地面塌陷是我国分布最广、发生频率最高的地质灾害之一。我国30多个大中城市、100余个地级市和420个县市处于地面塌陷高风险区。地下矿山开采与地下空间开发等人类工程活动是城市地面塌陷最主要的诱因。复合地层是由两种及以上不同性质地层所组成的特殊地质结构，其中以土-岩复合地层最为常见，其组构复杂，土-岩物质界面与介质物理力学性质存在强烈不确定性。对于盾构掘进等常见城市地下空间开发场景，穿越复合地层时需要频繁地调整推进速度、压力平衡、刀盘转速等掘进参数，以精确地适应不断变化的地质条件，一旦出现失误难以避免将诱发地面塌陷。由于工程勘察钻孔数量有限，掘进前难以掌握复合地层场地全部物质界面信息，这为预测预警该类塌陷灾害带来了极大挑战。自然界物理过程大多处于稳恒态与临界态（或称灾变态）交替变化的过程中。稳恒态阶段系统参数缓慢变化易于观测；临界态阶段系统骤然突变难以观测。
灾变理论（Catastrophe Theory）是基于微分流形拓扑学所建立的研究动力系统变化的数学理论，该理论认为，奇点是非线性系统状态突变的临界点。我们认为，如果能预测并辨识出地质环境灾变奇点的时空坐标，就有望实现城市地质灾害的精准预警。基于此认识，南京大学地球科学与工程学院张巍副教授与朱鸿鹄教授共同合作，构建了一种用于复合地层盾构掘进场景下预测预警城市地面塌陷的新型智能计算框架，该框架采用群智优化扩展卡尔曼滤波对盾构掘进控制参数多元融合后，实时预测未来时刻地表位移量；随后采用梯度比准则辨识未来时刻地表位移是否已进入临界态阶段，如是，则该时刻为奇点时刻即触发预警。基于现场实时监测数据，采用上述框架成功实现了盾构穿越典型土-岩复合地层掘进诱发地面塌陷的灾前预测预警。该框架将有助于降低物质界面不确定性所导致的地质灾害风险，为我国韧性城市建设发展提供支撑。
图1 灾变微分流形
图2 奇点判别准则
图3 盾构掘进线路所在复合地层剖面图
图4 地面塌陷前后地表位移预测预警结果
上述成果近日以“Forecasting and early warning of shield tunnelling-induced ground collapse in rock-soil interface mixed ground using multivariate data fusion and Catastrophe Theory”为题，发表于工程地质领域顶级期刊《Engineering Geology》, 我院博士研究生邓龙传为论文第一作者，张巍副教授为通讯作者，朱鸿鹄教授为共同通讯作者，合作者包括江苏省地质局第一地质大队施烨辉总工。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金面上项目与江苏省重点研发计划项目的资助。
论文信息：Deng L., Zhang W*., Deng L, Shi Y., Zi J., He X., Zhu H.*, 2024. Engineering Geology, 107548.