院士陈湘生：超大城市深层地下空间韧性关键科学问题研究进展

中国是世界人口大国，尽管有着广袤的国土，但我国人口的主要居住地区仍聚集在沿海地带，致使地少人多的矛盾突出。

目前，人口数量上，我国内地超过千万人的城市一共有18个；经济上，五大城市群的GDP将近85万亿，占整个国民GDP的63%左右。

那么，向地下要空间，便是许多城市乃至超大城市缓解人地矛盾的做法之一，但地下空间环境复杂，如何更高效、科学、安全地利用地下空间，是许多科学家一直致力研究的问题。

3月27日，中国工程院院士、深圳大学土木与交通工程学院院长陈湘生在第二届粤港澳大湾区建筑科学技术交流大会上，以“国内地下空间韧性发展的前沿进展”为主题，作了题为《超大城市深层地下空间韧性关键科学问题研究进展》的主旨演讲。

陈湘生认为，地下空间是一个双刃剑，有利的是地面空出了一部分空间；不利的是地下空间风险也是非常大，“因此，我们怎么高效安全地利用地下空间，是项目研究的核心”。

针对地下空间系统产生灾变耦联效应，陈湘生阐述了三个影响因素。

第一个是地质体效应。像天津的地下水下降，城市的区域就沉降了，比如向深地施工的时候，上面的结构也会下沉。

第二个是地震作用。如果地下被破坏的话，上面也是很快就会被破坏，是一个灾链性的，在浅表部分是局部的。

第三个是施工扰动。建设多了，深部发生灾害的话，影响的范围会由原来的小部分扩大到大部分。

因此，城市地下空间开发及城市安全运维亟需韧性基础理论，提升城市地下空间应对不确定性的整体韧性水平。

顺应时代的发展以及现实需求，陈湘生及其团队就实现韧性提炼出了4个特点，也就是实现鲁棒性（深层地下空间抵御灾害的能力）、冗余性（深层地下空间关键功能的容灾备份的能力）、恢复性（深层地下空间受损后快速恢复其功能的能力）和适应性（深层地下空间应对灾害优化决策及合理调配资源的能力）。

“目前，深层地下空间开发面临区域地质环境演变机制不明、地下结构全寿命周期服役安全要求高、深层施工扰动-灾变变形及稳定控制难度大、系统耦联灾变机制复杂以及机理不明这四大核心挑战”，陈湘生表示。

针对这四个挑战，陈湘生及其团队研究了四个主要的科学问题。

其一，在深层地下空间开发方面，针对水文地质变化、地层扰动弱化以及地下空间热岛等方面进行研究；

其二，因地质效应、地震灾害、环境侵蚀、施工扰动等多重致灾因子造成的灾害，研究如何实现功能的恢复；

其三，鉴于敏感环境、工程扰动、深层土的力学性质存在差异，研究事故链的形成机制；

其四，在灾变耦联方面，当灾变传递导致结构群失稳，在系统韧性评估模型以及分析机理不清楚的情况下，探究应采用何种分析方法与流程加以应对。

目前，这些问题在陈湘生及其团队的努力下，均取得了一定的研究进展。在大会上，陈湘生详细地介绍了研究的理论以及技术成果。

第一，基于图论模型分析地质体次生裂缝演化规律，建立应力诱导次生裂缝网络与地质体结构损伤关系。

第二，基于室内试验揭示多含水层“串水效应”，揭示其诱发地面沉降机理；开展模型试验，探究地下水位变化对隧道结构及围岩地质环境影响；建立Ge0-LSTM模型，分析岩土-盾构作用关系的变量敏感性。

第三，开发了THMCB耦合室内试验装置，研究长期化学作用下地质体力学特征的劣化规律；建立双洞隧道盾构-水-岩-结构耦合精细化数值模型，揭示了施工期地质体-结构互馈响应，并探究地质环境长期响应规律。

第四，根据深层地质环境属性特征，提出了一种半定性-半定量组合的深层地下空间地质环境适宜性评价方法；分析深部地质体韧性水平，构建深部地层韧性评估体系与规划布局方法，进行合理规划深层地下空间的布局。

第五，建成了深层盾构隧道开挖土拱效应模型试验装置，揭示了深层盾构隧道上方土拱效应随位移的发展规律，明确了土体剪胀性对土拱发展的影响规律，揭示了深层盾构隧道土压力分布规律。

第六，基于高韧性UHPC混凝土的接头优化，显著提升接头刚度及承载力，保障结构安全。

第七，地下结构数字孪生测试系统结合数字孪生技术和混合试验技术，高保真模拟深层土水压力和地震，研究深层土-结构相互作用，深层地下结构地震损伤规律。

第八，开发了纤维梁单元盾构隧道数值分析模型，通过与已有试验对比，验证了该模型可实现静载和循环荷载作用下管片和接头非线性力学行为准确模拟，并基于该模型，研究了典型盾构隧道的地震响应。

第九，针对深层土的强胶结，结构性特性，研发了深层结构性土制备和测试方法，研制了深层土赋存状态与卸荷过程模拟试验装置，形成了深层结构性土高压固结多功能试验装置与技术，揭示了卸荷路径对于土体结构性的影响规律，建立了考虑应变软化的H5-DS本构模型。

第十，引入双向映射方法进行应力场平滑处理，构建半隐式流固耦合物质点法的控制方程，首次提出基于物质点法的扰动-灾变大变形分析方法；提出了考虑各向异性的水力耦合公式，采HS-DS应变软化本构模型，提出了局部渗漏破坏精细有限元数值模型并应用验证。

第十一，采用室内足尺试验和考虑混凝土损伤的精细数值试验，揭示了斜螺栓接头承载-破坏的五阶段承载机制，探明了接头的破坏特征，分析了螺栓分布、初始错台对接头承载性能的影响规律：研发了盾构隧道双道防水多功能试验装置，揭示了双道密封垫的防水能力与机制。

第十二，丰富了深层地下空间韧性内涵，搭建了深层施工扰动-灾变安全控制的成套技术体系，研究了微扰动施工、纤维混凝土和波纹钢板加固技术等，提出了韧性评估体系下施工扰动-灾变的表征方法。

第十三，通过离心模拟试验，获得了结构群的灾变过程的相关数据。

第十四，构建超大城市地下工程群复合性能-时间-经济三维空间，并提出多尺度韧性定量分析框架；此外，陈湘生及其团队还提出了超大城市地下工程群灾变耦联韧性分析方法。

深层地下空间韧性研究对实现生态可持续、城市安全乃至国土安全具有不可忽略的价值。据陈湘生介绍，目前，项目研究的进度已经接近2/3，成功获批科技部的17个重大专项和1个重大项目。展望未来，深层地下空间韧性研究成果将在我国城镇化建设过程中，尤其是超大城市的地下空间开发安全保障方面发挥关键作用，为地下空间资源的科学、安全、高效利用筑牢坚实基础。