CB013800-G城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论

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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

17、应的特定边值条件，以上海在役轨道交通为依托开展研究，验证分析结构性能演化的理论。（2）依托城市轨道交通地下结构综合试验系统，采用结构模型试验、岩土离心机试验、数值模拟、现场监测等方法揭示内外界环境变化以及交通循环荷载对轨道交通地下结构性能影响规律，分析地下结构致损和病害形成机理。发展适合地下混凝土结构内部损伤、开裂及破坏过程模拟的计算理论，形成初始损伤和施工缺陷状态下的地下混凝土结构性能分析与评估方法。采用随机概率可靠度理论、不连续介质条件下的渗流理论、动力分析理论、损伤力学等建立结构性能的时效分析模型以及受损结构的性能分析理论。（3）研制和改进温度、加速度、裂缝开展、变形、渗漏微电子传感器，

18、对其性能进行大量的室内和现场试验, 获得其量程、精度等适用性关键参数；对无线自组织传感器网络开展系统结构、结点配置技术、结点拓扑结构和数据融合的理论与室内试验；结合地下结构性能演变的理论分析结果和地下结构智慧感知理论成果，开展真实环境条件下的集成试验，重点进行轨道交通地下结构服役状态诊断的实时数据流共享及运行监控平台的关键技术、海量数据快速处理和容错性好的算法研究，建立系统完整的城市轨道交通地下结构状态智慧感知方法。（4）以大量工程实例为依托，通过数据采集、归类统计、对比分析等研究策略，辅以数值模拟、模型实验等方法，揭示城市轨道交通地下结构病害产生与发展的一般性演化规律，并把握其具有关键意义的

19、指标，对其进行特征标准化描述；对各个病害特征属性进行拣选，采用改进的层次分析理论作为指导性研究思路，建立多因素、多层次的城市轨道交通地下结构的病害指标体系。基于单一病害的定量化基准，运用统计学、计算智能学方法和系统方法，建立多因素指标与评价阀值的多层次映射关系，提出城市轨道交通地下结构健康的系统诊断原理和方法；在再现结构缺陷衍生及发展过程的基础上，研究建立轨道交通地下结构内外环境耦合作用条件下结构性能的演化规律与模型，建立基于人工智能与时间序列的地下结构性能综合预知方法。（5）基于物理模型试验、微观测量及数值仿真，研究修复介质载体的断裂机理、修复介质的运移模式及行为、修复介质载体结构的相互协调

20、与相容性及多次修复机理，揭示复杂环境下轨道交通地下结构损伤的智能自修复机制，形成系统的适合轨道交通服役特征和环境要求的结构损伤智能自修复基础理论。应用多尺度理论，建立智能自修复结构力学特性、耐久性等的多尺度分析模型和计算方法，并基于轨道交通地下结构的复杂服役环境及受荷特性，建立其结构修复后服役性能的预测理论与方法，形成基于性能退化的轨道交通地下结构自适应加固理论。基于物理模型试验和生物化学实验及理论分析，形成地层地下水振动复杂环境下轨道交通地下结构损伤的生物/矿物自修复方法。（6）在大量数值模拟、试验和实测数据的基础上，揭示城市轨道交通地下结构健康服役各要素材料性能、结构性能与健康诊断、智慧、

21、修复加固之间的相互关系，提出城市轨道交通地下结构健康服役智能服务模型；基于大量案例学习，以及多信息多方法的综合集成，建立城市轨道交通地下结构健康服役智能服务机制；在对城市轨道交通地下结构健康服役相关的全寿命数据归纳的基础上，提出数据标准和时空数据模型，采用面向对象数据库技术，实现全寿命数据管理；采用可视化、虚拟现实和增强现实等方法，融合网格技术、WebGIS和三维增强现实技术，建立大规模城市轨道交通网络地下结构健康服役数字化平台，实现服役性能智能分析与决策、信息可视化展示，集成本项目各课题研究成果，建成城市轨道交通地下结构健康服役数字化保障体系。4.3 创新点（1）地下结构性能形成及演化机理揭

22、示城市轨道交通地下结构性能在全寿命期中形成规律和控制性因素，提出结构状态变化的本源多尺度模型；揭示内外因素耦合作用下轨道交通地下结构性能的长期演化机制，提出初始损伤和施工缺陷地下结构性能分析理论和计算模型。（2）地下结构状态感知及预知方法建立复杂环境下地下结构性能实时感知与传输要求的城市轨道交通地下结构智慧感知方法；提出考虑环境影响的地下结构性能退化模型，建立有缺陷地下结构服役性能时空预知方法。（3）地下结构性能修复及控制理论建立复杂环境下超长线状地下结构智能自修复理论和方法，提出自修复结构力学特性、耐久性等多尺度分析方法及基于性能退化的结构自适应加固理论。提出大规模城市轨道交通网络健康服役控

23、制的智能服务模型和保障机制，建立城市轨道交通地下结构健康服役控制理论。在上述建立/提出的机理、理论、方法的基础上，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。4.4 研究特色（1）针对性：针对城市轨道交通地下结构健康服役的基础理论问题，如材料与结构性能演化、健康诊断等开展研究，保证地下结构在长期使用过程中健康、安全、可控，研究目标十分明确。（2）前瞻性：随着大量轨道工程的建设，如何评价和确保漫长服役期的结构性能，是目前及今后面临的重大问题。本课题开展结构智慧感知、智能自修复加固、数字化保障体系等研究，符合当前技术发展的趋势，也为未来轨道交通地下结构实现智能、环保的修复加固提供了前

24、瞻性的理论基础和方法。（3）综合性：从微观、细观、宏观不同层次，揭示城市轨道交通地下结构性能演化机理和规律，得到初始损伤、施工缺陷与结构病害和性能退化之间的有机联系，符合应用基础研究的特点；研究充分体现多学科交叉与融合的特点，涉及岩土结构与材料、物理、化学、生物、信息等多学科理论与方法。（4）系统性：针对城市轨道交通地下结构健康服役性能演化、感知预知、评估诊断、修复加固和控制开展系统的研究，形成完整的城市轨道交通地下结构性能演化、评估预知和控制理论体系。4.5 取得重大突破的可行性分析（1）我国正在进行大规模的城市轨道交通建设，到2015年总长度将达到2260km，其健康服役是目前面临的共性的

25、科学难题。上海地区轨道交通自1995 年1 号线投入运营以来，已经出现许多急需解决的健康服役问题，申报单位已经开展了前期工作，为本课题开展奠定了坚实的基础。（2）项目研究团队一直从事结构材料全寿命期性能演变机理、轨道交通地下结构与环境的相互作用、地下结构运营期健康诊断方法、混凝土自修复理论、工程数字化理论与方法的研究，具有扎实的基础和很强的研究实力，承担了多项与运营期轨道交通地下结构性能发展有关的自然科学基金、国家863项目、国家科技支撑计划和地方重大科技攻关计划，这些科研活动积累了大量运营轨道交通地下结构性能的现场实测资料，对了解、分析轨道交通地下结构在环境影响下的性能发展特点和规律，并对试

26、验结果和理论分析方法的合理性具有验证和完善作用，为该项目的研究奠定了理论基础。项目研究团队还结合城市轨道交通的施工、安全监控、结构养护与健康管理等方面开展了大量的实践研究，对城市轨道交通健康服役的难点、可能的突破点有着深刻的认识。（3）项目的组织实施有充分的硬件保证，项目研究团队所在单位拥有土木工程防灾国家重点实验室、高速铁路建造技术国家工程实验室、材料化学工程国家重点实验室、亚热带建筑科学国家重点实验室、先进土木工程材料教育部重点实验室、岩土及地下工程教育部重点实验室、土木信息技术教育部工程研究中心、嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室、教育部城市环境与可持续发展联合研究中心、控制结构湖北省

27、重点实验室、土木工程安全科学湖南省重点实验室、江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室、江苏省无机非金属材料重点实验室等一批国家、省部级实验室及研究中心，为该项目的完成提供了有力的硬件支撑和丰富的试验理论基础。（4）从研究人员来看，本项目汇集了我国在城市轨道地下结构健康服役领域的最杰出人才，团队包括材料、结构、力学、信息技术在内的多学科交叉攻关队伍。从参研单位来看，本项目凝聚了同济大学、华中科技大学、中南大学、华南理工大学、南京工业大学等国内实力雄厚的学术权威单位，也联合了上海申通地铁集团有限公司这样具有自主创新能力的地铁建设与运营管理单位，形成了学科交叉、强强联合、优势互补的强有力的攻坚力量。这一

28、团队的研究经验丰富，理论基础雄厚，自主创新能力强、年富力强、肯钻实干，具有取得重大突破的能力、潜力和实力。与此同时，项目聘有中国科学院、工程院院士作为学术顾问，为指明课题的研究方向和确保项目的研究水平提供了强有力的支持和保障。（5）研究团队具有广泛的国内外学术交流机制，为项目研究关键科学问题的突破提供了良好的交流平台,特别是与世界上该领域的专家学者保持紧密的合作和联系。例如申请单位已经与该领域最高水平的国外研究机构，如美国加州大学洛杉矶分校、英国剑桥大学、荷兰代尔夫特理工大学、英国爱丁堡大学建立了良好的合作关系，并且聘请了这些学校中该领域方面的权威专家J. Woody Ju教授、Kenichi

29、 Soga 教授、Klass van Breugel教授、Yong Lu教授实质性地参与到该项目中，可以共享科研成果和借鉴科研经验，始终站在世界研究的前沿，并取得一批具有国际领先的重大成果。4.6课题设置课题间关系本项目紧紧围绕关键科学问题，充分考虑城市轨道交通地下结构性能演化、感知、评估、预知与控制之间的有机联系及相互影响，根据分工明确、相对独立、彼此关联、目标具体、确实可行的原则来设置课题。课题一从城市轨道交通地下结构材料性能的“形成及演化”的角度，系统分析结构材料在“建造使用维护”全寿命期的性能特征及其演化规律，提出地下结构状态变化的本源多尺度模型，建立城市轨道交通地下结构材料服役性能演

30、化分析理论，为其它课题研究提供基础理论依据。课题二基于课题一研究结果，从城市轨道交通地下结构性能全寿命期演化角度出发，研究地下结构性能与材料、环境的耦合作用机制，建立模拟城市轨道交通地下结构受力和变形特性的时效分析模型及计算理论。课题一与课题二共同为课题四、课题五提供了基础理论支持。课题三研究超长线状地下结构状态感知的高效、全域、经济的智慧感知方法，利用感知信息揭示轨道交通地下结构性能演化规律，为课题四和课题五服役性能定量评价和结构修复加固提供依据。课题四综合前三个课题的研究成果，建立有缺陷结构服役性能预知模型和健康诊断理论，其重点是城市轨道交通地下结构性能评估与预知理论这一关键科学问题。课题

31、五在课题一和课题二的基础上，研究地下水环境下轨道交通地下结构损伤的智能自修复机制，形成轨道交通地下结构损伤自感知、自修复一体化理论与多尺度分析方法，建立基于性能退化的轨道交通地下结构自适应加固理论，并探索处于不同性能与环境下地下结构生物/矿物自修复方法，为轨道交通地下结构能够实现主动、自动的修复加固提供理论基础和方法体系。课题六是对前五个课题的综合集成，建立城市轨道交通健康服役数字化平台和智能服务机制，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，并结合城市轨道交通工程，对理论成果进行科学验证。本项目的研究目标、关键科学问题与课题设置的相互关系如图3所示。图3 研究目标、关键科学问题

32、与课题设置的相互关系课题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研究目标：从城市轨道交通地下结构材料性能的“形成及演化”的角度，系统分析地下结构材料在“建造使用维护”全寿命期的性能特征及其演化规律，提出地下结构状态变化的本源多尺度模型，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，为城市轨道交通地下结构服役性能评估和修复加固提供基础理论依据。研究内容：（1）地下结构材料建设期性能形成机理针对城市轨道交通地下结构，研究地下结构材料在建设期性能形成过程中的多尺度特征和动态时变行为，分析影响地下结构材料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；建立地下混凝土结构材

33、料早期性能与微观结构本构模型；构建地下结构材料早期多尺度本构模型和早期持荷对结构服役性能影响的分析模型，提出城市轨道交通中现浇混凝土结构及预制构件施工质量的保障措施。（2）动态服役环境中地下结构材料服役性能的演变机理分析影响城市轨道交通地下结构材料服役性能的主要影响因素，研究复杂物理化学力学环境下结构材料性能的退化机理。明确结构材料及构件在波动环境影响下的响应规律、由于物质运移所产生的积聚效应、在轨道交通低频周期动载作用下的疲劳效应，以及杂散电流影响下混凝土性能退化机理，探索物理化学力学因素的耦合效应的理论模型。（3）固液气耦合下全寿命期地下结构材料性能演变机理针对城市轨道交通地下结构，研究地

34、下水沿迎土面向结构渗流的机制和环境介质中离子随水分的迁移过程；明确地下结构临空面干湿交替边界的扩散机理；建立表述城市轨道交通地下结构服役环境中干湿交替、长期沁润、空气温度/湿度波动等作用的特定边值条件。（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考虑轨道交通地下结构由于施工过程所产生初始损伤，探索渗流耦合状态下侵蚀性物质在结构构件中沿其裂缝运移的规律，研究大气环境及侵蚀性环境共同作用下，带缝工作结构中钢筋的锈蚀机理和混凝土材料的性能劣化规律。经费比例：17%课题承担单位：南京工业大学、同济大学课题负责人：刘伟庆学术骨干：Klass van Breugel，潘志华，王曙光课题2：地下

35、结构性能与环境耦合作用机制研究目标：针对城市轨道交通地下结构服役过程中的环境作用特点，通过地下结构性能与材料、环境的耦合作用机制研究，揭示复杂内外因素作用下城市轨道交通地下结构长期性能的发展规律和破坏机理，建立考虑周边环境影响的性能演化评估模型。发展适合地下混凝土结构损伤、开裂、施工缺陷及破坏过程模拟的计算新理论，揭示有缺陷地下混凝土结构受力状态变化规律及其长期性能演化机理，开发能考虑城市轨道交通全寿命期性能的地下结构设计理论和维护方法。研究内容：（1）内外环境变化与轨道交通地下结构耦合的作用机制探索影响轨道交通地下结构性能的外界环境因素及其与结构自身相互作用规律；综合考虑土体介质特性和地下水

36、的影响，研究不同环境因素变化对轨道交通地下结构性能的时效影响机理，建立环境变化结构性能时间之间的分析模型，揭示温度和空气动力耦合作用对轨道交通地下结构性能的影响机制；阐明外界环境变化条件下轨道交通地下结构性能的全寿命劣化机理和发展规律；研究轨道交通地下结构性能控制指标，考虑结构全寿命期内强度与刚度，建立基于性能的结构全寿命周期设计与维护理论。（2）交通循环荷载对轨道交通地下结构性能的致损机理研究循环交通荷载条件下结构土层相互作用机制，揭示交通循环荷载作用下完整和渗漏水状态地下结构的短期与长期致损机理；研究地层变异条件下和隧桥过渡段在列车动力荷载下的长期沉降发展规律与短期冲击破坏机理；研究列车荷

37、载对隧道结构疲劳寿命的影响以及结构的动力可靠性；建立交通循环荷载地层变异轨道交通地下结构性能演化模型和分析方法。（3）损伤与施工缺陷对地下结构性能演化的影响机理分析城市轨道交通地下结构服役期存在的结构损伤、施工缺陷及结构病害类型与特征；研究适合地下混凝土结构内部损伤、开裂及破坏过程模拟的计算新理论；研究从微观裂纹到宏观裂缝的生成理论、扩展追踪和接触摩擦算法。揭示施工不当引起缺陷状态下地下混凝土结构的应力应变重分布规律及其裂缝、渗漏、破坏的机理，进行有缺陷地下混凝土结构性能分析与评估；对各种既有缺陷、损伤发展至病害层次的演化追踪，揭示各种影响因素与结构病害、各种不同病害之间的内在联系。课题承担单

38、位：中南大学、同济大学课题负责人：彭立敏学术骨干：杨永斌，蔡永昌，戴瑛，杨小礼，施成华经费比例：17%课题3：超长线状地下结构状态智慧感知理论与方法研究目标：针对城市轨道交通地下结构信道杂乱和电磁兼容性要求高等特点，研究适合于超长线状地下结构性能全寿命期的高效、全域、经济的智慧感知方法，突破轨道交通地下结构复杂环境下的智慧感知瓶颈，刻画复杂环境下感知、通信、控制的脉络结构，力图利用感知信息揭示轨道交通地下结构性能演化规律，为服役性能定量评价和结构修复加固提供依据。研究内容：（1）地下结构混凝土损伤智能传感理论研究揭示轨道交通地下结构多种服役工况下自感知智能体（压电陶瓷、光纤阵列等）对损伤的动态

39、响应规律。建立地下结构混凝土初始损伤与缺陷的发现模型，形成适应轨道交通复杂服役环境的地下结构混凝土内部状态的实时、无损、在线智能传感理论。（2）超长线状地下结构状态感知方法针对超长线状地下结构特定的服役环境，研究温湿度、加速度、裂缝开展度、变形量、渗漏量等物理量指标的状态感知方式。研究微电子机械系统（MEMS）智慧终端的实现方法，确立城市轨道交通环境下感知信息颗粒度、精度、信息维度等关键参数，实现感知结构性能参数空间在感知系统上的有效映射。（3）地下复杂区域无线传感网络（WSN）的集成与应用理论针对无线传感器网络在城市轨道交通地下结构感知中的适用性等难题，研究无线传感器网络在城市轨道交通地下结

40、构上部署的系统架构、拓扑结构、结点配置等，通过信息融合等方法力争实现感知功能自适应，感知结构自组织，感知信息自涌现。满足复杂多变环境下结构状态感知信息的实时性、感知结构的鲁棒性要求。发展无线传感器网络在地下复杂区域的应用理论。课题承担单位：同济大学课题负责人：黄宏伟学术骨干：Kenichi Soga，何斌，谢雄耀，张亚英经费比例：15%课题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研究目标：基于城市轨道交通地下结构为线状结构以及受结构内、外环境双重约束的力学特点，在研究内容一和研究内容二的基础上，建立有缺陷地下结构服役性能的预知模型，从而对地下结构健康演化过程做出描述，揭示城市

41、轨道交通地下结构长期性能退化机理。基于海量数据分析，提出地下结构病害发展过程中的特征指标体系和定量化评价基准，建立地下结构健康诊断理论和方法。研究内容：（1）地下结构健康诊断的指标体系和诊断基准基于潜在病害风险因素的分析，选取城市轨道交通地下结构主要病害指标，对其演化特征及其对结构整体健康影响的映射关系进行定量化研究。探讨多种病害交互作用对地下结构的复合影响，在城市轨道交通地下结构健康综合评判体系的基础上，建立完备的评估指标集，并提出地下结构病害指标的定量化评价基准。（2）地下结构健康的系统诊断理论基于不同服役历史的城市轨道交通地下结构性能的海量工程实测数据，考虑服役条件和服役信息的不确定性，

42、运用统计学、计算智能学方法和系统学方法，提出地下结构健康的系统诊断原理和综合性诊断方法，建立地下结构服役性能的健康诊断物理经验模型和“条件评估”理论，并结合城市轨道交通地下结构的当前性能数据，诊断结构当前的服役状态。（3）地下结构服役性能的演变机理考虑城市轨道交通地下结构的类型，基于材料和构件退化机理分析模型，研究在环境慢变侵蚀和极端侵袭下地下结构体系物理状态和服役性能的演变机理，建立地下结构体系性能退化可靠度分析模型，提出地下结构全寿命管养干预的科学方法。（4）有缺陷结构服役性能演化预知模型和方法考虑城市轨道交通的结构类型和周边环境特点，以安全性、适用性、耐久性指标为基准，综合分析多种病害因

43、素共同作用下地下结构的力学演变规律和行为特征，研究建立地下结构内外环境耦合作用的结构性能演化模型，提出基于人工智能方法与时间序列分析理论的结构性能综合预知模型和方法。课题承担单位：华中科技大学、同济大学课题负责人：朱宏平学术骨干： Yong Lu，夏才初，李林经费比例：15%课题5：地下水环境下的结构智能自修复与加固理论研究目标：研究地下水环境下轨道交通地下结构损伤的智能自修复机制与多尺度分析方法，探索并建立相应地下结构损伤的智能自修复基础理论和生物/矿物自修复方法，形成基于性能退化的地下结构自适应加固理论，为实现地下结构的主动、自动修复和加固提供理论基础和方法体系。研究内容：（1）地下水环境

44、下地下结构损伤的智能自修复机制基于仿生自愈合神经网络系统原理，研究修复介质载体的断裂机理、修复介质的运移模式及行为、修复介质载体结构的相互协调与相容性及多次修复机理，揭示地下水环境下轨道交通地下结构损伤的智能自修复机制，形成适合轨道交通地下结构服役特征和环境要求的损伤智能自修复基础理论和方法。（2）智能自修复地下结构服役性能的多尺度分析方法通过研究修复介质载体或介质的物理几何特征及分布、结构自修复神经网络分布模式、修复介质载体结构界面作用机制及复合体本构模型，建立智能自修复结构的力学特性、耐久性等的多尺度分析模型和计算方法，并基于轨道交通地下结构的复杂服役环境及受荷特性，研究其结构修复后服役性

45、能的预测理论与方法。（3）地下水环境下地下结构损伤的生物/矿物自修复方法针对具有初始损伤和施工缺陷的轨道交通地下结构，研究复杂环境下生物/矿物自修复的机理及结构性能参数的演化规律，建立适合轨道交通地下结构环境的生物/矿物自修复方法和修复性能评估体系。（4）基于性能退化的地下结构自适应加固理论研究地下结构体系薄弱环节失稳判据，基于智慧感知方法获取的地下结构变形和受力超限区信息，采用结构体系服役性能退化的可靠度分析模型，建立轨道交通地下结构体系的自适应加固理论，实现地下结构的主动加固。（5）主动加固地下结构的长期服役性能预测方法针对轨道交通地下结构的服役环境和受荷特性，研究长期服役过程中加固材料及

46、加固界面的时变力学模型，及其对地下结构长期力学行为的影响规律，建立主动加固地下结构的长期服役性能预测方法。课题承担单位：华南理工大学、同济大学课题负责人：吴波学术骨干：袁勇，J. Woody Ju，杨正宏，蒋正武，王帆经费比例：17%课题6：地下结构健康服役的数字化保障与控制体系研究目标：研究材料性能、结构性能、健康诊断、智慧与修复加固的有机融合，建立城市轨道交通地下结构健康服役智能服务机制，变被动获取结构健康状态为主动控制服役性能，并研究城市轨道交通地下结构全寿命期数字化理论与方法，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。研究内容：（1）地下结构全寿命期数字化理论与方法探索城

47、市轨道交通地下结构“建造使用维护”全寿命期数字化理论体系与系统框架，建立地下结构健康服役相关的数据标准和元数据，研究海量多源异构数据的综合集成和索引方法、轨道交通健康服役一体化时空建模方法、可视化综合分析及动态管理方法，解决城市轨道交通地下结构健康服役中全寿命期数据管理、数据分析和数据可视化等关键问题。（2）地下结构健康服役智能服务机制从系统学的角度出发，对材料性能、结构性能、智慧、健康评估、智能修复加固进行有机融合，研究城市轨道交通地下结构健康服役智能服务机制，包括智能服务模型、服务规范和服务评估方法，探索智能服务框架和体系结构，为构建复杂环境条件下大规模城市轨道交通网络健康服役的数字化保障

48、体系提供理论与方法基础。（3）地下结构健康服役数字化保障与控制方法针对新一代的网络环境，融合网格技术、WebGIS和增强现实等技术，将与结构健康状态相关数据与空间信息服务、结构性能评估与预知、数字数值一体化分析、真实与虚拟结构信息可视化展示、服役性能智能分析与决策进行集成，为构建城市轨道交通地下结构健康服役提供数字化支撑体系，及时准确地得到结构服役性能现状并提供主动控制措施。（4）地下结构健康服役应用示范研究健康服役智能服务机制和数字化保障体系在城市轨道交通中的信息采集、分析与处理、性能预知与辅助决策等方面的应用机制，构建面向大规模城市轨道交通网络健康服役相对完整的应用示范系统，验证城市轨道交

49、通地下结构健康服役智能服务机制、全寿命期数字化理论与方法、以及数字化保障体系的有效性。课题承担单位：同济大学、上海申通地铁集团有限公司课题负责人：朱合华学术骨干：白廷辉，王丹生，李晓军，毕湘利经费比例：19%四、年度计划研究内容预期目标第一年（1）资料收集、调研，制定项目总体规划；（2）针对各课题的研究需求，开展并完成实验系统的建立；（3）研究地下结构材料在建设期性能形成过程中的多尺度特征和动态时变行为，分析影响地下结构材料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；（4）探寻预测结构材料的微细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；（5）进行城市轨道交通地下结构

50、赋存环境、服役期存在的结构损伤、施工缺陷及结构病害类型与特征的现场调查分析；（6）进行交通循环荷载及赋存环境下城市轨道交通地下结构受力与变形等基本特性的计算分析；（7）改进损伤识别和定位算法，提高识别和确定结构损伤位置的精度，建立对地下结构混凝土初始损伤与缺陷的发现感知模型。（8）探讨多种病害交互作用对地下结构的复合影响，建立完备的城市轨道交通地下结构健康评估指标集，提出地下结构病害指标的定量化评价基准；（9）研究地下水环境下具有初始损伤和施工缺陷结构的电化学沉积/矿物修复方法；（10）研究地下环境下加固材料的长期力学行为和地下结构的主动加固理论；（11）研究城市轨道交通地下结构“建造-使用-

51、维护”中海量多源异构数据的综合集成和索引方法、可视化综合分析及动态管理方法；（12）针对新一代的网络环境，研究基于WebGIS的城市轨道交通地下结构数字化支撑体系。（1）建立地下混凝土结构材料早期性能与微观结构本构模型；（2）构建地下结构材料早期多尺度本构模型和早期持荷对结构服役性能影响的分析模型；（3）提出城市轨道交通中现浇混凝土结构及预制构件施工质量的保障措施；（4）建立适应轨道交通复杂服役环境下的地下结构混凝土内部状态的实时、无损、在线智能感知模型。（5）建立地下结构健康诊断的指标体系和诊断基准；（6）提出地下结构相邻管片之间的主动加固方法；（7）建立城市轨道交通地下结构全寿命期数据标准

52、；（8）发表论文30篇，其中SCI论文20篇，培养博士研究生10名，硕士研究生16名。第二年（1）研究复杂物理化学力学环境下结构材料性能的退化机理；（2）土体介质、地下水、环境温度等单因素、多因素作用下城市轨道交通地下结构性能演化的相关试验研究；（3）智能感知在超长线状地下结构服役环境下的适应要求及特点分析研究；（4）温湿度、加速度、裂缝开展度、变形量、渗漏量等物理量指标的状态感知方式及试验研究；（5）微电子机械系统（MEMS）智慧终端的实现方法，感知信息颗粒度、精度、信息维度等关键参数的确定研究；（6）考虑服役条件和服役信息不确定性的地下结构健康系统诊断原理和综合性诊断方法研究；（7）地下结

53、构服役性能的健康诊断物理经验模型和“条件评估”理论研究；（8）地下结构智能自修复介质载体或介质的物理几何特征及分布研究；（9）地下水环境下电化学沉积/矿物自愈合修复结构的性能参数演化规律研究；（10）地下结构相邻管片之间短期主动加固与长期被动加固的协调机制研究；（11）轨道交通健康服役全寿命期一体化时空建模方法研究；（12）轨道交通地下结构数字数值一体化分析方法研究；（13）基于增强现实技术的轨道交通地下结构可视化方法研究。（1）探明动态服役环境中地下结构材料服役性能的演变机理；（2）建立物理化学力学因素的耦合效应的理论模型；（3）实现超长线状环境下感知结构性能参数空间在感知系统上的有效映射，

54、建立地下结构的智慧感知方法及感知理论；（4）提出地下结构健康的系统诊断原理和综合性诊断方法，建立地下结构健康的系统诊断理论；（5）初步提出针对性的地下水环境下智能自修复和电化学沉积/矿物自愈合修复方法；（6）初步提出地下结构整体变形的主动加固方法；（7）初步形成城市轨道交通地下结构全寿命数字化理论体系；（8）发表论文40篇，其中SCI论文32篇，培养博士研究生10名，硕士研究生16名。第三年（1）地下水沿迎土面向结构渗流的机制和环境介质中离子随水分的迁移过程研究；（2）地下结构临空面干湿交替边界的扩散机理研究；（3）固液气耦合下全寿命期地下结构材料性能演变机理研究；（4）轨道交通地下结构在地下

55、水作用下的损伤演化特性研究；（5）轨道交通地下结构在交通循环荷载作用下的动力累积损伤特性研究；（6）适合地下混凝土结构内部损伤、开裂及破坏过程模拟的计算新理论；研究从微观裂纹到宏观裂缝的生成理论、扩展追踪和接触摩擦算法研究；（7）传感元件及智能传感器平台的设备选型研究；（8）无线传感器网络在城市轨道交通地下结构感知中的特点以及适用性研究；（9）环境慢变侵蚀和极端侵袭下地下结构体系物理状态和服役性能的演变机理研究；（10）地下结构体系性能退化可靠度分析模型研究；（11）智能自修复介质载体结构界面作用机制研究；（12）地下水环境下智能自修复介质的运移模式及行为研究；（13）地下水环境下电化学沉积/

56、矿物自愈合修复结构的修复性能评估体系研究；（14）基于全寿命结构性能演化及智慧感知的城市轨道交通地下结构健康服役智能服务模型、服务规范和服务评估方法研究；（15）城市轨道交通地下结构服役性能智能分析与决策方法研究。（1）初步建立动态服役环境中地下结构材料服役性能的演变关系式，并揭示环境变化对城市轨道交通地下结构性能的影响机制；（2）建立城市轨道交通地下结构环境变化结构性能时间之间的分析模型；（3）揭示交通循环荷载作用下城市轨道交通地下结构的短期与长期致损机理；（4）初步建立城市轨道交通地下结构的智能感知模型和感知方案；（5）建立地下结构体系性能退化可靠度分析模型，提出地下结构全寿命管养干预的科

57、学方法；（6）形成地下水环境下具有初始损伤和施工缺陷结构的电化学沉积/矿物自愈合修复理论；（7）初步建立城市轨道交通地下结构健康服役智能服务框架和全寿命数字化理论体系；（8）发表论文40篇，其中SCI论文32篇，撰写专著1部，培养博士研究生10名，硕士研究生16名。第四年（1）渗流耦合状态下侵蚀性物质在结构构件中沿其裂缝运移的规律研究；（2）大气环境及侵蚀性环境共同作用下，带缝工作结构中钢筋的锈蚀机理和混凝土材料的性能劣化规律研究；（3）交通循环荷载作用下对城市轨道交通地下结构动力可靠性研究； （4）初始损伤缺陷状态下地下混凝土结构的应力应变重分布规律的计算分析研究；（5）复杂多变环境下地下结

58、构状态感知信息、感知结构研究；（6）地下结构服役状态诊断的实时数据流共享及运行监控平台的关键技术、海量数据快速处理和容错性好的算法研究。（7）多种病害因素共同作用下地下结构的力学演变规律和行为特征分析研究；（8）基于人工智能方法与时间序列分析理论的结构性能综合预知模型和方法研究；（9）地下水环境下的多次智能自修复机理研究；（10）智能自修复复合体的本构模型研究；（11）地下环境下加固结构的长期服役性能及其预测方法研究；（12）材料与结构性能演化、智慧感知、健康评估、智能修复与数字化理论体系融合技术研究。（1）建立交通循环荷载地层变异轨道交通地下结构性能演化模型和分析方法；（2）建立有缺陷条件下

59、地下混凝土结构性能分析与评估方法；（3）初步建立无线传感器网络及其智能感知集成在超长线状地下复杂区域的应用理论；（4）建立有缺陷结构服役性能演化预知模型和方法；（5）建立地下环境下加固结构长期服役性能的预测方法；（6）完善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；（7）发表论文40篇，其中SCI论文30篇，申请专利10项，培养博士研究生10名，硕士研究生16名。第五年（1）以上海在役轨道交通为依托，验证分析结构性能演化理论和智能感知方案；（2）轨道交通地下结构性能控制指标研究，基于结构全寿命的设计理论和方法研究；（3）结合已有的研究成果进行长期服役过程中加固材料及加固界面的时变力学模

60、型研究；（4）结合地下结构健康系统诊断理论进行智能自修复与主动加固后的地下结构长期服役性能预测方法研究；（5）智能自修复地下结构力学特性及耐久性的多尺度分析方法研究；（6）智能自修复地下结构的服役性能预测理论研究；（7）健康服役智能服务机制和数字化保障体系在城市轨道交通中的应用机制研究；（8）城市轨道交通地下结构健康服役智能服务机制、全寿命期数字化理论与方法、以及数字化保障体系的有效性验证研究；（9）相关研究成果的补充完善；（10）报告撰写与结题验收。（1）建立较完善的城市轨道交通地下结构材料服役性能演化分析的理论框架体系；（2）建立基于性能的城市轨道交通地下结构全寿命期设计与维护理论体系；（3）建立系统完整的城市轨道交通地下结构状态智慧感知理论及应用方法；（4）建立智能自修复与主动加固地下结构的长期服役性能预测方法；（5）建立较完善的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；（6）形成面向大规模城市轨道交通网络健康服役的应用示范；（7）发表论文50篇，其中SCI论文34篇，申请专利10项，培养博士研究生10名，硕士研究生16名，出版专著2本。