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項(xiàng)目名稱： 城市地下工程安全性的基礎(chǔ)理論研究首席科學(xué)家： 張頂立 北京交通大學(xué)起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部門： 教育部一、研究?jī)?nèi)容1、 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的提出隨著城市地下工程建設(shè)規(guī)模的迅速增大，安全性問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注，而且也直接影響到學(xué)科領(lǐng)域的自身的發(fā)展，其中蘊(yùn)涵著許多亟待解決的重大科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展系統(tǒng)的基礎(chǔ) 研究非常迫切。盡管在 規(guī) 范化管理、 監(jiān)控量測(cè)以及施工措施細(xì)化方面進(jìn)行了有效的工作，但由于基于經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)理論沒(méi)有從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，因此對(duì)事故預(yù)測(cè)和判斷具有很大的局限性，已成為對(duì)地下工程安全性實(shí)行科學(xué)化控制以及技術(shù)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(zāi)害和安全事故發(fā)生的根源，因此施工擾動(dòng)下的地層變形和破壞規(guī)律是災(zāi)害機(jī)制研究的基礎(chǔ)，而對(duì)地層材料及其結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)識(shí)則是分析其演化過(guò)程的前提；城市地下工程由于其結(jié)構(gòu)、環(huán)境、施工方法的特殊性也使得工程安全性面臨更加復(fù)雜的條件。因此應(yīng)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(zāi)害類型三個(gè)方面進(jìn)行分析歸納關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。地下工程中的災(zāi)害是由地層、結(jié)構(gòu)物變形過(guò)大或發(fā)生破壞所致。結(jié)構(gòu)物多為金屬管線、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等人造結(jié) 構(gòu)，其非連續(xù)性、非均勻性、流-固耦合特性都不明顯，相 對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易研究。而地層的變形與破壞更加復(fù)雜，而且影響因素多，且對(duì)災(zāi)害的研究不僅關(guān)系災(zāi)害 發(fā)生時(shí)的狀態(tài)，更關(guān)心災(zāi)害的演變過(guò)程，因而，對(duì)應(yīng)的第一個(gè)科學(xué)問(wèn)題是施工擾動(dòng)下地層損傷演化規(guī)律及變形特點(diǎn)，包含的研究?jī)?nèi)容為 地質(zhì)體的初始狀態(tài)、本構(gòu)關(guān)系、 變形理論、破壞理論。由于地質(zhì)體與結(jié)構(gòu)物的力學(xué)特性相差很大，且人類對(duì)地下工程穩(wěn)定性的控制主要是通過(guò)結(jié)構(gòu)物主動(dòng)或被動(dòng)對(duì)地質(zhì)體的支護(hù)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的；同時(shí)地層在變形傳遞過(guò)程會(huì)與相鄰構(gòu)筑物發(fā)生作用，這也是工程災(zāi)害和安全事故發(fā)生的根源，因而，第二個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是地層-結(jié)構(gòu)物動(dòng)態(tài)相互作用關(guān)系及災(zāi)變機(jī)理，包括地層變形作用下的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程及破壞機(jī)理、災(zāi)變形成機(jī)制等。對(duì)地下工程安全性研究的宗旨是對(duì)工程災(zāi)害實(shí)行科學(xué)的控制，因此應(yīng)在以上兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究的基礎(chǔ)上，引入災(zāi)害動(dòng)力學(xué)和控制理論對(duì)災(zāi)變機(jī)理與控制進(jìn)行研究，因而第三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是城市地下工程安全性預(yù)測(cè)與過(guò)程控制原理，包括結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)體系、基于災(zāi)害演化特點(diǎn)的安全性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及控制。2、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的內(nèi)涵本項(xiàng)目以城市地下工程的安全性為研究對(duì)象，圍繞地層變形、破壞特點(diǎn)及演化規(guī)律、多體作用及災(zāi)變形成機(jī)制、安全性控制原理等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，通 過(guò)對(duì)施工擾動(dòng)地層的破壞機(jī)理、地 層變形傳播及其與結(jié)構(gòu)的相互作用特征、災(zāi)害演化過(guò)程、結(jié)構(gòu)劣化評(píng)價(jià)及災(zāi)害控制的研究，揭示地 層變形機(jī)理及災(zāi)害形成機(jī)制，構(gòu)建我國(guó)城市地下工程安全性評(píng)估和控制的系統(tǒng)科學(xué)理論，為我國(guó)城市地下工程的發(fā)展提供科學(xué)的理論依據(jù)。本 項(xiàng)目擬解決的三個(gè)科學(xué)問(wèn)題具體如下：（1） 施工擾動(dòng)下地層損傷演化規(guī)律及變形特點(diǎn)考慮到地層的非均質(zhì)性和結(jié)構(gòu)效應(yīng)，建立土體多尺度模型，從宏、細(xì)觀多個(gè)角度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的層面上分析地層的損傷破壞機(jī)理；建立地層破壞的判別準(zhǔn)則，并基于典型地層條件對(duì)影響地層穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，形成相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(yīng)，建立不良地質(zhì)體對(duì)地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響關(guān)系；根據(jù)地下工程的施工特點(diǎn)，依據(jù)施工過(guò)程力學(xué)原理，通過(guò)試驗(yàn)及模 擬建立起地層開(kāi)挖與周圍地層之間的動(dòng)態(tài)關(guān)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(dòng)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(jī)理，并提出沉降量的預(yù)測(cè)方法；應(yīng)用非線性疊加原理分析群洞施工的相互影響，提出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法；分析隧道圍巖漸進(jìn)破壞特點(diǎn)，描述失穩(wěn)演化 過(guò)程和規(guī)律；建立地層變形的多尺度模型，為變形量的預(yù)測(cè)提供依據(jù)；考慮到工程尺度的影響關(guān)系，建立上覆地層的結(jié)構(gòu)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(gòu)的動(dòng)態(tài)相互作用關(guān)系及災(zāi)變機(jī)制分析受擾動(dòng)地層的變形及其傳播規(guī)律，建立位移場(chǎng)計(jì)算模型；分別采用分離法和耦合法研究地層變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；動(dòng)荷載作用下土體與結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系；建立地層變形與結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)作用模型，分析土體變形作用下的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理及演化過(guò)程；結(jié)構(gòu)變形、破壞對(duì)土體穩(wěn)定性的影響規(guī)律；新建結(jié)構(gòu)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及評(píng)價(jià)方法，用以確定地下結(jié)構(gòu)的保護(hù)范圍和技術(shù)要求；研究水荷載及滲流場(chǎng)影響下的“ 土體 -結(jié)構(gòu)” 作用關(guān)系，為地下結(jié)構(gòu)防排水方案及結(jié)構(gòu)荷載的確定提供依據(jù)；研究地層與結(jié)構(gòu)的失效模式與失效機(jī)理，分析地下工程災(zāi)害形成的條件和判別準(zhǔn)則；通過(guò)試驗(yàn)和模擬地下工程典型安全事故的演化過(guò)程，獲取過(guò)程拐點(diǎn)，為事故的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 提供依據(jù)；建立地下結(jié)構(gòu)及地面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的劣化模型，為長(zhǎng) 期穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則 的確定提供參考；分析地下結(jié)構(gòu)的破壞指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，作為健康監(jiān)測(cè)方案制定的依據(jù)。（3） 城市地下工程安全性預(yù)測(cè)與過(guò)程控制原理研究施工影響范圍內(nèi)地層變形與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系，用以確定地層破壞及其誘發(fā)安全事故的判別準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)；制定受影響建（構(gòu)）筑物的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出安全性等級(jí)；基于非線性動(dòng)力學(xué)理論，建立城市地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)控制模型；研究地下工程與安全相關(guān)的性能參數(shù)正交完備集，建立這些參數(shù)的關(guān) 鍵指標(biāo)；基于施工過(guò)程力學(xué)和非線性力學(xué)建立地層及結(jié)構(gòu)變形的動(dòng)態(tài)控制理論，形成“過(guò)程控制”的原理和方法；揭示地層加固和修復(fù)機(jī)理，探討約束條件下的結(jié) 構(gòu)修復(fù)方法，以便在必要時(shí)實(shí)行“ 過(guò)程恢復(fù)”和“工后恢復(fù)”；建立基于仿真、試驗(yàn)、模 擬和系統(tǒng)集成的安全風(fēng)險(xiǎn)控制和災(zāi)變救護(hù)理論體系。3、主要研究?jī)?nèi)容本項(xiàng)目的研究以揭示城市地下工程安全事故及災(zāi)變的形成機(jī)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(xué)、 結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、隧道與地下工程、工程災(zāi)害學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)以及信息和控制科學(xué)等綜合交叉學(xué)科進(jìn)行系統(tǒng)研究。為此，從地 層變形及其與結(jié)構(gòu)的相互作用本質(zhì)出發(fā)，重點(diǎn)對(duì)地層變形模式、災(zāi)變機(jī)理及控制原理進(jìn)行研究，主要研究如下：（1）多尺度土體與結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理及演化過(guò)程基于地層的宏、細(xì)觀結(jié)構(gòu)及變形局部化的觀點(diǎn)建立復(fù)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(xì)觀結(jié)構(gòu)理論 ，在工程尺度概念上將地 層視為一個(gè)結(jié)構(gòu)體，對(duì)結(jié)構(gòu)的 穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，建立相應(yīng)的判別準(zhǔn)則，從而對(duì)地層的破壞過(guò)程作出描述，揭示地層破壞機(jī)理；同時(shí)考慮到各種因素的影響以及地層不均勻性引起的應(yīng)變局部化效應(yīng)，由此對(duì)地層的破壞發(fā)展過(guò)程進(jìn)行描述；考慮到地層中各種缺陷的影響，建立起評(píng)價(jià)體系，從而對(duì)其影響關(guān)系作出描述。主要包括：1）不同尺度土體與結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)及力學(xué)行為。研究地質(zhì)體力學(xué)參數(shù)探測(cè)方法及量測(cè)系統(tǒng)，建立多尺度土體的內(nèi)在聯(lián)系， 進(jìn)行不同尺度地質(zhì)體力學(xué)參數(shù)反演及識(shí)別方法研究，建立多 場(chǎng)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(yīng)變局部化的啟動(dòng)準(zhǔn)則與土的非線性特性，再現(xiàn) 地層漸進(jìn)破壞過(guò)程，揭示其漸進(jìn)破壞的尺度效 應(yīng)及場(chǎng)地土與城市基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)力相互作用機(jī)理，提出相 應(yīng)的破壞模式和分析理論。3）尺度對(duì)地層及結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。針對(duì)地層中的典型不良地質(zhì)體，通過(guò)與工程尺度的對(duì)比分析，揭示其影響規(guī)律，建立不同尺度復(fù)雜地質(zhì)體力學(xué)模型，給出確定地質(zhì)體力學(xué)參數(shù)的方法。4）不良地質(zhì)體對(duì)地層力學(xué)特性及變形特性的多尺度影響特點(diǎn)。利用度復(fù)雜地質(zhì)體多尺度力學(xué)模型，研究不良地質(zhì)體對(duì)地層力學(xué)的影響，重點(diǎn)分析特殊不良地質(zhì)體對(duì)地層力學(xué)特性及變形特性的多尺度影響機(jī)理，建立不良地質(zhì)體多尺度評(píng)價(jià)體系。5）典型地層的破壞準(zhǔn)則及評(píng)價(jià)體系。利用考慮大尺度場(chǎng)地和局部精細(xì)化計(jì)算的三維多尺度數(shù)值模擬方法，研究土體結(jié)構(gòu)尺度和施工尺度對(duì)工程安全性的影響機(jī)制與規(guī)律，分析典型地層的破壞準(zhǔn)則及建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系，量化安全評(píng)價(jià)體系。（2）施工擾動(dòng)下復(fù)雜地層的變形機(jī)制研究應(yīng)用施工過(guò)程力學(xué)的原理，建立施工影響的動(dòng)態(tài)力學(xué)模型，并對(duì)地層變形和傳播規(guī)律進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。重點(diǎn)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(duì)地層變形進(jìn)行預(yù)測(cè)；考慮上覆地層變形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和時(shí)空效應(yīng)，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(yīng)及其對(duì)地層固結(jié)的影響，建立三場(chǎng)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(dòng)態(tài)關(guān)系；探索結(jié)構(gòu)物及地面荷載對(duì)地層變形演化過(guò)程的影響規(guī)律。主要包括：1）地層施工擾動(dòng)的過(guò)程力學(xué)特性及控制原理。揭示開(kāi)挖卸荷引起地層應(yīng)力應(yīng)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(dòng)態(tài)關(guān)系，對(duì)地層變形演化過(guò)程作出整體的描述，提出地表沉降值的時(shí)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(diǎn)，建立三場(chǎng)耦合作用下地 層變形演化模型，揭示地層失水與施工擾動(dòng)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(kāi)挖尺度與地層變形的動(dòng)態(tài)關(guān)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(shí)空效應(yīng)分析。應(yīng)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(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)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(guān)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(duì)沉降傳播的影響規(guī)律，探索結(jié)構(gòu)物及地面荷載對(duì)地層變形演化過(guò)程的影響規(guī)律，基于 Morlet 小波變換的方法對(duì)地表沉降數(shù)據(jù)序列進(jìn)行多尺度特征分析，給出不同尺度的強(qiáng)弱和分布情況以及沉降變化的趨勢(shì)和突變點(diǎn)。6）地層沉降過(guò)程的模擬與預(yù)測(cè)方法。綜合施工開(kāi)挖和固結(jié)沉降的影響效應(yīng)，對(duì)施工引起的地層沉降進(jìn)行模擬和仿真，建立地層沉降及其對(duì)周邊環(huán)境影響的預(yù)測(cè)方法；通過(guò)對(duì)地層變形的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和時(shí)空效應(yīng)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(guò)程的精細(xì)化監(jiān)測(cè)?；诘貙咏Y(jié)構(gòu)效應(yīng)及跨尺度破壞特點(diǎn)，建立其變形過(guò)程的測(cè)試 理論與方法，尤其 對(duì)細(xì)觀結(jié) 構(gòu)失穩(wěn)與地層整體變形及其傳遞規(guī)律實(shí)施精細(xì)化的監(jiān)控量測(cè)，為過(guò)程控制理論提供依據(jù)。（3）多場(chǎng)條件下的多體相互作用機(jī)理建立多場(chǎng)耦合作用下的土體與結(jié)構(gòu)相互作用模型，可對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性作出評(píng)價(jià)。核心 問(wèn)題是建立地層 與結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)模型，同時(shí)考慮到水及動(dòng)荷載的影響。分析城市地下工程中地層與結(jié)構(gòu)的相互作用特點(diǎn)及其力學(xué)特征；分析不同類型地層、結(jié)構(gòu)及其相互位置關(guān)系的作用效應(yīng)，建立評(píng)價(jià)體系和方法對(duì)其作用結(jié)果作出判斷；分析新建工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的作用規(guī)律，進(jìn)而給出既有地下結(jié)構(gòu)周圍允許施工的空間范圍；研究車輛振動(dòng)在地層中的傳播規(guī)律及其對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物的影響關(guān)系；提出地下結(jié)構(gòu)水荷載的設(shè)計(jì)理論和方法；新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)土體的力學(xué)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(xué)特征。以土水壓力和“ 土體－結(jié)構(gòu)”的相互作用為主線，考慮多種荷載和多 場(chǎng)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(xué)特征。2）多場(chǎng)作用下的土體與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)作用關(guān)系?？紤]城市地下工程多體系統(tǒng)中的多場(chǎng)耦合作用以及動(dòng)態(tài)變化特性，研究在此條件下的土體的本構(gòu)關(guān)系及適用性、土與結(jié)構(gòu)物間的接觸特性，分析多場(chǎng)作用下土體與結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系。3）動(dòng)荷載環(huán)境下的土體與結(jié)構(gòu)作用關(guān)系。通過(guò)對(duì)典型土樣以及土與結(jié)構(gòu)接觸面的動(dòng)力特性試驗(yàn)、土與結(jié) 構(gòu)物的振動(dòng)離心模型試驗(yàn)，研究動(dòng)荷載下土體與結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系及破壞特征。4）施工影響下的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理及安全性評(píng)價(jià)。重點(diǎn)分析地下工程施工引起的安全事故以及導(dǎo)致鄰近建筑物破壞主的要原因，針對(duì)各種影響因素的主次關(guān)系給出安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系、 權(quán)重和分析方法。5）新建工程與既有結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系規(guī)律。通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究新建工程與既有結(jié)構(gòu)在時(shí)空上相互影響、相互作用的關(guān)系，建立控制新建工程施工和運(yùn)行的指導(dǎo)性原則。（4）城市地下工程災(zāi)變演化規(guī)律及預(yù)測(cè)建立地層及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)體系，揭示不同類型安全事故的發(fā)生機(jī)理。從工程結(jié)構(gòu)安全和環(huán)境影響兩個(gè)方面對(duì)地下工程的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。重點(diǎn)分析大尺度地下結(jié)構(gòu)的可靠性、分步施工過(guò)程中的力學(xué)轉(zhuǎn)化規(guī)律，對(duì)關(guān)鍵施工步序下的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)述；分析地層與工程結(jié)構(gòu)的失效模式及發(fā)生條件，揭示不同類型災(zāi)害的形成機(jī)理；典型災(zāi)害過(guò)程的模擬與仿真；災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的多因素分析與預(yù)測(cè)方法；城市地下工程建設(shè)災(zāi)害的預(yù)警、報(bào)警機(jī)制及管理系統(tǒng)。主要包括：1）城市地下工程災(zāi)變類型及分析。系統(tǒng)調(diào)研國(guó)內(nèi)外城市地下工程災(zāi)害狀況，分析各類災(zāi)害發(fā)生的特點(diǎn)及其引發(fā)的次生災(zāi)害類型，根據(jù)不同的災(zāi)害損失后果，建立城市地下工程災(zāi)變分類體系。2）城市地下工程影響下地層與結(jié)構(gòu)的失效模式及災(zāi)變機(jī)理。研究城市地下工程地層變形與結(jié)構(gòu)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(gòu)的失效模式以及不同結(jié)構(gòu)失效模式下的災(zāi)變機(jī)理。3）城市地下工程典型災(zāi)變演化過(guò)程的模擬試驗(yàn)。采用離心機(jī)模型試驗(yàn)分析城市地下工程漸進(jìn)性災(zāi)變破壞過(guò)程及引發(fā)的災(zāi)害演化過(guò)程；采用數(shù)值模擬方法及災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，對(duì)典型災(zāi)變的演化過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。4）城市地下工程地層及結(jié)構(gòu)的失效判別指標(biāo)及破壞準(zhǔn)則研究。針對(duì)城市地下工程典型災(zāi)變演化模式，確定地層與結(jié)構(gòu)的失效指標(biāo)，建立不同地下工程典型災(zāi)變破壞準(zhǔn)則；研究周邊臨近構(gòu)筑物的失效指標(biāo)，并制定其破壞準(zhǔn)則。5）城市地下工程典型災(zāi)變預(yù)測(cè)模型、災(zāi)害預(yù)測(cè)方法及災(zāi)害預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。建立多種因素作用下的城市地下工程典型災(zāi)變預(yù)測(cè)模型，針對(duì)不同的災(zāi)變類型及演化后果，建立城市地下工程災(zāi)害預(yù)測(cè)方法；提出城市地下工程災(zāi)害預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。6）地層與結(jié)構(gòu)作用過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制方法。建立“地 層- 結(jié)構(gòu)” 作用過(guò)程的監(jiān)控體系，尤其對(duì)地下結(jié)構(gòu)物的安全狀態(tài)實(shí)施直接和間接的監(jiān)測(cè)，并及時(shí)反饋信息，提高安全性控制水平。（5）復(fù)雜環(huán)境作用下地下結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性及其預(yù)測(cè)方法建立地下結(jié)構(gòu)的劣化模型，分析結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理并確定控制指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，由此制定工程結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。建立地下結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)價(jià)體系，分別對(duì)地下結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及動(dòng)載作用下的可靠性進(jìn)行研究；新建結(jié)構(gòu)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，重點(diǎn)考察 對(duì)既有結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的影響，建立既有結(jié)構(gòu)損傷演化模型，為既有結(jié)構(gòu)的 預(yù)加固和預(yù)處理提供理論依據(jù)；根據(jù)具體結(jié)構(gòu)的損傷劣化特點(diǎn)提出結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法。主要包括：1）城市地下結(jié)構(gòu)的耐久性及長(zhǎng)期安全性特點(diǎn)。分析城市地下結(jié)構(gòu)的環(huán)境特點(diǎn)，探索影響城市地下結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素；分析地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性特點(diǎn)，建立地下結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全性的評(píng)價(jià)體系；明確提高地下結(jié)構(gòu)耐久性的技術(shù)思路。2）強(qiáng)動(dòng)力作用下的結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn)和安全性評(píng)價(jià)。重點(diǎn)分析城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的振動(dòng)對(duì)地下結(jié)構(gòu)損傷演化特點(diǎn)，揭示其影響機(jī)理；研究列車振動(dòng)在地層中的傳播規(guī)律及其對(duì)鄰近地下結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。3）環(huán)境影響下結(jié)構(gòu)性能劣化機(jī)理及過(guò)程。建立地下結(jié)構(gòu)性能劣化的分析模型，揭示地下結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán) 境影響下的劣化機(jī)理；分析結(jié)構(gòu)劣化的主要影響因素，描述劣化和破壞過(guò)程。4）近接施工對(duì)既有工程結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。分析既有結(jié)構(gòu)在給定變形條件下的安全性及其評(píng)價(jià)方法，建立 結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)價(jià)體系，并給出新建結(jié)構(gòu)的施工優(yōu)化方法。5）結(jié)構(gòu)性能劣化的計(jì)算模型。結(jié)合地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜環(huán)境及受力特點(diǎn)，建立結(jié)構(gòu)性能劣化的計(jì)算分析模型，并采用數(shù)值計(jì)算獲得評(píng)價(jià)方法。（6）災(zāi)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(dòng)力學(xué)理論建立地下工程安全性的控制體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的全過(guò)程控制。從典型安全事故和重大災(zāi)變的發(fā)生機(jī)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(guò)程 論的觀點(diǎn)，建立起城市地下工程安全性的過(guò)程控制理論；依據(jù)地層與結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系，提出重要結(jié)構(gòu)物控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法；結(jié)構(gòu)物注漿抬升的原理和方法；受損結(jié)構(gòu)物的修復(fù)理論和方法；復(fù)雜環(huán)境條件下地下結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全性的評(píng)價(jià)理論和方法。主要包括：1）典型結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)估體系。研究地下結(jié)構(gòu)變形非線性反應(yīng)模擬的精細(xì)化建模方法和模型， 獲得地層變形作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)與損傷狀態(tài)、性能指標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系，建立起 結(jié)構(gòu)變形控制的評(píng)價(jià)體系。2）地層與結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)的確定。通過(guò)地層與結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系的分析，建立結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法；綜合考慮地層變形的非線性特點(diǎn)，進(jìn)而提高相應(yīng)地層控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法。3）地層及結(jié)構(gòu)的非線性控制理論。按照結(jié)構(gòu)變形與施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)關(guān)系，建立起兩者的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，以此作為過(guò)程控制的基礎(chǔ)；依據(jù)控制論原理，建立起動(dòng)態(tài)控制的修正模型。4）受擾動(dòng)地層的加固與修復(fù)原理。發(fā)展結(jié)構(gòu)變形與周邊土體的相關(guān)性評(píng)價(jià)理論，建立地層加固對(duì)結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系；研究結(jié)構(gòu)修復(fù)的安全性，揭示結(jié)構(gòu)狀態(tài)修復(fù)機(jī)理。5）地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)控制理論體系。提出地下工程的安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)模式和分析模型，按照系統(tǒng)論的觀 點(diǎn)，建立起完善的安全 風(fēng)險(xiǎn) 控制系統(tǒng)。在對(duì)基礎(chǔ)理論、災(zāi)害發(fā)生機(jī)理以及控制原理研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(tái)，包括安全風(fēng)險(xiǎn)的控制系統(tǒng)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，可以再現(xiàn)和預(yù)測(cè) 災(zāi)害的發(fā)生過(guò)程，形成災(zāi)害防治、 長(zhǎng)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(kù)和知識(shí)庫(kù)，編 制專家系統(tǒng)軟件；根據(jù)我國(guó)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(gè)典型城市分別完成可操作性的管理系統(tǒng)平臺(tái)。二、預(yù)期目標(biāo)（一）總體目標(biāo)通過(guò)對(duì)施工影響下地層損傷演化和變形機(jī)制、地層與結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系、災(zāi)害發(fā)生機(jī)理等問(wèn)題的系統(tǒng)研究，建立我國(guó)城市地下工程安全性控制的理論體系，為城市地下空間開(kāi)發(fā)的 規(guī)劃、建 設(shè)以及城市軌道交通等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的安全風(fēng)險(xiǎn)控制提供理論基礎(chǔ)， 顯著改善我國(guó)城市地下工程建設(shè)的安全形勢(shì)；使重大工程決策和安全性管理更具科學(xué)化、前瞻性和可控制性，為城市地下工程科學(xué)對(duì)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(xiàn)；并通過(guò)學(xué)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(jìn)的城市地下工程研究平臺(tái)，為城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和學(xué)科的持續(xù)技術(shù)進(jìn)步奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（二）五年預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)如下：（1）基于不同尺度土體的變形演化特點(diǎn)、變形局部化及滲透耦合力學(xué)行為的分析，建立地層穩(wěn)定性的評(píng) 價(jià)體系和方法，以此 對(duì)典型地層的破壞特點(diǎn)作出評(píng)述；針對(duì)不同地層受擾動(dòng)影響的特點(diǎn)，建立不同地層沉降模式下的力學(xué)模型，由此可對(duì)地層總體沉降狀況和控制要點(diǎn)作出判斷；考慮施工過(guò)程特點(diǎn)及其擾動(dòng)地層變形演化規(guī)律，建立地層位態(tài)與施工行為的動(dòng)態(tài)定量化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)過(guò)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(guān)系，提出臨界埋深的確定方法。本項(xiàng)成果可為擾動(dòng) 地層與結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系及災(zāi)害機(jī)理的分析提供基礎(chǔ)。（2）依據(jù)地層受施工擾動(dòng)后的應(yīng)力狀態(tài)及其與結(jié)構(gòu)空間關(guān)系，建立不同作用模式下的“地 層—結(jié)構(gòu)” 相互作用關(guān)系，并對(duì)作用結(jié)果作出定量分析和描述；依據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變后周圍土體的響應(yīng)特點(diǎn)，并考慮水的滲透影響，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)， 進(jìn)而提出新建工程施工的極限影響范圍；通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，提出施工行為對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響模式和類型，以此為城市地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。（3）分析城市地下工程建設(shè)中的主要災(zāi)害類型，對(duì)其產(chǎn)生的背景、誘因進(jìn)行歸納和總結(jié)，作為安全性分析的基礎(chǔ)；研究地層在水作用下的破壞模式，描述其發(fā)展過(guò)程，建立損傷演化模型，揭示地層坍塌發(fā)生機(jī)理；發(fā)展城市建（構(gòu)）筑物失效模式的分析方法，提高結(jié) 構(gòu)的抗變形能力，并建立施工擾動(dòng)結(jié)構(gòu)安全性的等級(jí)劃分體系，給出劃分的方法；建立城市地下工程的災(zāi)變預(yù)測(cè)模型，研制重大災(zāi)變的預(yù)警、 報(bào)警系統(tǒng)。（4）建立城市地下結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境下的劣化模型，描述其損傷、破壞和災(zāi)變形成過(guò)程，建立結(jié)構(gòu)劣化參數(shù)與安全性之間的定量評(píng)價(jià)關(guān)系；提出地下結(jié)構(gòu)的病害檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法，制定相 應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)， 規(guī) 范檢測(cè)評(píng)估工作；重點(diǎn)分析新建工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，為新建工程的設(shè)計(jì)、施工及既有結(jié)構(gòu)的保護(hù)提供理論依據(jù)。（5）根據(jù)城市地下工程典型災(zāi)變的形成機(jī)制，建立災(zāi)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(zāi)害的過(guò)程控制理論，完善地層與結(jié)構(gòu)變形和安全性狀態(tài)的變位分配方法；建立結(jié)構(gòu)修復(fù)的系統(tǒng)理論，重點(diǎn)揭示結(jié)構(gòu)注漿抬升的機(jī)理，形成系統(tǒng)的理論認(rèn)識(shí)；集成綜合技術(shù)，構(gòu)建綜合控制平臺(tái)，并 給出 2 個(gè)典型城市的綜合控制方案。本項(xiàng)目集中我國(guó)在城市地下工程領(lǐng)域中最核心的研究力量，研究陣容強(qiáng)大，并擬開(kāi)展國(guó)際合作。通過(guò)本 項(xiàng)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(xué)術(shù)專著（其中外文出版2 部），申請(qǐng)發(fā)明專利 20 項(xiàng) ，開(kāi) 發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) 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(qiáng)、具有 較大國(guó)際影響的中青年科學(xué)家，整體提升我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際地位，實(shí)現(xiàn)我國(guó)由地下工程大國(guó)向地下工程強(qiáng)國(guó)的跨越。 考慮到本項(xiàng)目的研究直接面對(duì)城市地下工程安全建設(shè)的重大需求，研究成果的技術(shù)轉(zhuǎn)化力較強(qiáng)，工程需求迫切，因此在對(duì)北京和深圳兩個(gè)城市進(jìn)行工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，建立城市地下工程安全性控制系統(tǒng)平臺(tái)，完成《城市地下工程安全性控制技術(shù)指南》，并為《城市地下工程設(shè)計(jì)規(guī)范》提供完整的技術(shù)資料。三、研究方案（一）學(xué)術(shù)思路本項(xiàng)目涉及土力學(xué)、施工過(guò)程力學(xué)、隧道及地下工程、 結(jié)構(gòu)力學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)、災(zāi)害動(dòng)力學(xué)、控制理論等多個(gè)學(xué)科分支，必 須 通過(guò)多學(xué)科交叉與融合研究，認(rèn)識(shí)和揭示城市地下工程變形和破壞的演化機(jī)理，建立城市地下工程安全性評(píng)、預(yù)測(cè)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(xué)體系。本項(xiàng)目的學(xué)術(shù)思路是以復(fù)雜環(huán)境下的城市地下工程為研究對(duì)象，圍繞開(kāi)挖擾動(dòng)作用、土—結(jié)構(gòu)體失效破壞與控制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，在我國(guó)大規(guī)模開(kāi)發(fā)城市地下空間中現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和資料積累基礎(chǔ)上，利用多尺度理論和先進(jìn)的試驗(yàn)與計(jì)算手段，研究城市地下工程中災(zāi)害的特征、形成機(jī)理、模擬和預(yù)測(cè)方法；依托近些年申請(qǐng)單位投資興建的大型隧道試驗(yàn)臺(tái)、土工離心機(jī)模型、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)設(shè)施， 結(jié)合多種研究手段，針對(duì)復(fù)雜 條件下城市地下工程的災(zāi)害與安全性的控制原理進(jìn)行研究；通過(guò)我國(guó)多個(gè)城市地下空間開(kāi)發(fā)中發(fā)生的災(zāi)害實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，形成城市地下工程安全性控制的理論體系。（二）技術(shù)途徑城市地下工程是巨型復(fù)雜系統(tǒng)，地下工程的災(zāi)變是由微觀向宏觀發(fā)展的跨尺度演變過(guò)程，揭示城市地下工程災(zāi)變機(jī)理與控制的理論和對(duì)策，需要解決三個(gè)科學(xué)難點(diǎn)：（1）多尺度耦合條件下土體—結(jié)構(gòu)破壞演化機(jī)理；（2）多因素耦合作用下城市地下工程災(zāi)變非線性演化過(guò)程；（3）城市地下工程安全性預(yù)測(cè)與定量化控制理論。解決第一個(gè)科學(xué)難點(diǎn)主要通過(guò)下列途徑：采用現(xiàn)代巖土工程試驗(yàn)技術(shù)與非線性動(dòng)力學(xué)、多尺度理論、損傷力學(xué)理論與方法， 結(jié)合 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究城市地下工程從土體、構(gòu)件到土—結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)的損傷破壞動(dòng)力學(xué)行為的多尺度建模理論與方法；應(yīng)用高效實(shí)用的計(jì)算方法和并行計(jì)算技術(shù)，基于地層細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，研究復(fù)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(jī)理。解決第二個(gè)科學(xué)難點(diǎn)主要通過(guò)下列途徑：利用最近十幾年獲得的城市地下工程觀測(cè)數(shù)據(jù)和災(zāi)害實(shí)例數(shù)據(jù)， 結(jié)合土工離心機(jī)模型試驗(yàn)，采用多尺度模型，建立基于微觀和宏觀耦合的數(shù)值計(jì)算模型，借助并行計(jì)算技術(shù)，研究多因素條件下城市地下工程災(zāi)變的非線性演化過(guò)程。結(jié)合城市地下空間的多尺度、多場(chǎng)、多體的特性，模擬預(yù)測(cè)城市地下工程的破壞特征與機(jī)理，提出其理論表述方法，揭示其形成機(jī)理。 解決第三個(gè)科學(xué)難點(diǎn)主要通過(guò)下列途徑：從災(zāi)變演化過(guò)程入手，研究城市地下空間開(kāi)挖擾動(dòng)過(guò)程中能量轉(zhuǎn)移、吸收與耗散機(jī)理和分布規(guī)律，以此為基礎(chǔ)，建立控制指標(biāo)的變位分配原理。 針對(duì)分配指標(biāo)，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(xì)部與整體的安全性，達(dá)到量化安全控制的目的。以多個(gè)典型的城市地下工程為驗(yàn)證和考核實(shí)例，反饋和完善提出的理論。（三）創(chuàng)新點(diǎn)與特色與國(guó)際同類研究和前期研究相比，本項(xiàng)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(dòng)態(tài)演化預(yù)測(cè)模型，揭示城市地下工程災(zāi)變機(jī)理，改變長(zhǎng)期以來(lái)城市地下空間的安全性采用綜合考慮經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、專家意見(jiàn)和簡(jiǎn)單 模型的半經(jīng)驗(yàn)的評(píng)估與預(yù)測(cè)方法，建立考慮城市地下工程損傷演化、破壞直至災(zāi)害過(guò)程的定量分析方法和預(yù)測(cè)理論，為城市安全性定量評(píng)價(jià)理論的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2. 拓展傳統(tǒng)安全評(píng)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(gòu)非線 性破壞控制理論， 為工程由構(gòu)件安全驗(yàn)算到細(xì)部與結(jié)構(gòu)整體安全能力相結(jié)合的設(shè)計(jì)奠定科學(xué)基礎(chǔ)；發(fā)展復(fù)雜環(huán)境下城市地下工程非線性災(zāi)變過(guò)程的多尺度精細(xì)化高效數(shù)值模擬和大尺度試驗(yàn)方法，提出城市地下工程安全性設(shè)計(jì)理論，構(gòu)建城市工程細(xì)部與整體安全性能力的理論評(píng)價(jià)體系，為地下結(jié)構(gòu)從安全設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向性能設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。3. 提出并研究地下工程安全性控制指標(biāo)的變位分配原理。以施工過(guò)程力學(xué)和非線性控制理論為基礎(chǔ)，從災(zāi)變演化過(guò)程入手，研究變位分配原理的基礎(chǔ)、內(nèi)涵以及實(shí)施規(guī)則。針對(duì)分配指 標(biāo)，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(xì)部與整體的安全性，達(dá)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(lái)國(guó)內(nèi)進(jìn)行了大規(guī)模的地下空間開(kāi)發(fā)，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多次重大安全事故，積 累的相關(guān)資料可以作 為本項(xiàng)目研究應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，相應(yīng)的災(zāi)害給本項(xiàng)目研究揭示城市地下工程安全性與災(zāi)害控制以直觀的認(rèn)識(shí)、啟示和理論驗(yàn)證實(shí)例。本項(xiàng) 目申請(qǐng)單位北京交通大學(xué)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(cè)，系統(tǒng) 地分析了各類災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理。北京交通大學(xué)、西南交通大學(xué)和中科院武漢巖土所也分別廣州、深圳、南京、沈陽(yáng)等城市地鐵建設(shè)中開(kāi)展了有關(guān)安全性的研究工作。這些地區(qū)是我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)，也是具有代表性的典型地區(qū)。此外，國(guó)外工程的詳盡 資料也為本項(xiàng)目開(kāi)展城市地下工程安全性評(píng)估、災(zāi)害預(yù)測(cè) 和控制研究提供了十分有利的條件。2. 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù) 值計(jì)算和高新技術(shù)是本項(xiàng)目研究的重要手段，我國(guó)在這些研究手段方面已經(jīng)具備良好的條件。項(xiàng)目牽頭單位是我國(guó)較早開(kāi)展城市地下工程設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)研究的單位，近年來(lái)又在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了安全風(fēng)險(xiǎn)控制的研究和實(shí)踐，取得了公認(rèn)的研究成果。北京交通大學(xué)擁有國(guó)內(nèi)唯一的雙層地下試驗(yàn)隧道以及可模擬多場(chǎng)耦合作用下地下結(jié)構(gòu)與圍巖作用的大型試驗(yàn)臺(tái)；在PFPEG 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了并行有限元計(jì)算程序，可進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值模擬。清華大學(xué)具有先進(jìn)的土工離心機(jī)，可滿足本項(xiàng)目地層力學(xué)特性方面研究的需要；中科院武漢巖土所建有巖土力學(xué)及工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，可完成本項(xiàng)目的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。最近幾年，我國(guó)木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)備得到了很好的更新和升級(jí)， 項(xiàng)目申請(qǐng)單位的試驗(yàn)設(shè)備，無(wú)論從數(shù)量和性能都已經(jīng)接近經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家的試驗(yàn)條件，試驗(yàn)技術(shù)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(jì)算在城市地下工程研究中得到了初步應(yīng)用。上述條件為本項(xiàng)目的實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。3．相關(guān)科學(xué)進(jìn)展為本項(xiàng)目的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。項(xiàng)目申報(bào)單位承擔(dān)的多項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，以及省市 級(jí)項(xiàng)目均涉及城市地下工程災(zāi)害的研究，構(gòu)建了本項(xiàng)目良好的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)；我國(guó)許多城市地下空間的開(kāi)發(fā)中都建立了災(zāi)害評(píng)估管理系統(tǒng)，為城市地下工程安全性理論的研究與驗(yàn)證提供了直接可用的數(shù)據(jù)。北京交通大學(xué)針對(duì)城市地下工程建設(shè)安全性控制原理及應(yīng)用技術(shù)，自 2001 年以來(lái)，結(jié)合深圳、北京、天津地鐵和大連城市隧道工程進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，形成整體技術(shù)成果，之后在北京、沈陽(yáng)、西安、蘇 州、廣州地鐵以及武廣鐵路客運(yùn)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(jī)場(chǎng)路隧道工程等地下工程建設(shè)中得到了推廣應(yīng)用，確保了工程安全。在國(guó)內(nèi)外發(fā)表了學(xué)術(shù)論 文 60 多篇，其中 SCI 和EI 收錄 40 余篇；已申 請(qǐng)國(guó)家 發(fā)明專利 4 項(xiàng)，其中已授權(quán) 1 項(xiàng)，軟件著作權(quán) 1 項(xiàng)；先后獲得教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)，北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)、二等獎(jiǎng) 2 項(xiàng)。 這一階段的研究重點(diǎn)在于解決技術(shù)層面的問(wèn)題，對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究提出的較高的需求。應(yīng)對(duì) 此需求， 2005 年至今研究的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)研究，為申報(bào)項(xiàng)目的研究提供了基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)理論突破以后，所形成的全新技術(shù)將會(huì)提高到一個(gè)更高的層次。本項(xiàng)目的參加單位近年來(lái)也對(duì)城市地下工程的環(huán)境影響、控制、地下結(jié)構(gòu)耐久性開(kāi)展了系 統(tǒng)的研究，尤其 對(duì)土體的 結(jié)構(gòu)特性及跨尺度特性、變形測(cè)試等問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究工作，對(duì)某些特殊地層變形特點(diǎn)進(jìn)行總體提升，可作為本項(xiàng)目的工作基 礎(chǔ)。 4. 近年來(lái)，我國(guó)地下空間的開(kāi)發(fā)規(guī)模居世界首位，在地下工程和風(fēng)險(xiǎn)管理的學(xué)術(shù)研究上積累了較多的研究成果，同時(shí)也培養(yǎng)了一支老中青結(jié)合的高水平研究隊(duì)伍。本 項(xiàng)目通過(guò)多部門 學(xué)科交叉研究， 組建由年 輕學(xué)者領(lǐng)頭、多名院士指 導(dǎo)和幾十位骨干研究者參與的高水平隊(duì)伍，將在城市地下工程安全性基礎(chǔ)理論研究上取得突破和創(chuàng)新成果， 實(shí)現(xiàn)我國(guó)城市地下工程安全性評(píng)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(guó)際影響的研究團(tuán)隊(duì)。（五）各課題間相互關(guān)系為有效地開(kāi)展研究工作，本項(xiàng)目擬設(shè)置以下 6 個(gè)相對(duì)獨(dú)立、但又彼此聯(lián)系的課題開(kāi)展研究：1．多尺度土體與結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理及演化過(guò)程2．施工擾動(dòng)下復(fù)雜地層的變形機(jī)制研究3．多場(chǎng)作用下的多體相互作用機(jī)理4．城市地下工程災(zāi)變演化規(guī)律及預(yù)測(cè)5．復(fù)雜環(huán)境作用下地下結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性及其預(yù)測(cè)方法6．災(zāi)害環(huán)境下地下工程安全性控制原理和方法六個(gè)課題以項(xiàng)目的總體目標(biāo)為龍頭、總體科學(xué)思路為主線，按照各自的特點(diǎn)，在研究?jī)?nèi)容上各有側(cè)重，形成一個(gè)依次遞進(jìn)、互相關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體（圖）。第一個(gè)課題重點(diǎn)揭示城市地下工程中土體結(jié)構(gòu)的破壞力學(xué)特性；第二課題揭示城市地下工程施工中復(fù)雜地層的變形機(jī)理及傳遞規(guī)律；課題三研究多場(chǎng)作用下的多體相互作用機(jī)理。課題一、二、三是整個(gè) 項(xiàng)目的基礎(chǔ)。 課題四、五分別研究施工期和使用期城市地下工程災(zāi)變演化規(guī)律及預(yù)測(cè)，是項(xiàng)目的核心研究?jī)?nèi)容。課題六研究復(fù)雜環(huán)境作用下地下結(jié)構(gòu)的安全性及其預(yù)測(cè)方法、災(zāi)害環(huán)境下地下工程安全性控制原理和方法，是實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)的關(guān)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(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)施工力學(xué)工程地質(zhì)土力學(xué)動(dòng)力學(xué)災(zāi)害動(dòng)力學(xué)控制理論地層與結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)相互作用及災(zāi)變機(jī)制城市地下工程安全性控制原理災(zāi)害動(dòng)力學(xué)破壞模型 變形模型 相互作用模型工程建設(shè) 安全性控制理論工程服役期安全控制理論施工擾動(dòng)下地層變形與破壞的演化機(jī)理和特點(diǎn)城市地下工程安全性預(yù)測(cè)與過(guò)程控制原理圖 項(xiàng)目課題設(shè)置及其關(guān)系四、年度計(jì)劃研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年1.啟動(dòng)項(xiàng)目，制定詳細(xì)的實(shí)施方案，項(xiàng)目分解并明確分工。2. 開(kāi)展專題的城市地下工程案例調(diào)查， 對(duì)不同典型地區(qū)、典型工程地質(zhì)條件下的工程案例進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查、分類 、分析,收集和分析我國(guó)已建城市地下工程的相關(guān)資料，包括應(yīng)力變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和典型事故案例。3.調(diào)研國(guó)內(nèi)外顆粒細(xì)觀力學(xué)測(cè)試技術(shù)，研制室內(nèi)小型的顆 粒材料細(xì)觀力學(xué)測(cè)試設(shè)備，研究測(cè)試 技術(shù)與和測(cè)試方法；制訂土體及土-結(jié)構(gòu)接觸面基本特性試驗(yàn)方案以及計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)方案。4.選定 2～3 個(gè)典型城市地下工程為課題依托，進(jìn)行詳細(xì)地分析和典型土體的取樣,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)定,并從現(xiàn)場(chǎng)鉆取幾種代表性土樣，進(jìn)行基本物理特性和三軸應(yīng)力應(yīng)變實(shí)1.確定試驗(yàn)設(shè)備研制、購(gòu)置和改造的基本思路，初步確定試驗(yàn) 方法并論證其可行性；完成顆小型粒細(xì)觀力學(xué)測(cè)試裝置的研制與開(kāi)發(fā)，完成小型顆粒細(xì)觀力學(xué)測(cè)試裝置的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案, 初步完成無(wú)線 智能量測(cè)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(gòu)相互作用特點(diǎn)、多場(chǎng)耦合基本特點(diǎn)、常見(jiàn)事故類型及原因等；對(duì)典型工程進(jìn)行土層及結(jié)構(gòu)概化，對(duì)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(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)極其結(jié)果分析3.確定數(shù)值計(jì)算方法及軟件開(kāi)發(fā)的基本方向，對(duì)其中的關(guān) 鍵部分進(jìn)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(diǎn)；形成典型研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)驗(yàn)；針對(duì)不同的工程條件進(jìn)行 3～5臺(tái)室內(nèi)模型試驗(yàn)，重點(diǎn)研究隧道施工的過(guò)程力學(xué)特點(diǎn)和變形演化規(guī)律；5.討論城市地下工程災(zāi)害的誘發(fā)因素及其相應(yīng)的施工方法，分析各災(zāi)害發(fā)生的特點(diǎn)及其引發(fā)的次生災(zāi)害類型；根據(jù)不同的災(zāi)害損失后果，建立城市地下工程災(zāi)變分類。6.研究地 下 結(jié) 構(gòu) 耐 久 性 的 影響 因 素 、列 車 動(dòng) 荷 載 曲 線 、列 車荷 載 對(duì) 地 下 結(jié) 構(gòu) 的 動(dòng) 力 作 用 、地震 和 爆 破 作 用 地 下 結(jié) 構(gòu) 的 動(dòng) 力響 應(yīng) 、地 下 結(jié) 構(gòu) 荷 載 特 性 、近 接施 工 對(duì) 地 層 的 擾 動(dòng) 、城 市 地 下 結(jié)構(gòu) 健 康 與 安 全 狀 態(tài) 的 監(jiān) 測(cè) 原 理 。7.建立能夠考慮城市地下工程設(shè)計(jì)與建造過(guò)程的復(fù)雜性、能 夠考慮地下結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境 結(jié)構(gòu)物耦合作用的精細(xì)化分析模型。地層過(guò)程破化和變形演化的基本認(rèn)識(shí)，對(duì)施工力學(xué)的轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行描述.5.分析各種城市地下工程災(zāi)害發(fā)生的特點(diǎn)及其引發(fā)的次生災(zāi)害類型，建立城市地下工程災(zāi)變分類。6.探 明 地 下 結(jié) 構(gòu) 耐 久 性 的 影 響因 素 ，提 出 振 動(dòng) 對(duì) 地 下 結(jié) 構(gòu) 的 動(dòng)力 形 態(tài) ，掌 握 地 下 結(jié) 構(gòu) 荷 載 的 遷移 特 性 以 及 近 接 施 工 對(duì) 地 層 的擾 動(dòng) ，構(gòu) 建 城 市 特 定 條 件 下 地 下結(jié) 構(gòu) 健 康 與 安 全 狀 態(tài) 的 監(jiān) 測(cè) 原理 。7.揭示城市地下工程建造過(guò)程及運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)構(gòu)物與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境結(jié)構(gòu)物的耦合響應(yīng)；發(fā)表 SCI 和 EI 收錄論文 30 篇以上。研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第二年1.用所研制的顆粒材料細(xì)觀力學(xué)小型測(cè)試設(shè)備研究應(yīng)變局部化物理和幾何機(jī)制及其與土體物理特性的相關(guān)關(guān)系;開(kāi)發(fā)能分析微小應(yīng)變到大應(yīng)變破壞的有限元分析程序;建立多場(chǎng)耦合變形的理論與數(shù)值模型;開(kāi)展非連續(xù)、非均勻介質(zhì)力學(xué)模型及其計(jì)算方法研究；在選取一個(gè)地下工程現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)測(cè)地表和地下的變 形。2.對(duì)選取的代表性土樣和土-結(jié)構(gòu)接觸面進(jìn)行基本性質(zhì)試驗(yàn)，研究其在復(fù)雜條件下的變形和強(qiáng)度特性；根據(jù)試驗(yàn)成果，發(fā)展適合于城市地下工程土體以及土-結(jié)構(gòu)接觸面的本構(gòu)關(guān)系；城市地下工程土體與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究；發(fā)展城市地下工程典型破壞過(guò)程數(shù)值模擬方法；設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)設(shè)備并進(jìn)行部分試驗(yàn)。3.對(duì)典型地層結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)過(guò)程和失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行模擬和仿真以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模擬試驗(yàn)，并對(duì)多個(gè)細(xì)觀結(jié)構(gòu)1.初步完成部分應(yīng)變局部化的實(shí)驗(yàn)，并完成相應(yīng)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(chǎng)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(xué)模型的建立及其計(jì)算方法研究，初步完成相應(yīng)的程序開(kāi) 發(fā)和調(diào)試; 完成現(xiàn)場(chǎng)資料的整理和分析2.分析含水量、結(jié)構(gòu)性和應(yīng)力路徑等不同組合條件下土體以及土－結(jié)構(gòu)接觸面的變形和強(qiáng)度特性；發(fā)展適用于城市地下工程的土體以及土-結(jié)構(gòu)接觸面本構(gòu)模型，能適用多場(chǎng)耦合和復(fù)雜應(yīng)力路徑變化等城市地下工程的主要特點(diǎn)；分析交通荷載等動(dòng)力作用對(duì)土體及地下結(jié)構(gòu)的影響特點(diǎn)，結(jié) 合實(shí)測(cè)資料分析和多 場(chǎng)耦合動(dòng)力有限元計(jì)算，研究動(dòng) 荷載下土體與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)及對(duì)周圍環(huán)境的影響；采用有限元-無(wú)網(wǎng)格法耦合以及擴(kuò)展有限元等新興數(shù)值計(jì)算方法，發(fā) 展可用于進(jìn)行滲透 變形和研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)模型的整體效應(yīng)進(jìn)行模擬，建立綜合效應(yīng)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的關(guān)系；建立幾種典型的地層細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，對(duì)穩(wěn)定性性進(jìn)行分析，分析其主要影響因素和關(guān)鍵指標(biāo)，取得相應(yīng)判據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)4.利用相似模型試驗(yàn)?zāi)M城市地下工程典型災(zāi)變演化狀態(tài)，分析災(zāi)變條件下地層及結(jié)構(gòu)的失效模式及主要影響因素；采用離心機(jī)模型試驗(yàn)分析城市地下工程漸進(jìn)性災(zāi)變破壞過(guò)程及引發(fā)的災(zāi)害演化過(guò)程；采用數(shù)值模擬方法及災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，對(duì)典型災(zāi)變的演化過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。5.地下結(jié)構(gòu)不同階段的劃分原則和依據(jù)、列 車 振 動(dòng) 對(duì) 地 層 的 影 響 規(guī)律 、各影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)性能劣化的影響機(jī)理、隧道結(jié)構(gòu)損傷的控制性損傷變量、地層水環(huán)境變化對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響特征、地下結(jié)構(gòu)健 康監(jiān) 測(cè) 的 方 法 。土體裂縫等常見(jiàn)城市地下工程破壞現(xiàn)象的數(shù)值模擬計(jì)算方法.3.提出地層細(xì)觀結(jié)構(gòu)在施工擾動(dòng)影響下的安全性評(píng)價(jià)方法，并在典型工程中進(jìn)行應(yīng)用；考慮到地層固結(jié)和施工擾動(dòng)影響，建立起 細(xì)觀結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與宏觀地層變形之間的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系.4.獲得災(zāi)變條件下地層及結(jié)構(gòu)的失效模式、主要影響因素及演化過(guò)程。建立典型的地層與結(jié) 構(gòu)災(zāi)變演化模式。5.提 出 地 下 結(jié) 構(gòu) 不 同 階 段 的劃 分 原 則 和 依 據(jù) ，探 明 列 車 振 動(dòng)對(duì) 地 層 的 影 響 規(guī) 律 以 及 各 環(huán) 境和 人 為 因 素 對(duì) 結(jié) 構(gòu) 性 能 劣 化 的影 響 機(jī) 理 ，提 出 隧 道 結(jié) 構(gòu) 損 傷 的控 制 性 損 傷 變 量 ，分 析 地 層 水 環(huán)境 變 化 對(duì) 既 有 結(jié) 構(gòu) 物 的 影 響 特征 ，建 立 地 下 結(jié) 構(gòu) 健 康 監(jiān) 測(cè) 的 方法 。6.獲得任何風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展為破壞的演變機(jī)理，建立地下結(jié)構(gòu)安全性的研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)6.進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境結(jié)構(gòu)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(gòu)的變形標(biāo)準(zhǔn)控制體系。中期評(píng)估。評(píng)價(jià)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(gòu)變形、變位的控制標(biāo)準(zhǔn)；申請(qǐng)發(fā)明專利 1-3 項(xiàng)。 發(fā)表SCI、EI 論文 35 篇以上,提交中期總結(jié)報(bào)告第三年1.研制室內(nèi)中尺度力學(xué)測(cè)試設(shè)備，研究 測(cè)試技術(shù)和測(cè)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(guān)性;對(duì)不同尺度的試驗(yàn)及工程實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬，監(jiān)測(cè) 地表和地下的中期變形和滲流量2.復(fù)雜大型地下暗挖車站力學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程的研究，重點(diǎn)分析 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的地層變形演化特點(diǎn)以及群洞效應(yīng)的作用規(guī)律，為大型地下結(jié)構(gòu)的開(kāi)挖方式的設(shè)計(jì)以及參數(shù)確定提供依據(jù)；通過(guò)細(xì)觀結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、地層固結(jié)和施工擾動(dòng)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(xué)測(cè)試裝置的研制與開(kāi)發(fā)，初步完成部分中尺度土體的實(shí)驗(yàn)；建立不同土體的滲流模型; 完成驗(yàn)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(chǎng)中期資料的整理和分析2.建立起復(fù)雜大型地下空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，開(kāi)發(fā)施工 過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，并實(shí)現(xiàn)地層變形的預(yù)測(cè)和過(guò)程仿真；針對(duì)軟弱地層條件，開(kāi)發(fā)復(fù)雜洞群施工引起地層變形的控制設(shè)計(jì)軟件和平臺(tái)；3.完善適用于城市地下工程的土體及土- 結(jié)構(gòu)接觸面本構(gòu)模型；采研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)預(yù)測(cè)理論與方法。3.完成土體及土-結(jié)構(gòu)接觸面本構(gòu)模型的建立；繼續(xù)開(kāi)發(fā)城市地下工程典型破壞過(guò)程數(shù)值模擬方法；整合已有計(jì)算軟件，開(kāi)發(fā)適合于大型非線性結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合計(jì)算的數(shù)值計(jì)算方法；進(jìn)行部分 1g 模型或離心模型試驗(yàn)。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(gòu)的相互作用模式；分析不同地層變形作用下，不同結(jié)構(gòu)型式的失效模式；結(jié)構(gòu)不同失效模式下的災(zāi)變機(jī)理。5.地下結(jié)構(gòu)處于不同劣化階段的力學(xué)性能、列 車 振 動(dòng) 對(duì) 地 中 鄰 近建 筑 物 的 影 響 ，施工爆破 對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響特征，地下結(jié) 構(gòu)災(zāi)變潰損的發(fā)生發(fā)展過(guò)程、損傷 演化模型。6.進(jìn)行考慮結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)態(tài)耦合的非線性分用有限元-無(wú)網(wǎng)格法耦合以及擴(kuò)展有限元等新興數(shù)值計(jì)算方法，發(fā)展可用于進(jìn)行土-結(jié)構(gòu)體破損和土層塌陷等常見(jiàn)城市地下工程破壞現(xiàn)象的數(shù)值模擬計(jì)算方法；開(kāi)發(fā)大型非線性系統(tǒng)的求解方法、多場(chǎng)耦合作用下的多種參量的時(shí)空分布解法、與本構(gòu)模型和整體算法相適應(yīng)的應(yīng)力修正方法等；4.獲得在變形土體作用下的結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律和特點(diǎn)，不同結(jié) 構(gòu)型式的失效模式；結(jié)構(gòu)不同失效模式下的災(zāi)變機(jī)理。5.獲 取 地 下 結(jié) 構(gòu) 處 于 不 同 劣化 階 段 的 力 學(xué) 性 能 ，探 明 列 車 振動(dòng) 對(duì) 地 中 鄰 近 建 筑 物 的 影 響 和施 工 爆 破 對(duì) 既 有 結(jié) 構(gòu) 物 的 影 響特 征 ，建 立 損 傷 演 化 模 型 ，提 出地 下 結(jié) 構(gòu) 災(zāi) 變 潰 損 的 發(fā) 生 發(fā) 展過(guò) 程 。6.獲得可隨時(shí)考慮采用的人工干研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)析方法的研究；開(kāi)發(fā)能夠反映結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境結(jié)構(gòu)之間動(dòng)態(tài)耦合的可視化分析系統(tǒng)。預(yù)、及時(shí)反映和評(píng)估人工干預(yù)對(duì)環(huán)境和地下結(jié)構(gòu)本身響應(yīng)的改善；得到一套較為完整、實(shí)用的可視化計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)；發(fā)表論文 SCI、EI 論文 45 篇以上。申請(qǐng)發(fā)明專利 2 項(xiàng)第四年1.用所研制的中尺度力學(xué)測(cè)試設(shè)備研究多尺度土體的變形規(guī)律;研究不良地質(zhì)體對(duì)地層力學(xué)的影響。分析特殊不良地質(zhì)體對(duì)地層力學(xué)特性及變形特性的多尺度影響機(jī)理;監(jiān)測(cè)地表和地下的中長(zhǎng)期變形和滲流量;對(duì)大尺度工程實(shí)例中長(zhǎng)期變形的的進(jìn)行數(shù)值模擬2.對(duì)地表沉降數(shù)據(jù)序列進(jìn)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(shí)域上的表現(xiàn)，給出不同尺度的強(qiáng)弱和分布情況以及沉降變化的趨勢(shì)和突變點(diǎn)；地層沉降控制軟件的1.完成中尺度土體的實(shí)驗(yàn)，并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，完成建立 規(guī)范化測(cè)試方法;完成建立不良地質(zhì)體多尺度評(píng)價(jià)體系;完成現(xiàn)場(chǎng)中長(zhǎng)期資料的整理和分析;初步歸納出地下工程開(kāi)挖擾動(dòng)的變形的時(shí)效規(guī)律。2.建立起施工影響下地層沉降控制的理論和認(rèn)識(shí)，確定相應(yīng) 的關(guān)鍵控制點(diǎn)；完成基于北京和深圳地層條件的地層變形控制軟件平臺(tái)，并在工程應(yīng)用中取得顯著效果；3.通過(guò)模型試驗(yàn)研究隧道施工、基坑開(kāi)挖等條件下土體-結(jié)構(gòu)間的相互作用特性及土層變形規(guī)律和破壞研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)編制，構(gòu)建基于北京和深圳地鐵工程建設(shè)的安全性控制技術(shù)平臺(tái)及系統(tǒng)軟件，并完成工程應(yīng)用試驗(yàn)。3.完成 1g 模型或離心模型試驗(yàn)；初步完成城市地下工程安全性評(píng)價(jià)大型數(shù)值模擬計(jì)算系統(tǒng)；對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析。4.針對(duì)城市地下工程典型災(zāi)變演化模式，根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形、變形速率以及應(yīng)力等指標(biāo)，建立不同 結(jié)構(gòu)失效模式下的失效評(píng)價(jià)指標(biāo)；在失效指標(biāo)確定的基礎(chǔ)上，建立不同地下工程典型災(zāi)變破壞準(zhǔn)則；研究周邊臨近構(gòu)筑物的失效指標(biāo)，并制定其破壞準(zhǔn)則。5.列車振動(dòng)對(duì)地面鄰近建筑物的影響、劣化至災(zāi)變的臨界閾值、近接施工擾動(dòng)下既有結(jié)構(gòu)物的安全性評(píng)價(jià)方法、地下結(jié)構(gòu)不同性能劣化狀態(tài)下的力學(xué)特征、長(zhǎng)期安全性智能評(píng)價(jià)方法。機(jī)理；將所開(kāi)發(fā)的算法與所建立的本構(gòu)模型等進(jìn)行集成，初步建立城市地下工程安全性評(píng)價(jià)大型數(shù)值模擬計(jì)算系統(tǒng)，可對(duì)城市地下工程進(jìn)行施工全過(guò)程的仿真計(jì)算分析；通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證所發(fā)展的模型和計(jì)算方法的合理性并進(jìn)行必要的修正完善。4.揭示地層變形破壞引起工程災(zāi)害的機(jī)理及其與主要引發(fā)因素的關(guān)系；提出主要災(zāi)變的變形演化模式，制定判別準(zhǔn)則；給出典型災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律和預(yù)測(cè)方法。5.探 明 列 車 振 動(dòng) 對(duì) 地 面 鄰 近建 筑 物 的 影 響 ，提 出 劣 化 至 災(zāi) 變的 臨 界 閾 值 和 近 接 施 工 擾 動(dòng) 下既 有 結(jié) 構(gòu) 物 的 安 全 性 評(píng) 價(jià) 方 法 ，獲 取 地 下 結(jié) 構(gòu) 不 同 性 能 劣 化 狀態(tài) 下 的 力 學(xué) 特 征 ，提 出 其 長(zhǎng) 期 安全 性 智 能 評(píng) 價(jià) 方 法 。6.獲得受擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)6.開(kāi)展對(duì)環(huán)境介質(zhì)損傷的修復(fù)方法的研究，及修復(fù)對(duì)環(huán)境介 質(zhì)影響的數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析；建立土體損傷和建筑物變形動(dòng)態(tài)修復(fù)的分析模型；給出不同受損結(jié)構(gòu)的修復(fù)方法；進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估理論體系和動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理模型的理論和試驗(yàn)?zāi)M分析。估體系和結(jié)構(gòu)變形與周邊土體的相關(guān)性評(píng)價(jià)理論；得到受損結(jié)構(gòu)周邊地層加固的修復(fù)機(jī)理以及地層處理對(duì)結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系；獲得可變參數(shù)造成風(fēng)險(xiǎn)的敏感性及控制對(duì)策。發(fā)表 SCI、EI 論文 45 篇以上。撰寫專著 1 部。申請(qǐng)發(fā)明專 利 3 項(xiàng) 。開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系 統(tǒng)軟件 1 套。第五年1.研究地層結(jié)構(gòu)效應(yīng);研究城市場(chǎng)地下工程開(kāi)挖擾動(dòng)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(gòu)尺度和施工尺度對(duì)工程安全性的影響機(jī)制與規(guī)律;繼續(xù)監(jiān)測(cè)地表和地下的中長(zhǎng)期變形和滲流量;繼續(xù)對(duì)大尺度工程實(shí)例的中長(zhǎng)期變形的的進(jìn)行數(shù)值模擬。2.基于地層沉降模式、細(xì)觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特點(diǎn)及典型地層變形的預(yù)測(cè)理論和方法的綜合分析，建立起復(fù)雜環(huán)境下地下工程安全埋置深度的1.從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的層面分析揭示土體的變形和破壞機(jī)理;建立典型地層的破壞準(zhǔn)則及建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系; 量化安全評(píng)價(jià)體系;完成現(xiàn)場(chǎng)中長(zhǎng)期資料的整理和分析;進(jìn)一步步歸納出地下工程開(kāi)挖擾動(dòng)的變形的時(shí)效規(guī)律2.開(kāi)發(fā)城市地下工程合理埋置深度的設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，并在不少于2 個(gè)城市得到應(yīng)用 3. 對(duì)典型實(shí)際地下工程進(jìn)行全施工過(guò)程的仿真計(jì)算，根據(jù)與 實(shí)測(cè)研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)確定方法；關(guān)鍵理論成果和應(yīng)用成果的總結(jié)和集成，構(gòu)建起基于科學(xué)原理和安全性控制的技術(shù)平臺(tái)；成果的總結(jié)和完善，在部分城市進(jìn)行總結(jié)和推廣，編制相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南。3.對(duì)典型實(shí)際地下工程施工過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算；多場(chǎng)耦合條件下城市地下工程多體相互作用機(jī)理研究； 進(jìn)行全面課題研究總結(jié)，撰寫 課題總結(jié)報(bào)告。 組織成果的審查 與驗(yàn)收。4.利用理論分析及試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果，建立多種因素作用下的城市地下工程典型災(zāi)變預(yù)測(cè)模型；并針對(duì)不同的災(zāi)變類型及演化后果，建立城市地下工程災(zāi)害預(yù)測(cè)方法；提出城市地下工程災(zāi)害預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。5.降 低 既 有 結(jié) 構(gòu) 物 影 響 的 施工 控 制 措 施 、地 下 結(jié) 構(gòu) 性 能 劣 化的 全 壽 命 有 效 評(píng) 價(jià) 、地 下 結(jié) 構(gòu) 長(zhǎng)期 安 全 性 評(píng) 估 體 系 和 控 制 理 論 ?？偨Y(jié)研究成果，完善研究技術(shù)及相關(guān)內(nèi)容；進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)收工作。結(jié)果的對(duì)比情況，驗(yàn)證所發(fā)展的模型和方法的合理性并進(jìn)行必要的修正和完善；通過(guò)典型工程案例分析，探討多場(chǎng)耦合條件下城市地下工程多體相互作用機(jī)理，并從變形、 強(qiáng)度、裂縫和滲透破壞等方面進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)；4.分析城市地下工程中的地層變形與結(jié)構(gòu)的相互作用模式；研究地層變形破壞下結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律；提出典型城市地下工程災(zāi)變的預(yù)測(cè)方法和災(zāi)害預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。5.提 出 降 低 既 有 結(jié) 構(gòu) 物 影 響的 施 工 控 制 措 施 和 地 下 結(jié) 構(gòu) 性能 劣 化 的 全 壽 命 有 效 評(píng) 價(jià) 方 法 ，構(gòu) 建 地 下 結(jié) 構(gòu) 長(zhǎng) 期 安 全 性 評(píng) 估體 系 和 控 制 理 論 。6.獲得風(fēng)險(xiǎn)至災(zāi)的內(nèi)在機(jī)理；得到城市地下工程重大災(zāi)變的科學(xué)對(duì)策.發(fā)表 SCI 和 EI 論文 45 篇以上。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)申請(qǐng)發(fā)明專利 1 項(xiàng)。開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)軟件 1 套。完成專著 3 部。完成項(xiàng)目總報(bào)告。