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1、项目名称：城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论首席科学家：朱合华 同济大学起止年限：依托部门：教育部 上海市科委一、关键科学问题及研究内容2.1 关键科学问题的提出随着我国大量的城市轨道交通建成并投入使用，其结构健康服役的重要性日渐突出。城市轨道交通地下结构设计寿命为100年，在此期间由于结构性能劣化、服役环境变化、低频循环振动等内外因素共同作用下，城市轨道交通地下结构受力状态会发生变化，性能逐步退化，加之我国轨道交通建设速度迅猛，结构施工质量难免存在一定程度的缺陷，且结构损坏后不易或不可更换，给轨道交通地下结构健康服役状态的判断和预知控制带来了极大困难，亟需开展系统的基础研究。城市轨道
2、交通地下结构处于固液气耦合作用的赋存环境下，加上轨道交通低频周期动载作用下的疲劳效应、复杂渗流边界与循环振动荷载的累加效应、临近施工和运营扰动、结构自身的初始损伤和缺陷等多种内外因素共同作用下结构性能不断劣化，受力体系易出现薄弱环节，其演化过程高度非线性、性能演化机理难清，因而第一个科学问题是动态时空环境效应下的地下结构性能演化机理，研究内容为城市轨道交通地下结构材料施工期和服役期性能演化机理、初始损伤和缺陷状态下结构性能演变规律、结构的病害形成机理。城市轨道交通地下结构为超长线状地下结构，在服役过程中受各种因素的影响逐渐出现病害，其结构性能随之不断劣化，健康状态极其难知。为满足结构长期健康服
3、役的需求，在揭示其受力与变形演化历史及现状的基础上，需要采用经济、高效的监测方法，全覆盖智能感知超长地下结构性能，研究结构在单一、多种病害组合状态下的响应机理，确定结构性能对各种环境因素的敏感性与发展趋势，达到定量化预知结构未来力学行为及其服役性能的目的，因而第二个科学问题是超长线状地下结构的状态智慧感知与评估理论，研究内容为结构状态智慧感知、结构服役性能评估指标体系与标准、健康诊断理论、缺陷状态下服役性能的预知、局部损伤结构服役可靠度的退化机理与干预机制。在以上两个关键科学问题研究的基础上，根据城市轨道交通地下结构服役特点，针对地下水赋存环境下的结构性能所处的不同状态开展结构智能自修复与自适
4、应加固理论研究，建立健康服役机制和保障体系，变被动获取结构健康状态为主动控制服役性能，以解决地下结构损坏后极其难修的问题，因而第三个科学问题是地下水环境下的结构自修复机制与自适应控制理论，研究内容为适合于城市轨道交通环境特点的地下结构智能自修复基础理论、设计方法与服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的自适应加固理论，结构健康服役智能服务机制和数字化保障体系。2.2 关键科学问题的内涵本项目以城市轨道交通地下结构健康服役为目标，紧密围绕城市轨道交通地下结构性能的演化、评估预知和控制三个基础科学问题，从多学科交叉的视角开展系统研究，揭示城市轨道交通地下结构性能演化机制，建立城市轨道交通地下结构性能
5、评估预知与控制的系统科学理论。本项目拟解决的三个科学问题的内涵具体如下：科学问题一：动态时空环境效应下的地下结构性能演化机理城市轨道交通地下结构广泛采用混凝土结构，其结构形式多样，包括管片与螺栓连接的拼装式结构、预浇的沉管结构、现浇的衬砌结构等，在服役过程中长期处于复杂的物理化学力学条件下，各种内外环境均会对城市轨道交通地下结构的材料性能和全寿命产生重要的影响，例如，在轨道交通低频周期动载作用下的疲劳效应、复杂渗流边界与循环振动荷载的累加效应、杂散电流的弥流、环境介质中侵蚀性物质在结构中的迁移、结构临空面干湿交替边界的扩散、邻近施工扰动（开挖、打桩、降水、堆载等）、既有轨道交通等建（构）筑物的
6、运营扰动。因此城市轨道交通地下结构的动态时空环境效应、结构性能与环境耦合作用机制、以及复杂环境下的城市轨道交通地下结构材料全寿命期性能演化机理是本项目的重要科学问题。通过该科学问题的系统研究，提出上述复杂环境下结构状态变化的本源多尺度模型，揭示有缺陷结构受力状态变化规律及其长期性能演化机理，创建城市轨道交通地下结构材料服役性能演化分析理论框架，寻求轨道交通地下结构的最佳修复时机和最佳感知位臵，并为轨道交通地下结构性能的评估预知与控制提供必要的材料参数、力学模型和计算理论。科学问题二：超长线状地下结构状态智慧感知与评估理论智慧感知评估包括感知（典型/关键部位的信息获取与无线传输）、储存（海量数据
7、的存储与处理）和思维（预知模型与评价标准）。在信道杂乱、电磁兼容性要求高等复杂环境下进行超长线状地下结构（区间隧道、地铁车站等）的状态感知和评估，需要针对城市轨道交通地下结构特定的服役环境，建立地下结构混凝土损伤的智慧感知理论、地下复杂区域无线传感网络（WSN）的集成方法、有缺陷结构服役性能的预知模型、基于海量数据分析的结构病害特征指标体系和定量化评价基准，提出城市轨道交通地下结构的最佳智慧感知方案和预知方法，以突破地下结构复杂环境下的智慧感知瓶颈，并为城市轨道交通地下结构性能的评估、预知和控制提供必要的理论基础和科学依据。科学问题三：地下水环境下的结构自修复机制与自适应控制理论城市轨道交通地
8、下结构在地下水特定环境的影响和作用下，会加速结构整体状态的连续劣化，然而其环境特点决定了结构一旦损坏，则不易甚至不可更换。为克服传统修复加固方法的缺点，拟对地下水复杂环境下地下结构损伤的智能自修复机制与多尺度分析理论进行研究，探索并建立相应的结构损伤智能自修复基础理论、生物/矿物自修复方法和基于性能退化的地下结构自适应加固理论，提出城市轨道交通地下结构的最佳修复和加固方法，为实现轨道交通地下结构的主动、自动修复和加固提供理论基础和方法体系。在保障体系方面，研究城市轨道交通地下结构全寿命数字化理论与方法、健康服役智能服务新机制，实现结构性能的演化、智慧感知、评估预知、智能自修复、自适应加固的有机
9、融合，变被动获取结构健康状态为主动控制结构服役性能，形成完整的城市轨道交通地下结构性能自适应控制理论。2.3 主要研究内容1.动态服役环境中的地下结构材料全寿命期性能演化机理（1）地下结构材料建设期性能形成机理（2）动态服役环境中地下结构材料服役性能的演变机理（3）固液气耦合下全寿命期地下结构材料性能演变机理（4）侵蚀性环境下具有初始损伤地下结构材料的性能演变规律2.地下结构性能与环境耦合作用机制（1）内外环境变化与地下结构耦合的作用机制（2）交通循环荷载对地下结构性能的致损机理（3）损伤与施工缺陷对地下结构性能演化的影响机理3. 超长线状地下结构状态智慧感知理论与方法（1）地下结构混凝土损伤
10、智能传感理论（2）超长线状地下结构状态感知方法（3）地下复杂区域无线传感网络（WSN）的集成与应用理论4.动态时空环境效应下的地下结构健康诊断与服役性能预知理论（1）地下结构健康诊断的指标体系和诊断基准（2）地下结构健康的系统诊断理论（3）地下结构服役性能的演变机理（4）有缺陷结构服役性能演化预知模型和方法（5）主动加固地下结构的长期服役性能预测方法5. 地下水环境下的结构智能自修复与加固理论（1）地下水环境下地下结构损伤的智能自修复机制（2）智能自修复地下结构服役性能的多尺度分析方法（3）地下水环境下地下结构损伤的生物/矿物自修复方法（4）基于性能退化的地下结构自适应加固理论6.地下结构健康
11、服役的数字化保障与控制体系（1）地下结构全寿命期数字化理论与方法（2）地下结构健康服役智能服务机制（3）地下结构健康服役数字化保障与控制方法（4）地下结构健康服役应用示范二、预期目标3.1 总体目标针对城市轨道交通地下结构性能的演化、评估预知和控制开展基础研究，揭示复杂环境下城市轨道交通地下结构材料性能形成和劣化机理，发展适合地下混凝土结构损伤、开裂及破坏全过程模拟的计算新理论，探明初始损伤、施工缺陷和材料劣化条件下结构长期性能演变规律以及与环境相互耦合作用机制；建立城市轨道交通地下结构服役性能的健康诊断模型和有缺陷结构服役性能的预知模型，提出城市轨道交通地下结构健康的系统诊断理论和方法；形成
12、城市轨道交通地下结构智能自修复基础理论与多尺度分析方法及基于性能退化的结构自适应加固理论，构建城市轨道交通地下结构健康服役的数字化保障和控制体系，并最终建立不同时空环境下城市轨道交通地下结构全寿命最优维护理论，实现地下结构服役状态的可知、可控。3.2 五年预期目标本项目以我国城市轨道交通健康服役的重大需求为导向，开展关键科学问题的研究，五年取得的预期目标如下：（1）深入研究复杂环境下地下结构材料性能形成和演化的规律，建立城市轨道交通地下结构材料性能演化分析理论。（2）提出复杂环境下城市轨道交通地下结构性能演化的时效分析模型及计算理论，揭示结构性能全寿命期发展和演化规律。（3）提出适合于城市轨道
13、交通地下结构全寿命期结构状态的高效、全域、经济的智慧感知方法，建立结构健康服役过程的实时、主动监控系统模型。（4）完善城市轨道交通地下结构病害指标体系，建立城市轨道交通地下结构服役性能的健康诊断模型和有缺陷地下结构服役性能的预知模型，提出城市轨道交通地下结构健康的系统诊断理论和方法。（5）建立轨道交通地下结构智能自修复的基础理论、设计方法与服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的地下结构自适应加固理论，提出复杂环境下的轨道交通地下结构主动、自动修复理论和方法。（6）形成我国城市轨道交通地下结构健康服役数字化保障机制，建立完整的城市轨道交通地下结构性能控制理论和保障体系。在国内外高水平学术期刊上发
14、表论文200篇以上（其中150篇SCI论文），专著3本，申请国家发明专利20项，培养博士生50人、硕士生80人，凝聚和培育国内一批城市轨道交通健康服役的高水平研究队伍，培养本领域的优秀科学家及创新团队，形成具有重要国际影响的研究团队，整体提升我国在该领域的国际地位。三、研究方案4.1 学术思路以三个关键科学问题为核心，推进岩土结构与材料、物理、化学、生物、信息等多个学科及其交叉前沿理论研究，采用室内实验、现场实验和监测、物理模拟、理论分析、数值模拟等多种方法，开展系统的理论和方法研究，深刻认识城市轨道交通地下结构性能全寿命期演化规律，研究城市轨道交通地下结构病害特征和产生机理。在此基础上建立有
15、缺陷结构服役性能的预知模型，提出城市轨道交通地下结构健康的诊断理论和综合性诊断方法。通过结构状态智慧感知再现复杂环境下地下结构性能演化过程，提出轨道交通地下结构智能自修复基础理论及服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的地下结构自适应加固理论，探索地下结构生物/矿物修复方法。构建城市轨道交通地下结构健康服役的数字化保障体系，形成城市轨道交通地下结构性能控制理论，并进行应用验证。本项目总体学术思路如图1所示。图1总体学术思路4.2 技术途径围绕总体学术思路，本项目的技术途径如图2所示。（1）针对地下结构全寿命期性能演化过程，构建能考虑地下混凝土结构微观结构状态影响的本构模型，建立预测结构材料的微细
16、宏观性能模型和精细分析结构材料物理和力学行为的计算方法。利用非线性动力理论、不连续介质条件下的渗流、概率可靠度理论及先进的数值计算方法，依托城市轨道交通地下结构综合试验系统，研究轨道交通循环荷载下土体动力学行为特性、结构和环境的相互影响效应，以及在内外环境变化下轨道交通地下结构的性能演化机理和退化机制、受损结构性能分析理论。通过实验研究城市轨道交通地下结构混凝土性能形成过程的动态时变行为，分析影响地下结构性能的物理化学力学要素，探求结构材料性能形成的规律和机理。通过理论分析研究复杂物理化学环境条件下地下结构性能的退化机理，建立物理化学力学因素的耦合效应的理论模型，提出表述地下结构服役环境作用效应的特定边值条件，以上海在役轨道交通为依
