項目名稱： 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 8 月 依托部門： 教育部 一、研究內(nèi)容 1、 關(guān)鍵科學(xué)問題的提出 隨著城市地下工程建設(shè)規(guī)模的迅速增大，安全性問題越來越受到社會的關(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)問題，開展系統(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)驗的工程技術(shù)理論沒有從本質(zhì)上認(rèn)識災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，因此對事故預(yù)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(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)，而對地層材料及其結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)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(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 個方面進(jìn)行分析 歸納關(guān)鍵科學(xué)問題 。 地下工程中的災(zāi)害是由地層、結(jié)構(gòu)物變形過大或發(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 對來說比較容易研究。而地層的變形與破壞更加復(fù)雜，而且影響因素多，且對災(zāi)害的研究不僅關(guān)系災(zāi)害發(fā)生時的狀態(tài)，更關(guān)心災(zāi)害的演變過程，因而，對應(yīng)的 第一個科學(xué)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(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，且人類對地下工程穩(wěn)定性的控制主要是通過結(jié)構(gòu)物主動或被動對地質(zhì)體的支護(hù)作用來實現(xiàn)的；同時地層在變形傳遞過程會與相鄰構(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， 第二個關(guān)鍵科學(xué)問題是地層 包括地層變形作用下的結(jié)構(gòu)演化過程及破壞機(jī)理、災(zāi)變形成機(jī)制等。對地下工程安全性研究的宗旨是對工程災(zāi)害實行科學(xué)的控制，因此應(yīng)在以上兩個關(guān)鍵科學(xué)問題研究的基礎(chǔ)上，引入災(zāi)害動力學(xué)和控制理論對災(zāi)變機(jī)理與控制進(jìn)行研究，因而 第三個關(guān)鍵科學(xué)問題是城市地下工程安全性預(yù)測與過程控制原理， 包括結(jié)構(gòu)安全評價體系、基于災(zāi)害演化特點的安全性預(yù)測預(yù)報及控制。 2、關(guān)鍵科學(xué)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(zāi)變形成機(jī)制、安全性控制原理等關(guān)鍵科學(xué)問題，通過對施工擾動地層的破壞機(jī)理、地層變形傳播及其與結(jié)構(gòu)的相互作用特征、災(zāi)害演化過程、結(jié)構(gòu)劣化評價及災(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)建我國城市地下工程安全性評估和控制的系統(tǒng)科學(xué)理論，為我國城市地下工程的發(fā)展提供科學(xué)的理論依據(jù)。本項目擬解決的三個科學(xué)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(gòu)效應(yīng)，建立土體多尺度模型，從宏、細(xì)觀多個角度和結(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)的評價指標(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，依據(jù)施工過程力學(xué)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(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，提出評價標(biāo)準(zhǔn)和評價方法； 分析隧道圍巖漸進(jìn)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(yù)測提供依據(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)的動態(tài)相互作用關(guān)系及災(zāi)變機(jī)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(gòu)的影響規(guī)律；動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)理及演化過程；結(jié)構(gòu)變形、破壞對土體穩(wěn)定性的影響規(guī)律；新建結(jié)構(gòu)對既有結(jié)構(gòu) 的影響規(guī)律及評價方法，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影響下的“土體 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 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(yù)測預(yù)報提供依據(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)測方案制定的依據(jù)。 （ 3） 城市地下工程安全性預(yù)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(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)測結(jié)果對安全風(fēng)險進(jìn)行評價，給出安全性等級；基于非線性動力學(xué)理論，建立城市地下工程安全風(fēng)險控制模型；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)；基于施工過程力學(xué)和非線性力學(xué)建立地層及結(jié)構(gòu)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(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 實行 “過程恢復(fù)”和“工后恢復(fù)”；建立基于仿真、試驗、模擬和系統(tǒng) 集成的安全風(fēng)險控制和災(zāi)變救護(hù)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(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 對地層變形模式、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)理及演化過程 基于地層的宏、細(xì)觀結(jié)構(gòu)及變形局部化的觀點建立復(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結(jié)構(gòu)體，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評價，建立相應(yīng)的判別準(zhǔn)則，從而對地層的破壞過程作出描述，揭示地層破壞機(jī)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(yīng)變局部化效應(yīng)，由此對地層的破壞發(fā)展過程進(jìn)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(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)探測方法及量測系統(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(yīng)變局部化的啟動 準(zhǔn)則與土的非線性特性，再現(xiàn)地層漸進(jìn)破壞過程，揭示其漸進(jìn)破壞的尺度效應(yīng)及場地土與城市基礎(chǔ)設(shè)施動力相互作用機(jī)理，提出相應(yīng)的破壞模式和分析理論。 3）尺度對地層及結(jié)構(gòu)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(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)體對地層力學(xué)特性及變形特性的多尺度影響特點。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)體對地層力學(xué)的 影響，重點分析特殊不良地質(zhì)體對地層力學(xué)特性及變形特性的多尺度影響機(jī)理，建立不良地質(zhì)體多尺度評價體系。 5） 典型 地層的破壞準(zhǔn)則及評價體系。 利 用考慮大尺度場地和 局部精細(xì)化計 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)的評價體系，量化安全評價體系。 （ 2） 施工擾動下復(fù)雜地層的變形機(jī)制研究 應(yīng)用施工過程力學(xué)的原理，建立施工影響的動態(tài)力學(xué)模型，并對地層變形和傳播規(guī)律進(jìn)行模擬和預(yù)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(jìn)行預(yù)測；考慮上覆地層變形的結(jié)構(gòu)特點和時空效應(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(guān)系；探索結(jié)構(gòu)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(xué)特性及控制原理。揭示開挖卸荷引起地層應(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態(tài)關(guān)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(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。分析地層缺陷對沉降傳播的影響規(guī)律，探索結(jié)構(gòu)物及地面荷載對地層變形演化過程的影響規(guī)律，基于 波變換的方法對地表沉降數(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和突變點。 6）地層沉降過程的模擬與預(yù)測方法。綜合施工開挖和固結(jié)沉降的 影響 效應(yīng)，對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周邊環(huán)境影響的預(yù)測方法；通過對地層變形的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和時空效應(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）地層變形及傳遞過程的精細(xì) 化監(jiān)測。基于地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)及跨尺度破壞特點，建立其變形過程的測試?yán)碚撆c方法，尤其對細(xì)觀結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與地層整體變形及其傳遞規(guī)律實施精細(xì)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(jī)理 建立多場耦合作用下的土體與結(jié)構(gòu)相互作用模型，可對結(jié)構(gòu)的安全性作出評價 。 核心問題是建立地層與結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)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(gòu)的相互作用特點及其力學(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(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 車輛振動在地層中的傳播規(guī)律及其對周圍結(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）多場作用下的土體與結(jié)構(gòu)動態(tài)作用關(guān)系。 考慮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(gòu)關(guān)系及適用性、土與結(jié)構(gòu)物間的接觸特性，分析多場作用下土體與結(jié)構(gòu)的動態(tài)作用關(guān)系。 3）動荷載環(huán)境下的土體與結(jié)構(gòu)作用關(guān)系。 通過對典型土樣以及土與結(jié)構(gòu)接觸面的動力特性試驗、土與結(jié)構(gòu)物的振動離心模型試驗，研究動荷載下土體與結(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)理及安全性評價。重點分析 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，針對各種影響因素的主次關(guān)系給出安全評價的指標(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。 通過模型試驗和數(shù)值模擬研究新建工程與 既有結(jié)構(gòu)在時空上相互影響、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 建立地層及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評價體系，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)境影響兩個方面對地下工程的安全性進(jìn)行評價。 重點分析大尺度地下結(jié)構(gòu)的可靠性、分步施工過程中的力學(xué)轉(zhuǎn)化規(guī)律，對關(guān)鍵施工步序下的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評述；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)害過程的模擬與仿真；災(zāi)害發(fā)生過程的多因素分析與預(yù)測方法；城市地下工程建設(shè)災(zāi)害的預(yù)警、報警機(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)變演化過程的模擬試驗。 采用離心機(jī)模型試驗分析城市地下工程漸進(jìn)性災(zāi)變破壞過程及引發(fā)的災(zāi)害演化過程；采用數(shù)值模擬方法及災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，對典型災(zāi)變的演化過程進(jìn)行驗證。 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)測模型、災(zāi)害預(yù)測方法及災(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)測模型，針對不同的災(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)作用過程的監(jiān)測與控制方法。建立“地層 用 過程的監(jiān)控體系，尤其對地下結(jié)構(gòu)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(fù)雜環(huán)境作用下地下結(jié)構(gòu)的長期安全性及其預(yù)測方法 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)的長期健康監(jiān)測系統(tǒng) 。 建立地下結(jié)構(gòu)耐久性的評價體系，分別對地下結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性及動載作用下的可靠性進(jìn)行研究；新建結(jié)構(gòu)對既有結(jié)構(gòu)的影響 ， 重點考察對既有結(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)的損傷劣化特點提 出結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。 主要包括： 1）城市地下結(jié)構(gòu)的耐久性及長期安全性特點。 分析城市地下結(jié)構(gòu)的環(huán)境特點，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，建立地下結(jié)構(gòu)長期安全性的評價體系； 明確 提高地下結(jié)構(gòu)耐久性的技術(shù)思路。 2）強(qiáng)動力作用下的結(jié)構(gòu)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(gòu)損傷演化特點，揭示其影響機(jī)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(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 和破壞過程。 4）近接施工對既有工程結(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價方法，建立結(jié)構(gòu)安全性的評價體系，并給出新建結(jié)構(gòu)的施工優(yōu)化方法。 5）結(jié)構(gòu)性能劣化的計算模型。 結(jié)合地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜環(huán) 境及受力特點，建立結(jié)構(gòu)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(zāi)害環(huán)境下地下工程安全性控制原理和方法 采用非線性動力學(xué)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(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。基于過程論的觀點，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(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)長期安全性的評價理論和方法。 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)變形控制的評價體系。 2）地層與結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)的確定。通過地層與結(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，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)變形與施工過程的動態(tài)關(guān)系，建立起兩者的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，以此作為過程控制的基礎(chǔ)；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(fù)原理。發(fā)展結(jié)構(gòu)變形與周邊土體的相關(guān)性評價理論，建立地層 加固 對結(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)險控制理論體系。提出 地下工程的安全風(fēng)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(fēng)險控制系統(tǒng)。 在對基礎(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，包括安全風(fēng)險的控制系統(tǒng)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，可以 再現(xiàn) 和 預(yù)測災(zāi)害的發(fā)生過程，形成災(zāi)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(yù)期目標(biāo) （一）總體目標(biāo) 通過 對施工影 響下地層損傷演化和變形機(jī)制、地層與結(jié)構(gòu)的動態(tài)作用關(guān)系、災(zāi)害發(fā)生機(jī)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(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)險控制提供理論基礎(chǔ)， 顯著 改善我國 城市地下 工程建設(shè)的安全形勢；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，為城市社會 經(jīng)濟(jì)發(fā)展和學(xué)科的持續(xù)技術(shù)進(jìn)步奠定堅實的基礎(chǔ)。 （二）五年預(yù)期目標(biāo) 本項目的預(yù)期目標(biāo)如下： （ 1）基于不同尺度土體的變形演化特點、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(xué)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(guān)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(guān)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(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，并考慮水的滲透影響，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)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(gòu)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(shè)計提供指導(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 ， 并建立施工擾動結(jié)構(gòu)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(zāi)變預(yù)測模型，研制重大災(zāi)變的預(yù)警、報警系統(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)變形成過程，建立結(jié)構(gòu)劣化參數(shù)與安全性之間的定量評價關(guān)系；提出地下結(jié)構(gòu)的病害檢測和評價方法，制定相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范檢測評估工作； 重點分析新建工程對既有結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，為新建工程的設(shè)計、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；集成綜合技術(shù)，構(gòu)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(lǐng)域中最核心的研究力量，研究陣容強(qiáng)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 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），申請發(fā)明專利 20 項，開發(fā)具有自主知識產(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)、具有較大國際影響的中青年科學(xué)家，整體提升我國 在 該領(lǐng)域的國際地位，實現(xiàn)我國 由 地下工程大國向地下工程強(qiáng)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(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，因此在對北京和深圳兩個城市進(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，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 本項目涉及土力學(xué)、施工過程力學(xué)、隧道及地下工程、結(jié)構(gòu)力學(xué)、非線性動力學(xué)、災(zāi)害動力學(xué)、控制理論等多個學(xué)科分支，必須通過多學(xué)科交叉與融合研究，認(rèn)識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、預(yù)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(xué)體系。 本項目的學(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象，圍繞開挖擾動作用、土 結(jié)構(gòu)體失效破壞與控制等關(guān)鍵 科學(xué)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(chǔ)上，利用多尺度理論和先進(jìn)的試驗與計算手段，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 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(jī)模型、現(xiàn)場原位試驗設(shè)施，結(jié)合多種研究手段，針對復(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； 通過我國多個城市地下空間開發(fā)中發(fā)生的災(zāi)害 實測資料進(jìn)行驗證，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)展的跨尺度演變過程，揭 示城市地下工程災(zāi)變機(jī)理與控制的理論和對策，需要解決三個科學(xué)難點：（ 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)變非線性演化過程；（ 3）城市地下工程安全性預(yù)測與定量化控制理論。 解決第一個科學(xué)難點主要通過下列途徑：采用現(xiàn)代巖土工程試驗技術(shù)與非線性動力學(xué)、多尺度理論、損傷力學(xué)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(gòu)件到土 結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)的損傷破壞動力學(xué)行為的多尺度建模理論與方法；應(yīng)用高效實用的計算方法和并行計算技術(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。 解決第二個科學(xué)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(zāi)害實例數(shù)據(jù)，結(jié)合土工離心機(jī)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(shù)，研究多因素條件下城市地下工程災(zāi)變的非線性演化過程。結(jié)合城市地下空間的多尺度、多場、多體的特性，模擬預(yù)測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。 解決第三個科學(xué)難點主要通過下列途徑：從災(zāi)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(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(yù)測模型，揭示 城市地下工程災(zāi)變機(jī)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(yù)測方法，建立考慮城市地下工程損傷演化、破壞直至災(zāi)害過程的定量分析方法和預(yù)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(chǔ)。 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(gòu)非線性破壞控制理論，為工程由構(gòu)件安全驗算到細(xì)部與結(jié)構(gòu)整體安全能力相結(jié)合的設(shè)計奠定科學(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)變過程的多尺度精細(xì)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(shè)計理論，構(gòu)建城市工程細(xì)部與整體安全性能力的理論評價體系，為地下結(jié)構(gòu)從安全設(shè)計轉(zhuǎn)向性能設(shè)計提供理論基礎(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。以施工過程力學(xué)和非線性控制理論為基礎(chǔ)，從災(zāi)變演化過程入手，研究變位分配原理的基礎(chǔ)、內(nèi)涵以及實施規(guī)則。針對分配指標(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. 近十年來國內(nèi)進(jìn)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(guān)資料可以作為 本項目研究應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，相應(yīng)的災(zāi)害給本項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、啟示和理論驗證實例。本項目申請單位北京交通大學(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，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、沈陽等城市地鐵建設(shè)中開展了有關(guān)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(zāi)害預(yù)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(shù)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(shè)計理論和施工技術(shù)研究的單位，近年來又在國內(nèi)率先開展了安全風(fēng)險控制的研究和實踐，取得了公認(rèn)的研究成果。北京交通大學(xué)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(gòu)與圍巖作用的大型試驗臺；在 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)及工程國家重點實驗室，可完成本項目的相關(guān)實驗研究。最近幾年，我國木工程結(jié)構(gòu)試驗設(shè)備得到了很好的更新和升級，項目申請單位的試驗設(shè)備，無論從數(shù)量和性能都已經(jīng)接近經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的試驗條件，試驗技術(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。上述條件為本項目的實施提供了堅實的技術(shù)支撐。 3相關(guān)科學(xué)進(jìn)展為本項目的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。項目申報單位承擔(dān)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(zāi)害的研究，構(gòu)建了本項目良好的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)；我國許多城市地下空間的 開發(fā)中都建立了災(zāi)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(xué)針對城市地下工程建設(shè)安全性控制原理及應(yīng)用技術(shù)， 自 2001 年 以來， 結(jié)合深圳、北京、天津地鐵和大連城市隧道工程進(jìn)行開發(fā)研究，形成整體技術(shù)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(jī)場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。在國內(nèi)外發(fā)表了學(xué)術(shù)論文 60 多篇，其中 I 收錄 40 余篇；已申請國家發(fā)明專利 4 項，其中已授權(quán) 1 項， 軟件著作權(quán) 1項；先后獲得教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎 1 項，北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)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(shù)層面的問題，對相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究提出的較高的需求。應(yīng)對此需求， 2005 年至今研究的重點逐步轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)研究，為申報項目的研究 提供 了基礎(chǔ)。實現(xiàn)理論突破以后，所形成的全新技術(shù)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(gòu)耐久性開展了系統(tǒng)的研究，尤其對土體的結(jié)構(gòu)特性及跨尺度特性、變形測試等問題進(jìn)行了大量的研究工作，對某些特殊地層變形特點進(jìn)行總體提升， 可作為本項目的工作基礎(chǔ)。 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(fēng)險管理的學(xué)術(shù)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(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(tuán)隊 。 （五 ） 各課題間相互關(guān)系 為有效地開展研究工作，本項目擬設(shè)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(gòu)的破壞機(jī)理及演化過程 2施工擾動下復(fù)雜地層的變形機(jī)制研究 3多場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 5復(fù)雜環(huán)境作用下地下結(jié)構(gòu)的長期安全性及其預(yù)測方法 6災(zāi)害環(huán)境下地下工程安全性控制原理和方法 六個課題以項目的總體目標(biāo)為龍頭、總體科學(xué)思路為主線，按照各自的特點，在研究內(nèi)容上各有側(cè)重，形成一個依次遞進(jìn)、互相關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體（圖 ）。第一個課題重點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 多場作用下的多體相互作用機(jī)理 。課題一、二、三是整個項目的基礎(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 ，是項目的核心研究內(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 ，是實現(xiàn)總體目標(biāo)的關(guān)鍵性課題。 圖 項目課題設(shè)置及其關(guān)系 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) 動力學(xué) 災(zāi)害動力學(xué) 控制理論 地層與結(jié)構(gòu)的動態(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 施工擾動下地層變形與破壞的演化機(jī)理和特點 城市地下工程安全性預(yù)測與過程控制原理 四、年度計劃 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 定詳細(xì)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(jìn)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(guān)資料，包括應(yīng)力變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和典型事故案例。 制室內(nèi)小型的顆粒材料細(xì)觀力學(xué)測試設(shè)備，研究測試技術(shù)與和測試方法； 制訂土體及土 3 個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)場參數(shù)測定 ,并從現(xiàn)場 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)變實驗；針對不同的工程條件進(jìn) 行 3 5 臺室內(nèi)模型試驗，重點研究隧道施工的過程力學(xué)特點和變形演化規(guī)律； 析各災(zāi)害發(fā)生的特點及其引發(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。 下結(jié)構(gòu)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(gòu)的動力作用、地震和爆破作用地下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)、地下結(jié)構(gòu)荷載特性、近接施工對地層的擾動、城市地下結(jié)構(gòu)健康與安全狀態(tài)的監(jiān)測原理。 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。 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(xì)觀力學(xué)測試裝置的研制與開發(fā) ，完成 小型顆粒細(xì)觀力學(xué)測試裝置的詳細(xì)實驗方案 , 初步完成無線智能量測系統(tǒng) . 建工程與既有結(jié)構(gòu)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(jìn)行土層及結(jié)構(gòu)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(yīng)力應(yīng)變實驗極其結(jié)果分析 其中的關(guān)鍵部分進(jìn)行可行性分析。 定出安全事故中地層變形的影響要點；形成典型地層過程破化和變形演化的基本認(rèn)識，對施工力學(xué)的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行描述 . 立城市地下工程災(zāi)變分類。 地 下結(jié) 構(gòu)耐 久性 的影響因素，提出振動對地下結(jié)構(gòu)的動力形態(tài)，掌握地下結(jié)構(gòu)荷載的遷移特性以及近接施工對地層的擾動，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)測原理。 境結(jié)構(gòu)物的耦合響應(yīng)； 發(fā)表 錄論文 30 篇以上。 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 粒材料細(xì)觀力學(xué)小型測試設(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(xué)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。 結(jié)構(gòu)接觸面進(jìn)行基本性質(zhì)試驗，研究其在復(fù)雜條件下的變形和強(qiáng)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 市地下工程土體與結(jié)構(gòu)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(shè)計模型試驗設(shè)備并進(jìn)行部分試驗。 對多個細(xì)觀結(jié)構(gòu)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) 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)模型試驗分析城市地下工程漸進(jìn)性災(zāi)變破壞過程及引發(fā)的災(zāi)害演 化過程；采用數(shù)值模擬方法及災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，對典型災(zāi)變的演化過程進(jìn)行驗證。 列車振動對地層的影響規(guī)律、 各影響因素對結(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)境變化對既有結(jié)構(gòu)物的影響特征、地下結(jié)構(gòu) 健康監(jiān)測的方法。 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)模型的建立及其計算方法研究，初步完成相應(yīng)的程序開發(fā)和調(diào)試 ;完成現(xiàn)場資料的整理和分析 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 適用多場耦合和復(fù)雜應(yīng)力路徑變化等城市地下工程的主要特點；分析交通荷載等動力作用對土體及地下結(jié)構(gòu)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(gòu)的動力反應(yīng)及對周圍環(huán)境的影響；采用有限元 數(shù)值計算方法，發(fā)展可用于進(jìn)行滲透變形和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 . 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態(tài)作用關(guān)系 . 要影響因素及演化過程。建立典型的地層與結(jié)構(gòu)災(zāi)變演化模式。 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(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)測的方 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 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。 中期評估。 法。 立地下結(jié)構(gòu)安全性的評價體系； 得出不同地質(zhì)條件、不同工法條件下的地層與結(jié)構(gòu)變形、變位的控制標(biāo)準(zhǔn)； 申請發(fā)明專利 1。 發(fā)表 I 論文 35 篇以上 ,提交中期總結(jié)報告 第 三 年 究測試技術(shù)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(guān)性 ;對不同尺度的試驗及工程實例進(jìn)行數(shù)值模擬，監(jiān)測地表和地下的中期變形和滲流量 究，重點分析結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換過程中的地層變形演化特點以及群洞效應(yīng)的作用規(guī)律，為大型地下結(jié)構(gòu)的開挖方式的設(shè)計以及參數(shù)確定提供依據(jù)；通過細(xì)觀結(jié)構(gòu)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預(yù)測理論與方法。 結(jié)構(gòu)接觸面本構(gòu)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(gòu)多場耦合計算的數(shù)值計算方法；進(jìn)行部分 1g 模型或離心模型試驗。 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。 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(gòu)物的影響特征，中尺度力學(xué)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 發(fā)施工過程的優(yōu)化設(shè)計軟件，并實現(xiàn)地層變形的預(yù)測和過程仿真；針對軟弱地層條件，開發(fā)復(fù)雜洞群施工引起地層變形的控制設(shè)計軟件和平臺； 結(jié)構(gòu)接觸面本構(gòu)模型；采用有限元 展可用于進(jìn)行土 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(gòu) 模型和整體算法相適應(yīng)的應(yīng)力修正方法等； 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。 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(gòu)物的影響特征，建立損傷演化模型，提出 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 的發(fā)生發(fā)展過程、損傷演化 模型。 境結(jié)構(gòu)之間的動態(tài)耦合的非線性分析方法的研究；開發(fā)能夠反映結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境結(jié)構(gòu)之間動態(tài)耦合的可視化分析系統(tǒng)。 地下結(jié)構(gòu)災(zāi)變潰損的發(fā)生發(fā)展過程。 時反映和評估人工干預(yù)對環(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、實用的可視化計算機(jī)分析系統(tǒng)； 發(fā)表論文 文 45 篇以上。 申請發(fā)明專利 2 項 第 四 年 尺度力學(xué)測試設(shè)備研究多尺度土體的變形規(guī)律 ;研究不良地質(zhì)體對地層力學(xué)的影響。分析特殊不良地質(zhì)體對地層力學(xué)特性及變形特性的多尺度影響機(jī)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(jìn)行數(shù)值模擬 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(qiáng)弱和分布情況以及沉降變化的趨勢和突變點； 地層沉