工程科学学报，第44卷，第X期 underground space service risk analysis,prevention and control system,so as to provide scientific ideas and feasible methods to ensure the service safety of urban underground space engineering KEY WORDS underground space;underground engineering:service safety;structure;stability 21世纪，人类步入地下空间开发的新时代，世 度改变时的冻张融沉也会对结构体的寿命产生 界各国日益重视对地下空间的开发和利用叫近年 影响 来我国基础设施的大规模建设一一西部大开发、 (4)突发灾害.突发的自然灾害和超强冲击荷 南水北调、西气东输、高速铁路（公路）、深地资源 载可能会对结构体带来毁灭性的打击，例如，地下 开采、城市地下空间开发等都涉及大量的地下空 空间中的火灾和水灾，结构体在高温或水的作用 间工程.地下空间开发利用的类型也呈现出多样 下，强度大大降低；地震作为一种复杂的特殊荷载 化、深层化和复杂化的特点2引另外，许多地下空 作用，对结构体及支护体-围岩提出了更高的要 间工程已由建造阶段转入长期安全稳定运营阶 求；人防工程、防护工程等对超强冲击的防御能力 段，如何使地下空间工程长期保持高安全、高稳 也是服役安全中应该考虑的问题 定、高可靠的运营品质，已成为现阶段我国地下空 (5)地下空间开发向深部发展.在资源开采领 间工程发展面临的突出问题，而探明地下空间工 域，浅部资源逐渐减少，资源开采正在向深部发 程结构体系在全生命周期中的动态性能演变规律 展.例如，我国煤炭开采中最深的为山东新汶集团 和效应，建立科学有效的地下空间工程服役安全 的孙村煤矿(1501m).另外，在城市地下空间方 评价标准和控制方法，是解决这一突出问题的重 面，也在提倡地下立体多层次综合开发利用.面 要法宝，也是当前急需解决的关键难题.与地面工 向2030m的深地计划也进一步强调了深层地下空 程相比，地下空间工程安全服役面临的问题主要有： 间开发的必要性.深部开采工程环境中的“三高一 (1)复杂的地质条件.我国国土面积幅员辽 扰动”无疑对地下空间工程的服役安全提出了更 阔，地质条件复杂多变.工程建设中需要考虑地质 高的要求 构造、岩土体的物理力学性质、地下水的赋存和 目前我国正处于大规模、高速度的地下空间 分布及地质灾害等方面的信息，竣工的地下工程 工程开发建设的高峰期，随着地下工程建设速度 结构埋置于地质体中，尚应考虑工程建设对区域 的加快以及利用率的逐渐提高，如何提高地下空 地质体安全的影响 间工程在其全生命周期内的安全性及可靠性，从 (2)建造质量影响服役安全.地下空间工程的 而保障在长寿命使用条件下的安全服役，对相关 结构体在建造过程中就已经受到各种复杂的力学 领域的研究人员来说是极其严峻的挑战和重大课 作用.例如，新浇筑的混凝土在未达到龄期前，已 题.本文在分析地下空间工程面临的主要问题的 经承受地层压力或围岩卸荷压力的作用：寒区施 基础上，凝练出地下空间工程服役安全的3个关 工时，混凝土构件在未达到设计强度前，已经受到 键科学问题，总结和评述了笔者及其所在课题组 了反复冻胀荷载的作用：在岩石工程钻爆法施工 在此方面的相关研究工作和最新进展，并指出未 时，爆破作用已经对被保留岩体造成初始损伤.建 来的发展趋势和需要重点关注和加强的基础性研 造过程中这些复杂的力学作用已使得结构体的强 究工作，供地下空间工程技术、研究及管理部门参考 度降低.另外，建筑材料的自身性能也直接影响结 1地下空间工程服役安全的关键科学问题 构体的寿命 (3)环境因素引起的结构性能劣化.许多结构 1.1多场耦合作用下结构体材料损伤劣化规律 体在服役期间常处于多重有害的化学环境中，例 针对地下空间工程复杂的应力场、渗流场、温 如，西部地区的地下水中含有大量的氯离子和硫 度场、裂隙场、能量场和物质场环境，模拟地下空 酸根离子，与混凝土发生一系列的化学反应，使得 间工程可能出现的极端复杂条件，研究复杂工况 混凝土的强度和耐久性降低；矿山矿井建设开采 单因素或多因素耦合作用下对地下岩土层、支护 中的瓦斯、一氧化碳、二氧化硫等有害气体危害 层服役安全的影响规律 着地下建筑物的安全性能，且二氧化硫等自身具 地下空间工程结构体埋于地层中，在服役过 有的强腐蚀性也会对结构产生破坏：高原地区温 程中既承受外部荷载的作用，又受到外部物理化underground space service risk analysis, prevention and control system, so as to provide scientific ideas and feasible methods to ensure the service safety of urban underground space engineering. KEY WORDS    underground space；underground engineering；service safety；structure；stability 21 世纪，人类步入地下空间开发的新时代，世 界各国日益重视对地下空间的开发和利用[1] . 近年 来我国基础设施的大规模建设——西部大开发、 南水北调、西气东输、高速铁路（公路）、深地资源 开采、城市地下空间开发等都涉及大量的地下空 间工程. 地下空间开发利用的类型也呈现出多样 化、深层化和复杂化的特点[2−3] . 另外，许多地下空 间工程已由建造阶段转入长期安全稳定运营阶 段，如何使地下空间工程长期保持高安全、高稳 定、高可靠的运营品质，已成为现阶段我国地下空 间工程发展面临的突出问题，而探明地下空间工 程结构体系在全生命周期中的动态性能演变规律 和效应，建立科学有效的地下空间工程服役安全 评价标准和控制方法，是解决这一突出问题的重 要法宝，也是当前急需解决的关键难题. 与地面工 程相比，地下空间工程安全服役面临的问题主要有： （1）复杂的地质条件. 我国国土面积幅员辽 阔，地质条件复杂多变. 工程建设中需要考虑地质 构造、岩土体的物理力学性质、地下水的赋存和 分布及地质灾害等方面的信息. 竣工的地下工程 结构埋置于地质体中，尚应考虑工程建设对区域 地质体安全的影响. （2）建造质量影响服役安全. 地下空间工程的 结构体在建造过程中就已经受到各种复杂的力学 作用. 例如，新浇筑的混凝土在未达到龄期前，已 经承受地层压力或围岩卸荷压力的作用；寒区施 工时，混凝土构件在未达到设计强度前，已经受到 了反复冻胀荷载的作用；在岩石工程钻爆法施工 时，爆破作用已经对被保留岩体造成初始损伤. 建 造过程中这些复杂的力学作用已使得结构体的强 度降低. 另外，建筑材料的自身性能也直接影响结 构体的寿命. （3）环境因素引起的结构性能劣化. 许多结构 体在服役期间常处于多重有害的化学环境中，例 如，西部地区的地下水中含有大量的氯离子和硫 酸根离子，与混凝土发生一系列的化学反应，使得 混凝土的强度和耐久性降低；矿山矿井建设开采 中的瓦斯、一氧化碳、二氧化硫等有害气体危害 着地下建筑物的安全性能，且二氧化硫等自身具 有的强腐蚀性也会对结构产生破坏；高原地区温 度改变时的冻胀融沉也会对结构体的寿命产生 影响. （4）突发灾害. 突发的自然灾害和超强冲击荷 载可能会对结构体带来毁灭性的打击. 例如，地下 空间中的火灾和水灾，结构体在高温或水的作用 下，强度大大降低；地震作为一种复杂的特殊荷载 作用，对结构体及支护体−围岩提出了更高的要 求；人防工程、防护工程等对超强冲击的防御能力 也是服役安全中应该考虑的问题. （5）地下空间开发向深部发展. 在资源开采领 域，浅部资源逐渐减少，资源开采正在向深部发 展. 例如，我国煤炭开采中最深的为山东新汶集团 的孙村煤矿（1501 m）. 另外，在城市地下空间方 面，也在提倡地下立体多层次综合开发利用. 面 向 2030 m 的深地计划也进一步强调了深层地下空 间开发的必要性. 深部开采工程环境中的“三高一 扰动”无疑对地下空间工程的服役安全提出了更 高的要求. 目前我国正处于大规模、高速度的地下空间 工程开发建设的高峰期，随着地下工程建设速度 的加快以及利用率的逐渐提高，如何提高地下空 间工程在其全生命周期内的安全性及可靠性，从 而保障在长寿命使用条件下的安全服役，对相关 领域的研究人员来说是极其严峻的挑战和重大课 题. 本文在分析地下空间工程面临的主要问题的 基础上，凝练出地下空间工程服役安全的 3 个关 键科学问题，总结和评述了笔者及其所在课题组 在此方面的相关研究工作和最新进展，并指出未 来的发展趋势和需要重点关注和加强的基础性研 究工作，供地下空间工程技术、研究及管理部门参考. 1    地下空间工程服役安全的关键科学问题 1.1    多场耦合作用下结构体材料损伤劣化规律 针对地下空间工程复杂的应力场、渗流场、温 度场、裂隙场、能量场和物质场环境，模拟地下空 间工程可能出现的极端复杂条件，研究复杂工况 单因素或多因素耦合作用下对地下岩土层、支护 层服役安全的影响规律. 地下空间工程结构体埋于地层中，在服役过 程中既承受外部荷载的作用，又受到外部物理化 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期