 控 制 理 論 。6.獲得風險至災的內(nèi)在機理；得到城市地下工程重大災變的科學對策.發(fā)表 SCI 和 EI 論文 45 篇以上。 研究內(nèi)容 預期目標申請發(fā)明專利 1 項。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的系統(tǒng)軟件 1 套。完成專著 3 部。完成項目總報告。