城市地下空间工程安全控制理论与分布式感测预警方法

The construction scale and difficulty of urban underground space is increasing rapidly in China. Soil deformation and stability analysis due to underground excavation becomes much more complicated. The impact of underground excavation on adjacent buildings, especially municipal pipelines and existing tunnels, has attracted great attention nowadays. Therefore, systematic and intensive fundamental study is quite necessary. This research project is directed towards the essential scientific problems on safety risk control in urban underground space engineering, covering small strain stiffness and strength properties of anisotropic natural soils, stability and safety control of complicated weak stratum containing underground water, excavation induced environmental impact and control of existing pipelines, as well as distributed fiber-optic safety monitoring and precaution system. The study will be based on laboratory soil element tests, centrifuge model tests, site monitoring, numerical simulations, and theoretical methods. The three dimensional anisotropic strength criterion and small strain anisotropic constitutive model under complex stress path for natural structured soils will be investigated. A limit analysis method to assess the stability of complex underground construction containing underground water will be established, and the corresponding control technique will be put forward. Environmental impact analysis method considering the long term performance of existing pipelines and small strain properties of soils will be proposed; and deformation control with prefabricated inner-bracing system for deep excavation will also be studied. Real time monitoring and precaution system based on distributed fiber-optic sensing technique will be developed. The outcome of this proposed research can make breakthrough progress in essential scientific problems and provide the safety and economy benefit of urban underground space development.

我国城市地下空间建设规模和难度剧增，由于地下工程开挖而导致的土体变形和稳定分析越趋复杂，对邻近建（构）筑物尤其是市政管线和既有隧道的影响备受关注，深入系统的基础研究显得十分必要。本项目针对城市地下空间工程安全风险控制的若干关键科学问题开展研究，围绕原状土体小应变刚度和强度的各向异性特性、复杂含水地层开挖稳定性与安全控制、开挖诱发既有管道环境影响与控制、分布式光纤系统安全监测及预警机制，通过单元体试验、离心模型试验、现场监测、数值模拟以及理论分析，研究原状土体的三维各向异性强度准则以及复杂应力路径下的小应变各向异性本构模型，建立复杂含水地层中地下工程稳定性极限分析理论与控制技术，提出考虑既有管线长期性能和土体小应变特性的环境影响分析方法及装配式基坑支护变形控制技术，开发基于分布式光纤传感技术的实时监测预警系统，实现关键科学问题的突破性进展，确保城市地下空间开发的安全性和经济性。

随着我国城市建设的快速发展，由于地下工程开挖而导致土体变形和稳定性越来越复杂，软土地下工程开挖对周围环境的影响不可忽视，高承压水层中地下工程开挖诱发的失稳灾害风险备受关注。目前对于复杂含水地层中地下工程开挖稳定性分析还缺乏系统性的研究，变形敏感环境中地下工程开挖对周边环境影响的分析尚无法满足工程实践的增长要求。本项目针对地下空间开发中工程安全风险控制关键科学问题，从原状土体力学特性、地下工程开挖稳定性、地下工程开挖环境影响与变形控制以及分布式光纤监测系统与预警方法等四个方面开展研究，取得如下主要成果：（a）开展了原状土体各向异性小应变刚度和强度特性单元体试验，提出了原状土体各向异性弹性模量的理论描述和三维各向异性强度的模拟方法，建立了复杂应力路径下的小应变各向异性本构模型，形成了用于地下工程土体变形的计算分析数值平台；（b）开展了复杂含水地层地下工程开挖稳定性的物理模型试验，揭示了地下工程开挖失稳机理和泥浆渗透影响机制；提出了基于连续速度场的地下工程开挖稳定性数值极限分析新方法，形成了地下工程开挖稳定性分析上限方法，建立了复杂含水地层中地下工程开挖稳定性的分析理论和安全控制评估技术；（c）开展隧道开挖对环境影响离心模型试验及沿不同方向牵引地埋管线的模型试验，提出了隧道开挖对地埋管线影响的非线性两阶段分析理论及管隧斜交条件下的简化评估方法，提出了上方基坑开挖卸荷对既有隧道纵横向响应的分析方法，研发了装配式钢管混凝土基坑内支撑体系；（d）基于室内及现场试验，开发了适用于恶劣工作环境的分布式光纤传感器封装及防护技术，建立了基于分布式光纤测试数据和土体小应变特性的基坑工程变形反分析方法，形成了基于临近隧道和围护结构保护要求的基坑变形智能预测技术和预警系统。本项目的研究成果可为城市地下空间开发中的工程安全风险控制提供理论支撑，从而确保城市地下空间开发的安全性和经济性。