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。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。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。

       一、地下空间工程安全服役面临的问题

　　(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。北京科技大学杨仁树教授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。

　　 二、地下空间工程服役安全的关键科学问题

　　（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，又受到外部物理化学环境的影响。在力学、物理和化学多重作用下，导致结构体过早破坏失效。由于外部荷载的作用，结构体材料— —岩石、混凝土内部首先出现微裂隙，在物理化学作用下，微裂隙进一步扩展，形成宏观的裂纹，导致结构物的耐久性及其强度降低。在作用效应中，力学、物理及化学三因素的作用之间互为前提，又相互促进。多因素耦合作用下，结构体的损伤破裂机理要比单因素单独作用复杂的多。结构体的损伤劣化程度并不是单因素作用结果的简单叠加，例如有研究结果表明，环境化学因素的作用虽然存在加速混凝土结构劣化的负面效应，但在历程中某一阶段内，同样存在延缓混凝土材料与结构损伤进程的正面效应[4]。因此研究微裂隙在多场耦合作用下的起裂、扩展及其止裂规律，既能预测判断结构体的服役寿命，又可以采用某些可行技术措施对其损伤劣化过程进行控制。

　　（2）循环动载作用下结构体的动态疲劳损伤特性

　　目前国内一些重大的岩石地下工程建设和资源开采领域，爆破作为一种破岩手段被广泛采用，但在爆破过程中，炸药爆炸后会产生冲击波和高温高压的爆生气体，由爆源向岩石中传播，应力波在岩体中的传播、反射引起岩体内部裂纹发育、扩展甚至贯通是导致岩体发生损伤的主要原因，在应力波的传播距离逐渐增大后，将衰减成为地震波。根据传播途径的差异，地震波分为体积波和表面波。当爆破所产生的地震波在岩土体介质中进行传播时，会使爆源附近围岩产生颠簸、摇晃，该现象称为爆破地震效应。由爆破所引发的地震效应具有很强的危害性，在单次地震波能量较小的情况下或许不会对结构或者岩体造成破坏，而在多次地震波反复作用下，结构或者岩体将出现疲劳效应，承载力下降，从而出现裂纹。

　　工程实践的结果表明，动载是影响岩体疲劳累积损伤和性能劣化的重要因素，动态效应存在多种负面影响，如动态效应可以直接破坏岩体的完整性，导致失稳过程的发生，同时在反复动载作用下岩土会发生疲劳破坏，从而加速了岩体的破坏过程。从天生桥、太平释及二滩等大型水电站引水隧洞的开挖过程中，研究人员通过分析发现无论在时间上还是空间上，岩爆与爆破之间都存在着极为密切的关系。因此由循环动载作用所引起的岩体疲劳损伤破坏，是目前亟待解决的问题。目前国内外关于岩体动态疲劳损伤破坏的研究并不突出，因此被认为是涉及复杂动力过程且少有参考资料的国际性前沿课题。

　　（3）支护与围岩的相互作用

　　地下空间工程就是在地面以下的地层中挖掘出一个空间，达到不同使用功能的目的。这样必然导致原本处于平衡状态的地层因为扰动而发生应力的重新调整和变形，以寻求新的平衡态。由于地质条件的差异，有的围岩可以通过自身的应力调整达到新的平衡;有的围岩则难以自身达到平衡，随着变形的不断发展，出现了破坏和失稳现象，这样就需要适当的人工的支护干预，使其能够尽快达到新的平衡。

　　支护与围岩的相互作用关系较为复杂。首先，支护与围岩的相互作用具有时间效应，地下空间开挖后的应力平衡不是瞬间实现的，而且支护构件的施工和架设也需要一定的时间。再有，支护和围岩两者相辅相成、密不可分，支护在一定程度上可以承担围压卸荷带来的压力，调动围岩自身承载能力，控制围岩变形;围岩自身的荷载和因变形约束产生的反力又作用在支护上，这对支护体的刚度和强度都提出了较高的要求。围岩和支护的变形破坏往往都具有非线性的特征，两者中的任何一方失效都可能导致整个结构体失效。所以要综合考虑支护和围岩的相互作用关系。

　　三、未来的研究方向

　　开展以工学学科为基本，多学科“渗透”为特色的地下空间服役安全研究，展现中国地下空间学术研究的大格局。

　　(1)研发应用于地下空间工程的新型绿色建筑材料。

　　开展以石墨烯混凝土复合材料为代表的高强增韧低渗水率材料的研发，并将其应用于地下空间工程服役结构。研发新型智能材料，使其具有采暖、防静电、电磁屏蔽、应变传感器和接地/雷电保护功能。

　　(2)新的支护设计理论。

　　锚杆锚索在腐蚀环境中的阳极溶解造成裂纹萌生与扩展;而氢原子在裂纹处富集将加速裂纹扩展。阳极溶解和氢脆是支护材料产生应力腐蚀断裂的关键因素，提出以“抑制微区电化学过程” 和“限制氢扩散”为核心的抗scc(应力腐蚀开裂)钢二元设计理论，为开发新型耐蚀高强支护材料奠定了基础。

　　依托国际一流的腐蚀与防护研究基地— —国家材料环境腐蚀平台，结合锚杆锚索真实受力特征，阐明锚杆锚索在高侵蚀环境服役过程中力学性能衰减规律，从材料、环境、应力三个维度，揭示锚杆锚索应力腐蚀断裂机理。

　　(3)基于人工智能的地下空间服役安全研究。

　　从未来地下空间的发展角度看，基于“智慧城市”的地下空间发展是必然趋势，其学术研究的发展潜力巨大，BIM(建筑信息模型)、网络化信息技术、人工智能技术和大数据处理分析技术等与地下空间工程服役安全的深度融合等研究方向或将成为未来10年地下空间学术研究的焦点。

　　建立基于多场联测、智慧物联的透明地下空间监测预警与安全评估中心，应急救援决策中心，以及重特大事故调查与仿真推演实验中心。通过人工智能算法能预测地下空间工程服役安全风险，最终能形成应急救援技术辅助决策能力、重大事故调查专家支持能力等。

　　(4)构建全生命周期的地下空间服役风险分析与防控体系。

　　对地下空间工程服役周期中的设计、建造、运维等各个重要环节进行主要风险因素辨识及相应事故分析，判断主要因素的相互关系。综合考虑多因素、多方法，建立起安全评价指标体系，并且要通过客观案例进行可行性验证。在此基础上针对地下空间的开发利用，构建“三全”(全周期、全体系、全系统)技术体系，从而为保障城市地下空间工程服役安全提供科学的思路及可行的方法。

来源：《地下空间工程服役安全的认识与思考》