城市地下工程建设安全控制关键技术及其应用

由于地层条件的复杂多变性、城市基础设施的极度脆弱性以及工程影响的高度不确定性，城市地下工程建设面临着极大的安全风险。为了实现城市地下工程的安全建造，必须同时做到新建工程和周边环境的安全。

事实上，城市地下工程施工引起的地层变形、破坏及其与周边结构物的动态作用是灾害发生的根源。因此，工程建设的安全保障应以地层变形控制为核心。

为此，在国家973计划项目、国家自然科学基金项目以及省部级重点项目支持下，以我国大规模城市地下工程建设为依托，经过十余年的系统研究与工程实践，在以下方面取得了多项创新性成果，形成了城市地下工程建设的安全控制技术体系：

1. 创建了复杂城市地层变形破坏分析理论与预测方法，实现了地层变形的科学预测。建立了含缺陷复杂地层的局部精细结构力学模型，揭示了周边结构稳定性与工程整体应力变形之间的关系，实现了非均质、不连续地层变形的精准预测。基于结构等量刚度原理，提出了地中结构物/结构层的三种变形模式，建立了含地下结构及软硬不均地层变形效应分析方法。揭示了隧道施工影响下富水及松散地层耦合特性和时间效应。建立了复杂地下空间地层变形响应及预测方法，解决了复杂地下空间地层变形效应难以准确预测的关键难题。

2. 建立了典型灾害的致灾理论与安全评估方法，实现了工程与环境安全的精准预报。基于大量事故分析提出了工程灾害具有地层失稳、突水涌砂和结构失效等三种致灾模式，分别建立了灾变演化过程分析模型，揭示了典型工程灾害的致灾机理。基于非线性接触力学，建立了地层与结构的动态多体作用关系模型，揭示了复杂结构变形响应机制，提出了典型环境灾害的情景推演模式。针对城市地下工程特点，建立了安全性评估体系和相应等级下的控制标准确定方法，解决了高风险复杂工程安全性动态评估与精准预报的难题。

3. 创建了城市地下工程建设安全控制关键技术体系，实现了施工过程的精细控制。研发了以精准周边帷幕注浆为核心的防坍塌止水技术，创造了富水及松散地层非降水条件下暗挖施工安全保障技术。基于地层变位分配与过程恢复理论，创造了复杂城市环境下的动态过程控制技术，实现了毫米级精细化控制。针对无法实施地层加固和变形控制极严苛的条件，创造了以结构状态保持为核心的位移补偿技术，实现了亚毫米量级控制，使极困难条件下的穿越工程成为可能。针对复杂地下工程的时空演化特点，建立了以结构体系和施工过程优化为核心的变形控制技术，有效地降低了安全风险。

4. 创造了复杂城市地下工程智能化安全监控体系，形成了高风险工程建管新模式。基于地层及环境条件数字化、安全性预测、实时监测和多源异构数据融合分析，开发了透明施工新技术，实现了全过程智能化反馈与控制。创建了集地质保障、技术保障、装备保障、管理保障和救援保障于一体的安全保障体系，建立了风险事件三级预警、风险源四级管理、五阶段动态监测及风险工程六方联动管理模式。开发了城市地下工程建设安全协同智能管理平台，并全面应用于我国32个城市的地下工程建设，实现了安全控制的规范化。

成果获授权发明专利20项、实用新型专利10项和软件著作权15项，发表学术论文SCI检索32篇，EI检索148篇；出版专著6部，编制技术标准和规范10部；获教育部科技进步一等奖1项、北京市科技进步一等奖2项、二等奖2项。研究成果及其工程应用整体提升了我国城市地下工程建设的安全控制水平，成果推广应用于北京、深圳、大连、厦门、南京、广州、苏州、青岛和长春等城市的地下工程建设中，产生巨大经济、社会和环境效益，近三年来增收节支9.1亿元。

由于地层条件的复杂多变性、城市基础设施的极度脆弱性以及工程影响的高度不确定性，使得城市地下工程建设而临极大的安全风险。为了实现城市地下工程的安全建造，必须同时做到新建工程和周边环境安全。事实上，城巾'地下工程施工引起的地层变形、破坏及其与周边结构物的动态作用是灾害发生的根源，因此工程建设的安全保障应以地层变形控制为核心。为此，在国家973计划项目、国家自然科学基金项目以及省部级重点项目支持下，以我国大规模城市地下工程建设为依托，经过十余年的系统研究与工程实践，在复杂城市地层变形破坏分析理论与预测方法、致灾理论与安全性评估方法、精细化过程控制关键技术以及智能化安全监控体系等方面取得了多项创新性成果，形成了城市地下工程建设的安全控制技术体系。重点突破的关键技术包括： （1）创建了复杂城市地层变形破坏分析理论与预测方法，实现了地层变形的科学预测。建立了含缺陷复杂地层的局部精细结构力学模型，揭示了周部结构稳定性勻工程整体应力变形之间的关系，实现了非均质、不连续地层变形的精准预测；基于结构等量刚度原理，提出了地中结构物/结构层的三种变形模式，建立了含地下结构及软硬不均地层变形效应分析方法；揭示了隧道施工影响下富水及松散地层耦合特性和时间效应；建立了复杂地下空间地展变形响应及预测方法，解决了复杂地下空间地层变形效应难以准确预测的关键难题。 （2）建立了典型灾害的致灾理论与安全评估方法，实现了工程与环境安全的精准预报。基于大量事故分析提出了工程灾畨具有地层失稳、突水涌砂和结构失效等三种致灾模式，分别建立了灾变演化过程分析模型，揭示了典型工程灾害的致灾机理；基于非线性接触力学，建立了地层与结构的动态多体作用关系模型，揭示了复杂结构变形响成机制，提出了典型环境灾害的情景推演模式；针对城市地下工程特点，逑立了安全性评估体系和相应等级下的控制标准确定方法，解决了髙风险复杂工程安全性动态评估与精淮预报的难题。 （3）创建了城市地下工程建设安全控制关键技术体系，实现了施工过程的精细控制。研发了以精准周边帷幕注浆为核心的防坍塌止水技术，由此创造了富水及松散地层非降水条件下暗挖施工安全保障技术；基于地层变位分配与过程恢复理论，创造了复杂城市环境下的动态过程控制技术，实现了毫米萤级的精细化控制；针对无法实施地层加同和变形控制极严苛的条件，创造了以结构状态保持为核心的位移补偿技术，实现了亚毫米量级控制，使极困难条件下的穿越工程成为可能；针对复杂地下工程的时空演化特点，建立了以结构体系和施工过程优化为核心的变形控制技术，有效地降低了安全风险。 （4）创造了复杂城市地下工程智能化安全监控体系，形成了高风险工程建管新模式。基于地层及环境条件数字化、安全性预测、实时监测和多源异构数据融合分析，开发了透明施工新技术，实现了全过程智能化反馈与控制；创建了集地质保障、技术保障、装备保障、管理保障和救援保障于一体的安全保障体系，建立了风险事件三级预警、风险源四级管理、五阶段动态监测及风险工程六方联动管理模式；开发了城市地下工程建设安全协同智能管理平台，并全面应用于我国32个城市的地下工程建设，实现了安全控制的规范化。 成果获授权发明专利20项、实用新型专利10项和软件著作权15项，发表学术论文SCI检索32篇，EI检索148篇；出版专著6部，编制技术标准和规范10部；获教育部科技进步一等奖1项、北京市科技进步一等奖2项、二等奖2项。研究成果及其工程应用整休提升了我国城市地下工程建设的安全控制水平，成果推广应用于北京、深圳、大连、厦门、南京、广州、苏州、青岛和长春等城市的地下工程建设中，产生巨大经济、社会和环境效益，近三年来增收节支9.1亿元。