1、項目名稱：城市軌道交通地下結構性能演化與感控基礎理論首席科學家：朱合華 同濟大學起止年限：2011.11-2016.8依托部門：教育部 上海市科委一、關鍵科學問題及研究內容2.1 關鍵科學問題的提出隨著我國大量的城市軌道交通建成并投入使用，其結構健康服役的重要性日漸突出。城市軌道交通地下結構設計壽命為100年，在此期間由于結構性能劣化、服役環境變化、低頻循環振動等內外因素共同作用下，城市軌道交通地下結構受力狀態會發生變化，性能逐步退化，加之我國軌道交通建設速度迅猛，結構施工質量難免存在一定程度的缺陷，且結構損壞后不易或不可更換，給軌道交通地下結構健康服役狀態的判斷和預知控制帶來了極大困難，亟需

2、開展系統的基礎研究。城市軌道交通地下結構處于固液氣耦合作用的賦存環境下，加上軌道交通低頻周期動載作用下的疲勞效應、復雜滲流邊界與循環振動荷載的累加效應、臨近施工和運營擾動、結構自身的初始損傷和缺陷等多種內外因素共同作用下結構性能不斷劣化，受力體系易出現薄弱環節，其演化過程高度非線性、性能演化機理難清，因而第一個科學問題是動態時空環境效應下的地下結構性能演化機理，研究內容為城市軌道交通地下結構材料施工期和服役期性能演化機理、初始損傷和缺陷狀態下結構性能演變規律、結構的病害形成機理。城市軌道交通地下結構為超長線狀地下結構，在服役過程中受各種因素的影響逐漸出現病害，其結構性能隨之不斷劣化，健康狀態極

3、其難知。為滿足結構長期健康服役的需求，在揭示其受力與變形演化歷史及現狀的基礎上，需要采用經濟、高效的監測方法，全覆蓋智能感知超長地下結構性能，研究結構在單一、多種病害組合狀態下的響應機理，確定結構性能對各種環境因素的敏感性與發展趨勢，達到定量化預知結構未來力學行為及其服役性能的目的，因而第二個科學問題是超長線狀地下結構的狀態智慧感知與評估理論，研究內容為結構狀態智慧感知、結構服役性能評估指標體系與標準、健康診斷理論、缺陷狀態下服役性能的預知、局部損傷結構服役可靠度的退化機理與干預機制。在以上兩個關鍵科學問題研究的基礎上，根據城市軌道交通地下結構服役特點，針對地下水賦存環境下的結構性能所處的不同

4、狀態開展結構智能自修復與自適應加固理論研究，建立健康服役機制和保障體系，變被動獲取結構健康狀態為主動控制服役性能，以解決地下結構損壞后極其難修的問題，因而第三個科學問題是地下水環境下的結構自修復機制與自適應控制理論，研究內容為適合于城市軌道交通環境特點的地下結構智能自修復基礎理論、設計方法與服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的自適應加固理論，結構健康服役智能服務機制和數字化保障體系。2.2 關鍵科學問題的內涵本項目以城市軌道交通地下結構健康服役為目標，緊密圍繞城市軌道交通地下結構性能的演化、評估預知和控制三個基礎科學問題，從多學科交叉的視角開展系統研究，揭示城市軌道交通地下結構性能演化機制，

5、建立城市軌道交通地下結構性能評估預知與控制的系統科學理論。本項目擬解決的三個科學問題的內涵具體如下：科學問題一：動態時空環境效應下的地下結構性能演化機理城市軌道交通地下結構廣泛采用混凝土結構，其結構形式多樣，包括管片與螺栓連接的拼裝式結構、預澆的沉管結構、現澆的襯砌結構等，在服役過程中長期處于復雜的物理化學力學條件下，各種內外環境均會對城市軌道交通地下結構的材料性能和全壽命產生重要的影響，例如，在軌道交通低頻周期動載作用下的疲勞效應、復雜滲流邊界與循環振動荷載的累加效應、雜散電流的彌流、環境介質中侵蝕性物質在結構中的遷移、結構臨空面干濕交替邊界的擴散、鄰近施工擾動（開挖、打樁、降水、堆載等）、

6、既有軌道交通等建（構）筑物的運營擾動。因此城市軌道交通地下結構的動態時空環境效應、結構性能與環境耦合作用機制、以及復雜環境下的城市軌道交通地下結構材料全壽命期性能演化機理是本項目的重要科學問題。通過該科學問題的系統研究，提出上述復雜環境下結構狀態變化的本源多尺度模型，揭示有缺陷結構受力狀態變化規律及其長期性能演化機理，創建城市軌道交通地下結構材料服役性能演化分析理論框架，尋求軌道交通地下結構的最佳修復時機和最佳感知位臵，并為軌道交通地下結構性能的評估預知與控制提供必要的材料參數、力學模型和計算理論。科學問題二：超長線狀地下結構狀態智慧感知與評估理論智慧感知評估包括感知（典型/關鍵部位的信息獲取

7、與無線傳輸）、儲存（海量數據的存儲與處理）和思維（預知模型與評價標準）。在信道雜亂、電磁兼容性要求高等復雜環境下進行超長線狀地下結構（區間隧道、地鐵車站等）的狀態感知和評估，需要針對城市軌道交通地下結構特定的服役環境，建立地下結構混凝土損傷的智慧感知理論、地下復雜區域無線傳感網絡（WSN）的集成方法、有缺陷結構服役性能的預知模型、基于海量數據分析的結構病害特征指標體系和定量化評價基準，提出城市軌道交通地下結構的最佳智慧感知方案和預知方法，以突破地下結構復雜環境下的智慧感知瓶頸，并為城市軌道交通地下結構性能的評估、預知和控制提供必要的理論基礎和科學依據。科學問題三：地下水環境下的結構自修復機制與

8、自適應控制理論城市軌道交通地下結構在地下水特定環境的影響和作用下，會加速結構整體狀態的連續劣化，然而其環境特點決定了結構一旦損壞，則不易甚至不可更換。為克服傳統修復加固方法的缺點，擬對地下水復雜環境下地下結構損傷的智能自修復機制與多尺度分析理論進行研究，探索并建立相應的結構損傷智能自修復基礎理論、生物/礦物自修復方法和基于性能退化的地下結構自適應加固理論，提出城市軌道交通地下結構的最佳修復和加固方法，為實現軌道交通地下結構的主動、自動修復和加固提供理論基礎和方法體系。在保障體系方面，研究城市軌道交通地下結構全壽命數字化理論與方法、健康服役智能服務新機制，實現結構性能的演化、智慧感知、評估預知、

9、智能自修復、自適應加固的有機融合，變被動獲取結構健康狀態為主動控制結構服役性能，形成完整的城市軌道交通地下結構性能自適應控制理論。2.3 主要研究內容1.動態服役環境中的地下結構材料全壽命期性能演化機理（1）地下結構材料建設期性能形成機理（2）動態服役環境中地下結構材料服役性能的演變機理（3）固液氣耦合下全壽命期地下結構材料性能演變機理（4）侵蝕性環境下具有初始損傷地下結構材料的性能演變規律2.地下結構性能與環境耦合作用機制（1）內外環境變化與地下結構耦合的作用機制（2）交通循環荷載對地下結構性能的致損機理（3）損傷與施工缺陷對地下結構性能演化的影響機理3. 超長線狀地下結構狀態智慧感知理論與

10、方法（1）地下結構混凝土損傷智能傳感理論（2）超長線狀地下結構狀態感知方法（3）地下復雜區域無線傳感網絡（WSN）的集成與應用理論4.動態時空環境效應下的地下結構健康診斷與服役性能預知理論（1）地下結構健康診斷的指標體系和診斷基準（2）地下結構健康的系統診斷理論（3）地下結構服役性能的演變機理（4）有缺陷結構服役性能演化預知模型和方法（5）主動加固地下結構的長期服役性能預測方法5. 地下水環境下的結構智能自修復與加固理論（1）地下水環境下地下結構損傷的智能自修復機制（2）智能自修復地下結構服役性能的多尺度分析方法（3）地下水環境下地下結構損傷的生物/礦物自修復方法（4）基于性能退化的地下結構自

11、適應加固理論6.地下結構健康服役的數字化保障與控制體系（1）地下結構全壽命期數字化理論與方法（2）地下結構健康服役智能服務機制（3）地下結構健康服役數字化保障與控制方法（4）地下結構健康服役應用示范二、預期目標3.1 總體目標針對城市軌道交通地下結構性能的演化、評估預知和控制開展基礎研究，揭示復雜環境下城市軌道交通地下結構材料性能形成和劣化機理，發展適合地下混凝土結構損傷、開裂及破壞全過程模擬的計算新理論，探明初始損傷、施工缺陷和材料劣化條件下結構長期性能演變規律以及與環境相互耦合作用機制；建立城市軌道交通地下結構服役性能的健康診斷模型和有缺陷結構服役性能的預知模型，提出城市軌道交通地下結構健

12、康的系統診斷理論和方法；形成城市軌道交通地下結構智能自修復基礎理論與多尺度分析方法及基于性能退化的結構自適應加固理論，構建城市軌道交通地下結構健康服役的數字化保障和控制體系，并最終建立不同時空環境下城市軌道交通地下結構全壽命最優維護理論，實現地下結構服役狀態的可知、可控。3.2 五年預期目標本項目以我國城市軌道交通健康服役的重大需求為導向，開展關鍵科學問題的研究，五年取得的預期目標如下：（1）深入研究復雜環境下地下結構材料性能形成和演化的規律，建立城市軌道交通地下結構材料性能演化分析理論。（2）提出復雜環境下城市軌道交通地下結構性能演化的時效分析模型及計算理論，揭示結構性能全壽命期發展和演化規

13、律。（3）提出適合于城市軌道交通地下結構全壽命期結構狀態的高效、全域、經濟的智慧感知方法，建立結構健康服役過程的實時、主動監控系統模型。（4）完善城市軌道交通地下結構病害指標體系，建立城市軌道交通地下結構服役性能的健康診斷模型和有缺陷地下結構服役性能的預知模型，提出城市軌道交通地下結構健康的系統診斷理論和方法。（5）建立軌道交通地下結構智能自修復的基礎理論、設計方法與服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的地下結構自適應加固理論，提出復雜環境下的軌道交通地下結構主動、自動修復理論和方法。（6）形成我國城市軌道交通地下結構健康服役數字化保障機制，建立完整的城市軌道交通地下結構性能控制理論和保障體系

14、。在國內外高水平學術期刊上發表論文200篇以上（其中150篇SCI論文），專著3本，申請國家發明專利20項，培養博士生50人、碩士生80人，凝聚和培育國內一批城市軌道交通健康服役的高水平研究隊伍，培養本領域的優秀科學家及創新團隊，形成具有重要國際影響的研究團隊，整體提升我國在該領域的國際地位。三、研究方案4.1 學術思路以三個關鍵科學問題為核心，推進巖土結構與材料、物理、化學、生物、信息等多個學科及其交叉前沿理論研究，采用室內實驗、現場實驗和監測、物理模擬、理論分析、數值模擬等多種方法，開展系統的理論和方法研究，深刻認識城市軌道交通地下結構性能全壽命期演化規律，研究城市軌道交通地下結構病害特征

15、和產生機理。在此基礎上建立有缺陷結構服役性能的預知模型，提出城市軌道交通地下結構健康的診斷理論和綜合性診斷方法。通過結構狀態智慧感知再現復雜環境下地下結構性能演化過程，提出軌道交通地下結構智能自修復基礎理論及服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的地下結構自適應加固理論，探索地下結構生物/礦物修復方法。構建城市軌道交通地下結構健康服役的數字化保障體系，形成城市軌道交通地下結構性能控制理論，并進行應用驗證。本項目總體學術思路如圖1所示。圖1總體學術思路4.2 技術途徑圍繞總體學術思路，本項目的技術途徑如圖2所示。（1）針對地下結構全壽命期性能演化過程，構建能考慮地下混凝土結構微觀結構狀態影響的本構

16、模型，建立預測結構材料的微細宏觀性能模型和精細分析結構材料物理和力學行為的計算方法。利用非線性動力理論、不連續介質條件下的滲流、概率可靠度理論及先進的數值計算方法，依托城市軌道交通地下結構綜合試驗系統，研究軌道交通循環荷載下土體動力學行為特性、結構和環境的相互影響效應，以及在內外環境變化下軌道交通地下結構的性能演化機理和退化機制、受損結構性能分析理論。通過實驗研究城市軌道交通地下結構混凝土性能形成過程的動態時變行為，分析影響地下結構性能的物理化學力學要素，探求結構材料性能形成的規律和機理。通過理論分析研究復雜物理化學環境條件下地下結構性能的退化機理，建立物理化學力學因素的耦合效應的理論模型，提

17、出表述地下結構服役環境作用效應的特定邊值條件，以上海在役軌道交通為依托開展研究，驗證分析結構性能演化的理論。（2）依托城市軌道交通地下結構綜合試驗系統，采用結構模型試驗、巖土離心機試驗、數值模擬、現場監測等方法揭示內外界環境變化以及交通循環荷載對軌道交通地下結構性能影響規律，分析地下結構致損和病害形成機理。發展適合地下混凝土結構內部損傷、開裂及破壞過程模擬的計算理論，形成初始損傷和施工缺陷狀態下的地下混凝土結構性能分析與評估方法。采用隨機概率可靠度理論、不連續介質條件下的滲流理論、動力分析理論、損傷力學等建立結構性能的時效分析模型以及受損結構的性能分析理論。（3）研制和改進溫度、加速度、裂縫開

18、展、變形、滲漏微電子傳感器，對其性能進行大量的室內和現場試驗, 獲得其量程、精度等適用性關鍵參數；對無線自組織傳感器網絡開展系統結構、結點配置技術、結點拓撲結構和數據融合的理論與室內試驗；結合地下結構性能演變的理論分析結果和地下結構智慧感知理論成果，開展真實環境條件下的集成試驗，重點進行軌道交通地下結構服役狀態診斷的實時數據流共享及運行監控平臺的關鍵技術、海量數據快速處理和容錯性好的算法研究，建立系統完整的城市軌道交通地下結構狀態智慧感知方法。（4）以大量工程實例為依托，通過數據采集、歸類統計、對比分析等研究策略，輔以數值模擬、模型實驗等方法，揭示城市軌道交通地下結構病害產生與發展的一般性演化

19、規律，并把握其具有關鍵意義的指標，對其進行特征標準化描述；對各個病害特征屬性進行揀選，采用改進的層次分析理論作為指導性研究思路，建立多因素、多層次的城市軌道交通地下結構的病害指標體系。基于單一病害的定量化基準，運用統計學、計算智能學方法和系統方法，建立多因素指標與評價閥值的多層次映射關系，提出城市軌道交通地下結構健康的系統診斷原理和方法；在再現結構缺陷衍生及發展過程的基礎上，研究建立軌道交通地下結構內外環境耦合作用條件下結構性能的演化規律與模型，建立基于人工智能與時間序列的地下結構性能綜合預知方法。（5）基于物理模型試驗、微觀測量及數值仿真，研究修復介質載體的斷裂機理、修復介質的運移模式及行為

20、、修復介質載體結構的相互協調與相容性及多次修復機理，揭示復雜環境下軌道交通地下結構損傷的智能自修復機制，形成系統的適合軌道交通服役特征和環境要求的結構損傷智能自修復基礎理論。應用多尺度理論，建立智能自修復結構力學特性、耐久性等的多尺度分析模型和計算方法，并基于軌道交通地下結構的復雜服役環境及受荷特性，建立其結構修復后服役性能的預測理論與方法，形成基于性能退化的軌道交通地下結構自適應加固理論。基于物理模型試驗和生物化學實驗及理論分析，形成地層地下水振動復雜環境下軌道交通地下結構損傷的生物/礦物自修復方法。（6）在大量數值模擬、試驗和實測數據的基礎上，揭示城市軌道交通地下結構健康服役各要素材料性能

21、、結構性能與健康診斷、智慧、修復加固之間的相互關系，提出城市軌道交通地下結構健康服役智能服務模型；基于大量案例學習，以及多信息多方法的綜合集成，建立城市軌道交通地下結構健康服役智能服務機制；在對城市軌道交通地下結構健康服役相關的全壽命數據歸納的基礎上，提出數據標準和時空數據模型，采用面向對象數據庫技術，實現全壽命數據管理；采用可視化、虛擬現實和增強現實等方法，融合網格技術、WebGIS和三維增強現實技術，建立大規模城市軌道交通網絡地下結構健康服役數字化平臺，實現服役性能智能分析與決策、信息可視化展示，集成本項目各課題研究成果，建成城市軌道交通地下結構健康服役數字化保障體系。4.3 創新點（1）

22、地下結構性能形成及演化機理揭示城市軌道交通地下結構性能在全壽命期中形成規律和控制性因素，提出結構狀態變化的本源多尺度模型；揭示內外因素耦合作用下軌道交通地下結構性能的長期演化機制，提出初始損傷和施工缺陷地下結構性能分析理論和計算模型。（2）地下結構狀態感知及預知方法建立復雜環境下地下結構性能實時感知與傳輸要求的城市軌道交通地下結構智慧感知方法；提出考慮環境影響的地下結構性能退化模型，建立有缺陷地下結構服役性能時空預知方法。（3）地下結構性能修復及控制理論建立復雜環境下超長線狀地下結構智能自修復理論和方法，提出自修復結構力學特性、耐久性等多尺度分析方法及基于性能退化的結構自適應加固理論。提出大規

23、模城市軌道交通網絡健康服役控制的智能服務模型和保障機制，建立城市軌道交通地下結構健康服役控制理論。在上述建立/提出的機理、理論、方法的基礎上，建立不同時空環境下城市軌道交通地下結構全壽命最優維護理論。4.4 研究特色（1）針對性：針對城市軌道交通地下結構健康服役的基礎理論問題，如材料與結構性能演化、健康診斷等開展研究，保證地下結構在長期使用過程中健康、安全、可控，研究目標十分明確。（2）前瞻性：隨著大量軌道工程的建設，如何評價和確保漫長服役期的結構性能，是目前及今后面臨的重大問題。本課題開展結構智慧感知、智能自修復加固、數字化保障體系等研究，符合當前技術發展的趨勢，也為未來軌道交通地下結構實現

24、智能、環保的修復加固提供了前瞻性的理論基礎和方法。（3）綜合性：從微觀、細觀、宏觀不同層次，揭示城市軌道交通地下結構性能演化機理和規律，得到初始損傷、施工缺陷與結構病害和性能退化之間的有機聯系，符合應用基礎研究的特點；研究充分體現多學科交叉與融合的特點，涉及巖土結構與材料、物理、化學、生物、信息等多學科理論與方法。（4）系統性：針對城市軌道交通地下結構健康服役性能演化、感知預知、評估診斷、修復加固和控制開展系統的研究，形成完整的城市軌道交通地下結構性能演化、評估預知和控制理論體系。4.5 取得重大突破的可行性分析（1）我國正在進行大規模的城市軌道交通建設，到2015年總長度將達到2260km，

25、其健康服役是目前面臨的共性的科學難題。上海地區軌道交通自1995 年1 號線投入運營以來，已經出現許多急需解決的健康服役問題，申報單位已經開展了前期工作，為本課題開展奠定了堅實的基礎。（2）項目研究團隊一直從事結構材料全壽命期性能演變機理、軌道交通地下結構與環境的相互作用、地下結構運營期健康診斷方法、混凝土自修復理論、工程數字化理論與方法的研究，具有扎實的基礎和很強的研究實力，承擔了多項與運營期軌道交通地下結構性能發展有關的自然科學基金、國家863項目、國家科技支撐計劃和地方重大科技攻關計劃，這些科研活動積累了大量運營軌道交通地下結構性能的現場實測資料，對了解、分析軌道交通地下結構在環境影響下

26、的性能發展特點和規律，并對試驗結果和理論分析方法的合理性具有驗證和完善作用，為該項目的研究奠定了理論基礎。項目研究團隊還結合城市軌道交通的施工、安全監控、結構養護與健康管理等方面開展了大量的實踐研究，對城市軌道交通健康服役的難點、可能的突破點有著深刻的認識。（3）項目的組織實施有充分的硬件保證，項目研究團隊所在單位擁有土木工程防災國家重點實驗室、高速鐵路建造技術國家工程實驗室、材料化學工程國家重點實驗室、亞熱帶建筑科學國家重點實驗室、先進土木工程材料教育部重點實驗室、巖土及地下工程教育部重點實驗室、土木信息技術教育部工程研究中心、嵌入式系統與服務計算教育部重點實驗室、教育部城市環境與可持續發展

27、聯合研究中心、控制結構湖北省重點實驗室、土木工程安全科學湖南省重點實驗室、江蘇省土木工程與防災減災重點實驗室、江蘇省無機非金屬材料重點實驗室等一批國家、省部級實驗室及研究中心，為該項目的完成提供了有力的硬件支撐和豐富的試驗理論基礎。（4）從研究人員來看，本項目匯集了我國在城市軌道地下結構健康服役領域的最杰出人才，團隊包括材料、結構、力學、信息技術在內的多學科交叉攻關隊伍。從參研單位來看，本項目凝聚了同濟大學、華中科技大學、中南大學、華南理工大學、南京工業大學等國內實力雄厚的學術權威單位，也聯合了上海申通地鐵集團有限公司這樣具有自主創新能力的地鐵建設與運營管理單位，形成了學科交叉、強強聯合、優勢

28、互補的強有力的攻堅力量。這一團隊的研究經驗豐富，理論基礎雄厚，自主創新能力強、年富力強、肯鉆實干，具有取得重大突破的能力、潛力和實力。與此同時，項目聘有中國科學院、工程院院士作為學術顧問，為指明課題的研究方向和確保項目的研究水平提供了強有力的支持和保障。（5）研究團隊具有廣泛的國內外學術交流機制，為項目研究關鍵科學問題的突破提供了良好的交流平臺,特別是與世界上該領域的專家學者保持緊密的合作和聯系。例如申請單位已經與該領域最高水平的國外研究機構，如美國加州大學洛杉磯分校、英國劍橋大學、荷蘭代爾夫特理工大學、英國愛丁堡大學建立了良好的合作關系，并且聘請了這些學校中該領域方面的權威專家J. Wood

29、y Ju教授、Kenichi Soga 教授、Klass van Breugel教授、Yong Lu教授實質性地參與到該項目中，可以共享科研成果和借鑒科研經驗，始終站在世界研究的前沿，并取得一批具有國際領先的重大成果。4.6課題設置課題間關系本項目緊緊圍繞關鍵科學問題，充分考慮城市軌道交通地下結構性能演化、感知、評估、預知與控制之間的有機聯系及相互影響，根據分工明確、相對獨立、彼此關聯、目標具體、確實可行的原則來設置課題。課題一從城市軌道交通地下結構材料性能的“形成及演化”的角度，系統分析結構材料在“建造使用維護”全壽命期的性能特征及其演化規律，提出地下結構狀態變化的本源多尺度模型，建立城市軌

30、道交通地下結構材料服役性能演化分析理論，為其它課題研究提供基礎理論依據。課題二基于課題一研究結果，從城市軌道交通地下結構性能全壽命期演化角度出發，研究地下結構性能與材料、環境的耦合作用機制，建立模擬城市軌道交通地下結構受力和變形特性的時效分析模型及計算理論。課題一與課題二共同為課題四、課題五提供了基礎理論支持。課題三研究超長線狀地下結構狀態感知的高效、全域、經濟的智慧感知方法，利用感知信息揭示軌道交通地下結構性能演化規律，為課題四和課題五服役性能定量評價和結構修復加固提供依據。課題四綜合前三個課題的研究成果，建立有缺陷結構服役性能預知模型和健康診斷理論，其重點是城市軌道交通地下結構性能評估與預

31、知理論這一關鍵科學問題。課題五在課題一和課題二的基礎上，研究地下水環境下軌道交通地下結構損傷的智能自修復機制，形成軌道交通地下結構損傷自感知、自修復一體化理論與多尺度分析方法，建立基于性能退化的軌道交通地下結構自適應加固理論，并探索處于不同性能與環境下地下結構生物/礦物自修復方法，為軌道交通地下結構能夠實現主動、自動的修復加固提供理論基礎和方法體系。課題六是對前五個課題的綜合集成，建立城市軌道交通健康服役數字化平臺和智能服務機制，構建城市軌道交通地下結構健康服役的數字化保障和控制體系，并結合城市軌道交通工程，對理論成果進行科學驗證。本項目的研究目標、關鍵科學問題與課題設置的相互關系如圖3所示。

32、圖3 研究目標、關鍵科學問題與課題設置的相互關系課題1：動態服役環境中的地下結構材料全壽命期性能演化機理研究目標：從城市軌道交通地下結構材料性能的“形成及演化”的角度，系統分析地下結構材料在“建造使用維護”全壽命期的性能特征及其演化規律，提出地下結構狀態變化的本源多尺度模型，創建城市軌道交通地下結構材料服役性能演化分析理論框架，為城市軌道交通地下結構服役性能評估和修復加固提供基礎理論依據。研究內容：（1）地下結構材料建設期性能形成機理針對城市軌道交通地下結構，研究地下結構材料在建設期性能形成過程中的多尺度特征和動態時變行為，分析影響地下結構材料性能的物理化學力學要素，探求結構材料性能形成的規律

33、和機理；建立地下混凝土結構材料早期性能與微觀結構本構模型；構建地下結構材料早期多尺度本構模型和早期持荷對結構服役性能影響的分析模型，提出城市軌道交通中現澆混凝土結構及預制構件施工質量的保障措施。（2）動態服役環境中地下結構材料服役性能的演變機理分析影響城市軌道交通地下結構材料服役性能的主要影響因素，研究復雜物理化學力學環境下結構材料性能的退化機理。明確結構材料及構件在波動環境影響下的響應規律、由于物質運移所產生的積聚效應、在軌道交通低頻周期動載作用下的疲勞效應，以及雜散電流影響下混凝土性能退化機理，探索物理化學力學因素的耦合效應的理論模型。（3）固液氣耦合下全壽命期地下結構材料性能演變機理針對

34、城市軌道交通地下結構，研究地下水沿迎土面向結構滲流的機制和環境介質中離子隨水分的遷移過程；明確地下結構臨空面干濕交替邊界的擴散機理；建立表述城市軌道交通地下結構服役環境中干濕交替、長期沁潤、空氣溫度/濕度波動等作用的特定邊值條件。（4）侵蝕性環境下具有初始損傷地下結構材料的性能演變規律考慮軌道交通地下結構由于施工過程所產生初始損傷，探索滲流耦合狀態下侵蝕性物質在結構構件中沿其裂縫運移的規律，研究大氣環境及侵蝕性環境共同作用下，帶縫工作結構中鋼筋的銹蝕機理和混凝土材料的性能劣化規律。經費比例：17%課題承擔單位：南京工業大學、同濟大學課題負責人：劉偉慶學術骨干：Klass van Breugel

35、，潘志華，王曙光課題2：地下結構性能與環境耦合作用機制研究目標：針對城市軌道交通地下結構服役過程中的環境作用特點，通過地下結構性能與材料、環境的耦合作用機制研究，揭示復雜內外因素作用下城市軌道交通地下結構長期性能的發展規律和破壞機理，建立考慮周邊環境影響的性能演化評估模型。發展適合地下混凝土結構損傷、開裂、施工缺陷及破壞過程模擬的計算新理論，揭示有缺陷地下混凝土結構受力狀態變化規律及其長期性能演化機理，開發能考慮城市軌道交通全壽命期性能的地下結構設計理論和維護方法。研究內容：（1）內外環境變化與軌道交通地下結構耦合的作用機制探索影響軌道交通地下結構性能的外界環境因素及其與結構自身相互作用規律；

36、綜合考慮土體介質特性和地下水的影響，研究不同環境因素變化對軌道交通地下結構性能的時效影響機理，建立環境變化結構性能時間之間的分析模型，揭示溫度和空氣動力耦合作用對軌道交通地下結構性能的影響機制；闡明外界環境變化條件下軌道交通地下結構性能的全壽命劣化機理和發展規律；研究軌道交通地下結構性能控制指標，考慮結構全壽命期內強度與剛度，建立基于性能的結構全壽命周期設計與維護理論。（2）交通循環荷載對軌道交通地下結構性能的致損機理研究循環交通荷載條件下結構土層相互作用機制，揭示交通循環荷載作用下完整和滲漏水狀態地下結構的短期與長期致損機理；研究地層變異條件下和隧橋過渡段在列車動力荷載下的長期沉降發展規律與

37、短期沖擊破壞機理；研究列車荷載對隧道結構疲勞壽命的影響以及結構的動力可靠性；建立交通循環荷載地層變異軌道交通地下結構性能演化模型和分析方法。（3）損傷與施工缺陷對地下結構性能演化的影響機理分析城市軌道交通地下結構服役期存在的結構損傷、施工缺陷及結構病害類型與特征；研究適合地下混凝土結構內部損傷、開裂及破壞過程模擬的計算新理論；研究從微觀裂紋到宏觀裂縫的生成理論、擴展追蹤和接觸摩擦算法。揭示施工不當引起缺陷狀態下地下混凝土結構的應力應變重分布規律及其裂縫、滲漏、破壞的機理，進行有缺陷地下混凝土結構性能分析與評估；對各種既有缺陷、損傷發展至病害層次的演化追蹤，揭示各種影響因素與結構病害、各種不同病

38、害之間的內在聯系。課題承擔單位：中南大學、同濟大學課題負責人：彭立敏學術骨干：楊永斌，蔡永昌，戴瑛，楊小禮，施成華經費比例：17%課題3：超長線狀地下結構狀態智慧感知理論與方法研究目標：針對城市軌道交通地下結構信道雜亂和電磁兼容性要求高等特點，研究適合于超長線狀地下結構性能全壽命期的高效、全域、經濟的智慧感知方法，突破軌道交通地下結構復雜環境下的智慧感知瓶頸，刻畫復雜環境下感知、通信、控制的脈絡結構，力圖利用感知信息揭示軌道交通地下結構性能演化規律，為服役性能定量評價和結構修復加固提供依據。研究內容：（1）地下結構混凝土損傷智能傳感理論研究揭示軌道交通地下結構多種服役工況下自感知智能體（壓電陶

39、瓷、光纖陣列等）對損傷的動態響應規律。建立地下結構混凝土初始損傷與缺陷的發現模型，形成適應軌道交通復雜服役環境的地下結構混凝土內部狀態的實時、無損、在線智能傳感理論。（2）超長線狀地下結構狀態感知方法針對超長線狀地下結構特定的服役環境，研究溫濕度、加速度、裂縫開展度、變形量、滲漏量等物理量指標的狀態感知方式。研究微電子機械系統（MEMS）智慧終端的實現方法，確立城市軌道交通環境下感知信息顆粒度、精度、信息維度等關鍵參數，實現感知結構性能參數空間在感知系統上的有效映射。（3）地下復雜區域無線傳感網絡（WSN）的集成與應用理論針對無線傳感器網絡在城市軌道交通地下結構感知中的適用性等難題，研究無線傳

40、感器網絡在城市軌道交通地下結構上部署的系統架構、拓撲結構、結點配置等，通過信息融合等方法力爭實現感知功能自適應，感知結構自組織，感知信息自涌現。滿足復雜多變環境下結構狀態感知信息的實時性、感知結構的魯棒性要求。發展無線傳感器網絡在地下復雜區域的應用理論。課題承擔單位：同濟大學課題負責人：黃宏偉學術骨干：Kenichi Soga，何斌，謝雄耀，張亞英經費比例：15%課題4、動態時空環境效應下的地下結構健康診斷與服役性能預知理論研究目標：基于城市軌道交通地下結構為線狀結構以及受結構內、外環境雙重約束的力學特點，在研究內容一和研究內容二的基礎上，建立有缺陷地下結構服役性能的預知模型，從而對地下結構健

41、康演化過程做出描述，揭示城市軌道交通地下結構長期性能退化機理。基于海量數據分析，提出地下結構病害發展過程中的特征指標體系和定量化評價基準，建立地下結構健康診斷理論和方法。研究內容：（1）地下結構健康診斷的指標體系和診斷基準基于潛在病害風險因素的分析，選取城市軌道交通地下結構主要病害指標，對其演化特征及其對結構整體健康影響的映射關系進行定量化研究。探討多種病害交互作用對地下結構的復合影響，在城市軌道交通地下結構健康綜合評判體系的基礎上，建立完備的評估指標集，并提出地下結構病害指標的定量化評價基準。（2）地下結構健康的系統診斷理論基于不同服役歷史的城市軌道交通地下結構性能的海量工程實測數據，考慮服

42、役條件和服役信息的不確定性，運用統計學、計算智能學方法和系統學方法，提出地下結構健康的系統診斷原理和綜合性診斷方法，建立地下結構服役性能的健康診斷物理經驗模型和“條件評估”理論，并結合城市軌道交通地下結構的當前性能數據，診斷結構當前的服役狀態。（3）地下結構服役性能的演變機理考慮城市軌道交通地下結構的類型，基于材料和構件退化機理分析模型，研究在環境慢變侵蝕和極端侵襲下地下結構體系物理狀態和服役性能的演變機理，建立地下結構體系性能退化可靠度分析模型，提出地下結構全壽命管養干預的科學方法。（4）有缺陷結構服役性能演化預知模型和方法考慮城市軌道交通的結構類型和周邊環境特點，以安全性、適用性、耐久性指

43、標為基準，綜合分析多種病害因素共同作用下地下結構的力學演變規律和行為特征，研究建立地下結構內外環境耦合作用的結構性能演化模型，提出基于人工智能方法與時間序列分析理論的結構性能綜合預知模型和方法。課題承擔單位：華中科技大學、同濟大學課題負責人：朱宏平學術骨干： Yong Lu，夏才初，李林經費比例：15%課題5：地下水環境下的結構智能自修復與加固理論研究目標：研究地下水環境下軌道交通地下結構損傷的智能自修復機制與多尺度分析方法，探索并建立相應地下結構損傷的智能自修復基礎理論和生物/礦物自修復方法，形成基于性能退化的地下結構自適應加固理論，為實現地下結構的主動、自動修復和加固提供理論基礎和方法體系

44、。研究內容：（1）地下水環境下地下結構損傷的智能自修復機制基于仿生自愈合神經網絡系統原理，研究修復介質載體的斷裂機理、修復介質的運移模式及行為、修復介質載體結構的相互協調與相容性及多次修復機理，揭示地下水環境下軌道交通地下結構損傷的智能自修復機制，形成適合軌道交通地下結構服役特征和環境要求的損傷智能自修復基礎理論和方法。（2）智能自修復地下結構服役性能的多尺度分析方法通過研究修復介質載體或介質的物理幾何特征及分布、結構自修復神經網絡分布模式、修復介質載體結構界面作用機制及復合體本構模型，建立智能自修復結構的力學特性、耐久性等的多尺度分析模型和計算方法，并基于軌道交通地下結構的復雜服役環境及受荷

45、特性，研究其結構修復后服役性能的預測理論與方法。（3）地下水環境下地下結構損傷的生物/礦物自修復方法針對具有初始損傷和施工缺陷的軌道交通地下結構，研究復雜環境下生物/礦物自修復的機理及結構性能參數的演化規律，建立適合軌道交通地下結構環境的生物/礦物自修復方法和修復性能評估體系。（4）基于性能退化的地下結構自適應加固理論研究地下結構體系薄弱環節失穩判據，基于智慧感知方法獲取的地下結構變形和受力超限區信息，采用結構體系服役性能退化的可靠度分析模型，建立軌道交通地下結構體系的自適應加固理論，實現地下結構的主動加固。（5）主動加固地下結構的長期服役性能預測方法針對軌道交通地下結構的服役環境和受荷特性，

46、研究長期服役過程中加固材料及加固界面的時變力學模型，及其對地下結構長期力學行為的影響規律，建立主動加固地下結構的長期服役性能預測方法。課題承擔單位：華南理工大學、同濟大學課題負責人：吳波學術骨干：袁勇，J. Woody Ju，楊正宏，蔣正武，王帆經費比例：17%課題6：地下結構健康服役的數字化保障與控制體系研究目標：研究材料性能、結構性能、健康診斷、智慧與修復加固的有機融合，建立城市軌道交通地下結構健康服役智能服務機制，變被動獲取結構健康狀態為主動控制服役性能，并研究城市軌道交通地下結構全壽命期數字化理論與方法，構建城市軌道交通地下結構健康服役的數字化保障和控制體系。研究內容：（1）地下結構全

47、壽命期數字化理論與方法探索城市軌道交通地下結構“建造使用維護”全壽命期數字化理論體系與系統框架，建立地下結構健康服役相關的數據標準和元數據，研究海量多源異構數據的綜合集成和索引方法、軌道交通健康服役一體化時空建模方法、可視化綜合分析及動態管理方法，解決城市軌道交通地下結構健康服役中全壽命期數據管理、數據分析和數據可視化等關鍵問題。（2）地下結構健康服役智能服務機制從系統學的角度出發，對材料性能、結構性能、智慧、健康評估、智能修復加固進行有機融合，研究城市軌道交通地下結構健康服役智能服務機制，包括智能服務模型、服務規范和服務評估方法，探索智能服務框架和體系結構，為構建復雜環境條件下大規模城市軌道

48、交通網絡健康服役的數字化保障體系提供理論與方法基礎。（3）地下結構健康服役數字化保障與控制方法針對新一代的網絡環境，融合網格技術、WebGIS和增強現實等技術，將與結構健康狀態相關數據與空間信息服務、結構性能評估與預知、數字數值一體化分析、真實與虛擬結構信息可視化展示、服役性能智能分析與決策進行集成，為構建城市軌道交通地下結構健康服役提供數字化支撐體系，及時準確地得到結構服役性能現狀并提供主動控制措施。（4）地下結構健康服役應用示范研究健康服役智能服務機制和數字化保障體系在城市軌道交通中的信息采集、分析與處理、性能預知與輔助決策等方面的應用機制，構建面向大規模城市軌道交通網絡健康服役相對完整的

49、應用示范系統，驗證城市軌道交通地下結構健康服役智能服務機制、全壽命期數字化理論與方法、以及數字化保障體系的有效性。課題承擔單位：同濟大學、上海申通地鐵集團有限公司課題負責人：朱合華學術骨干：白廷輝，王丹生，李曉軍，畢湘利經費比例：19%四、年度計劃研究內容預期目標第一年（1）資料收集、調研，制定項目總體規劃；（2）針對各課題的研究需求，開展并完成實驗系統的建立；（3）研究地下結構材料在建設期性能形成過程中的多尺度特征和動態時變行為，分析影響地下結構材料性能的物理化學力學要素，探求結構材料性能形成的規律和機理；（4）探尋預測結構材料的微細宏觀性能模型和精細分析結構材料物理和力學行為的計算方法；（

50、5）進行城市軌道交通地下結構賦存環境、服役期存在的結構損傷、施工缺陷及結構病害類型與特征的現場調查分析；（6）進行交通循環荷載及賦存環境下城市軌道交通地下結構受力與變形等基本特性的計算分析；（7）改進損傷識別和定位算法，提高識別和確定結構損傷位置的精度，建立對地下結構混凝土初始損傷與缺陷的發現感知模型。（8）探討多種病害交互作用對地下結構的復合影響，建立完備的城市軌道交通地下結構健康評估指標集，提出地下結構病害指標的定量化評價基準；（9）研究地下水環境下具有初始損傷和施工缺陷結構的電化學沉積/礦物修復方法；（10）研究地下環境下加固材料的長期力學行為和地下結構的主動加固理論；（11）研究城市軌

51、道交通地下結構“建造-使用-維護”中海量多源異構數據的綜合集成和索引方法、可視化綜合分析及動態管理方法；（12）針對新一代的網絡環境，研究基于WebGIS的城市軌道交通地下結構數字化支撐體系。（1）建立地下混凝土結構材料早期性能與微觀結構本構模型；（2）構建地下結構材料早期多尺度本構模型和早期持荷對結構服役性能影響的分析模型；（3）提出城市軌道交通中現澆混凝土結構及預制構件施工質量的保障措施；（4）建立適應軌道交通復雜服役環境下的地下結構混凝土內部狀態的實時、無損、在線智能感知模型。（5）建立地下結構健康診斷的指標體系和診斷基準；（6）提出地下結構相鄰管片之間的主動加固方法；（7）建立城市軌道

52、交通地下結構全壽命期數據標準；（8）發表論文30篇，其中SCI論文20篇，培養博士研究生10名，碩士研究生16名。第二年（1）研究復雜物理化學力學環境下結構材料性能的退化機理；（2）土體介質、地下水、環境溫度等單因素、多因素作用下城市軌道交通地下結構性能演化的相關試驗研究；（3）智能感知在超長線狀地下結構服役環境下的適應要求及特點分析研究；（4）溫濕度、加速度、裂縫開展度、變形量、滲漏量等物理量指標的狀態感知方式及試驗研究；（5）微電子機械系統（MEMS）智慧終端的實現方法，感知信息顆粒度、精度、信息維度等關鍵參數的確定研究；（6）考慮服役條件和服役信息不確定性的地下結構健康系統診斷原理和綜合

53、性診斷方法研究；（7）地下結構服役性能的健康診斷物理經驗模型和“條件評估”理論研究；（8）地下結構智能自修復介質載體或介質的物理幾何特征及分布研究；（9）地下水環境下電化學沉積/礦物自愈合修復結構的性能參數演化規律研究；（10）地下結構相鄰管片之間短期主動加固與長期被動加固的協調機制研究；（11）軌道交通健康服役全壽命期一體化時空建模方法研究；（12）軌道交通地下結構數字數值一體化分析方法研究；（13）基于增強現實技術的軌道交通地下結構可視化方法研究。（1）探明動態服役環境中地下結構材料服役性能的演變機理；（2）建立物理化學力學因素的耦合效應的理論模型；（3）實現超長線狀環境下感知結構性能參數

54、空間在感知系統上的有效映射，建立地下結構的智慧感知方法及感知理論；（4）提出地下結構健康的系統診斷原理和綜合性診斷方法，建立地下結構健康的系統診斷理論；（5）初步提出針對性的地下水環境下智能自修復和電化學沉積/礦物自愈合修復方法；（6）初步提出地下結構整體變形的主動加固方法；（7）初步形成城市軌道交通地下結構全壽命數字化理論體系；（8）發表論文40篇，其中SCI論文32篇，培養博士研究生10名，碩士研究生16名。第三年（1）地下水沿迎土面向結構滲流的機制和環境介質中離子隨水分的遷移過程研究；（2）地下結構臨空面干濕交替邊界的擴散機理研究；（3）固液氣耦合下全壽命期地下結構材料性能演變機理研究；（4）軌道交通地下結構在地下水作用下的損傷演化特性研究；（5）軌道交通地下結構在交通循環荷載作用下的動力累積損傷特性研究；（6）適合地下混凝土結構內部損傷、開裂及破壞過程模擬的計算新理論；研究從微觀裂紋到宏觀裂縫的生成理論、擴展追蹤和接觸摩擦算法研究；（7）傳感元件及智能傳感器平臺的設備選型研究；（8）無線傳感器網絡在城市軌道交通地下結構感知中的特點以及適