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。
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（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SCI和EI收录论文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。
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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
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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
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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PFPEG平台上开发了并行有限元计算程序，可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SCI和EI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
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