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Morlet 小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、结构及其相互位臵关系的作用效应，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：
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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
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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-结构”作用过程的监控体系，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
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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
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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。
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