《交通運輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２1）第二部分—隧道工程篇《特困地質(zhì)隧道災(zāi)變監(jiān)測預(yù)警與控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》

獲獎項目名稱：特困地質(zhì)隧道災(zāi)變監(jiān)測預(yù)警與控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

完成單位：武廣鐵路客運專線有限責(zé)任公司、中鐵十一局集團(tuán)有限公司、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司、中鐵十八局集團(tuán)有限公司、西南交通大學(xué)、杭州圖強工程材料有限責(zé)任公司、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司

主要完成人：高軍；張旭東；林曉；譚發(fā)剛；許丹；吳德興；周俊磊；熊曉暉；楊立云；徐騰輝；黃正凱；黎建華；王永太；項小珍；張曉曉；羅紅明；王正一；游國平；李行利；楊超；劉凱文；蔡榮喜；王東旭；楊文龍；王偉

項目簡介

　　特困復(fù)雜地質(zhì)建造高鐵隧道是世界級難題。我國困難復(fù)雜災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)地質(zhì)面積50×104平方公里，占國土面積1/3。全世界特困地質(zhì)高鐵通車?yán)锍碳s6500km，中國約占5200km，占全球的83%多。特困地質(zhì)高鐵隧道建設(shè)面臨涌水突泥、巷洞失穩(wěn)、凹陷崩坍、片幫冒頂、有害氣體五大災(zāi)害性地質(zhì)問題?，F(xiàn)有特困地質(zhì)探測分析理論、傳統(tǒng)隧道災(zāi)害控制施工技術(shù)難以滿足高速鐵路建造要求。特困地質(zhì)高壓富水、高地應(yīng)力、巖爆突出、破碎軟弱、瓦斯突出地質(zhì)災(zāi)害已成為隧道工程施工建設(shè)和運營中常見、威脅重大的地質(zhì)災(zāi)害和工程隱患。目前特困地質(zhì)隧道圍巖災(zāi)變監(jiān)測預(yù)警與控制理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實踐，特困地質(zhì)隧道安全風(fēng)險識別和控制缺乏科學(xué)的技術(shù)指導(dǎo)，使得特困地質(zhì)隧災(zāi)害治理和安全快速施工存在較大的盲目性，制約了安全高效建造技術(shù)工程實踐中的應(yīng)用，限制了高鐵隧道工程的更大發(fā)展。

　　高速鐵路建設(shè)持續(xù)安全高效建設(shè)和發(fā)展對保障國防安全、確保國家交通運輸有序高效、保證經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義。2006年起，武廣高鐵公司、中鐵十一局有限公司等單位依托蘭渝、京石武、武廣、合安九、鄭萬、懷邵衡、渝黔、貴南、漢十等十余條高鐵隧道建設(shè)，開展高鐵隧道建造的地質(zhì)理論、減災(zāi)防災(zāi)、裝備材料、建造預(yù)警、精準(zhǔn)探測、智能全工序6個方面的系統(tǒng)研究和工程實踐，研究突破了隧道風(fēng)險判別及圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)瓶頸，開發(fā)了特困地質(zhì)隧道災(zāi)變監(jiān)測預(yù)警與控制關(guān)鍵技術(shù)，確保了全國1800Km，投資3000億特困復(fù)雜地質(zhì)高鐵建設(shè)和運營安全，有效提升了減災(zāi)防災(zāi)能力，促進(jìn)了高鐵隧道科技進(jìn)步。

項目創(chuàng)新點

　　項目組自2006年以來，在國家十一五科研計劃、自然科學(xué)基金及十余項重大工程等項目資助下，通過室內(nèi)試驗、理論研究、數(shù)值仿真、現(xiàn)場監(jiān)測與反饋分析等方法，自主研發(fā)了特困地質(zhì)災(zāi)害隧道快速建模、水量三維探測技術(shù)、隧道圍巖變形預(yù)警監(jiān)測技術(shù)、特困地質(zhì)隧道安全預(yù)警方法及裝置、高鐵隧道穿越高壓富水?dāng)嗔褞Э焖俣滤约疤亻L隧道機械化配套快速建造技術(shù)，發(fā)展了復(fù)合注漿技術(shù)并建立了全作業(yè)線機械化綜合評價方法；形成了特困地質(zhì)隧道災(zāi)變監(jiān)測預(yù)警與控制關(guān)鍵技術(shù)體系。主要創(chuàng)新成果如下：

　　1.率先發(fā)明了特困復(fù)雜地質(zhì)基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成和參數(shù)化建模的快速創(chuàng)建三維地質(zhì)模型技術(shù)。實現(xiàn)多維地質(zhì)數(shù)據(jù)集成創(chuàng)建地質(zhì)模型，攻克快速高精度三維建模難題，為復(fù)雜困難地質(zhì)快速預(yù)警奠定基礎(chǔ)，實現(xiàn)幾何精度為1mm，位置精度為10mm。

　　2.首次提出了基于地震波阻抗、巖體溫度、機械感知為變量的聯(lián)合反演方法，形成了實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的隧道風(fēng)險預(yù)警體系。實現(xiàn)500米距離變形監(jiān)測精度達(dá)到1毫米，一次監(jiān)測時間＜1分鐘，實現(xiàn)了連續(xù)掘進(jìn)狀態(tài)下實時災(zāi)害預(yù)警。

　　3.創(chuàng)新建立了特困復(fù)雜地質(zhì)隧道富水構(gòu)造感知表征三維實體靜動力模型，分析了隧道含水構(gòu)造流速、流量、水壓的動態(tài)響應(yīng)，率先形成了高精度測算方法。實現(xiàn)了深部復(fù)合含水體結(jié)構(gòu)精細(xì)感知，分辨率達(dá)分米級、誤差<5%。填補了特困復(fù)雜地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)隧道水量測算的理論技術(shù)空白。

　　4.首創(chuàng)了特困地質(zhì)隧道災(zāi)變控制成套技術(shù)體系，世界上首次實現(xiàn)特困地質(zhì)高鐵超大斷面隧道全斷面全機械化一次性開挖，掘進(jìn)率由26%提高至48%以上、速度從50-80米/月提高到130米/月，攻克了V級圍巖隧道只能分次開挖的世界級難題。

應(yīng)用案例

　　本成果實施以來，形成了基于災(zāi)害多發(fā)多變地質(zhì)的快速識別、高效探測、安全減災(zāi)、智能預(yù)警和全配套機械化全作業(yè)線隧道建造成套技術(shù)和裝備，形成現(xiàn)階段國內(nèi)最齊全的智能機械化全作業(yè)線施工技術(shù)，建成示范工程向家灣、都安隧道兩座，成為目前國內(nèi)唯一具備特困地質(zhì)災(zāi)害控制施工技術(shù)的九條作業(yè)線全智能機械化施工的隧道全工序生產(chǎn)流程，成功應(yīng)用于國內(nèi)外12個項目近300條隧道，遍布全國湖北、四川、重慶、湖南、廣東、云南、貴州等省區(qū)鄭萬、川藏、貴南、京石武、武廣、武九、合安九、蘭渝，并推廣到印尼鄭萬、懷韶衡等十余條復(fù)雜多變高危地質(zhì)高鐵隧道，成功推廣到玻利維亞、印尼、老撾等國家的鐵路隧道設(shè)計和建設(shè)。

　　2016.01-2018.12在武九鐵路公司應(yīng)用水-巖-機一體化實時同步監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系，形成涌水突泥、溶洞失穩(wěn)、凹陷崩坍防治“分類、評價、監(jiān)測、檢探、灌注、評估”六維防治技術(shù)體系，在武廣、武九、安九、鄭萬高鐵使用，預(yù)警精度大幅度提高，隧道檢測效率提升23%，加固效能提升18%，爆破工效提高31%。2016.01-2018.12在中鐵第四勘察設(shè)計院應(yīng)用高危復(fù)雜不良富水地質(zhì)探測感知方法，使得探水計算精準(zhǔn)率提高16%。2016.01-2018.12安徽中鐵工程技術(shù)公司應(yīng)用高危復(fù)雜不良富水地質(zhì)探測感知方法和技術(shù)，使得探測準(zhǔn)確率提高23%以上、封堵隔水率提高20%以上。2016.01-2018.12中鐵隧道局應(yīng)用消除多解誤差綜合地質(zhì)預(yù)警技術(shù)，提高了地質(zhì)預(yù)報精度24%。2016.01-2018.12中鐵五局應(yīng)用隧道綜合預(yù)警技術(shù)，提高了地質(zhì)預(yù)報精度和效率，有效降低了圍巖沉降和變形，應(yīng)用預(yù)警技術(shù)，有效的控制了隧道沉降和變形，節(jié)約了施工成本26%。2016.01-2018.12廊坊物探公司應(yīng)用隧道高危復(fù)雜不良富水地質(zhì)探測感知技術(shù)，提高了超前地質(zhì)預(yù)報精度16%，節(jié)約了檢測人員和設(shè)備投入成本21%。2016.01-2018.12中鐵十九局應(yīng)用智能全作業(yè)線機械化全配套技術(shù)、預(yù)警技術(shù)與裝備使得安全預(yù)警率提高36%。2016.01-2018.12中鐵十一局應(yīng)用適DCP、YE錨桿、高恒阻讓壓錨索技術(shù)，使得施工效率提高32%，應(yīng)用破碎軟弱地層穩(wěn)定性全過程聯(lián)合調(diào)控成套關(guān)鍵技術(shù)，使得施工效率提高21%。2016.01-2018.12武廣鐵路應(yīng)用全作業(yè)線隧道建造成套技術(shù)和裝備，建設(shè)施工效率提高32%。2016.01-2018.12中鐵三局應(yīng)用復(fù)雜不良富水地質(zhì)探測感知技術(shù)，節(jié)約成本23%以上。2016.01-2018.12中鐵十六局應(yīng)用智能全作業(yè)線機械化全配套技術(shù)、施工效率提高35%以上。

社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　項目技術(shù)參與的科研成果獲中國鐵建股份科技進(jìn)步特等獎1項，中鐵十八局科技進(jìn)步特等獎2項。獲授權(quán)發(fā)明專利64件、授權(quán)國際發(fā)明專利4件、授權(quán)實用新型專利71件，發(fā)表論文160余篇（SCI/EI72篇），出版專著18部，軟件著作權(quán)62項，入編國家標(biāo)準(zhǔn)3部、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5部，國家級工法2項、省部級工法25項，示范工程獲國家金獎。技術(shù)攻克了大斷面隧道災(zāi)害多發(fā)地質(zhì)安全快速施工的技術(shù)難題，成功將復(fù)雜災(zāi)害多發(fā)隧道修建速度提高了1-3倍，隧道建設(shè)工期由原來4-6年縮短到2-3年，成功應(yīng)用于贛深銀屏山隧道，蘭渝木寨嶺隧道，川藏色拉隧道，鄭萬蘇家?guī)r、楚峰隧道，并推廣到中老第一長隧安定隧道設(shè)計與施工，項目技術(shù)創(chuàng)造產(chǎn)值441.8億元，實現(xiàn)利潤42.1億元，為我國鐵路隧道工程建設(shè)提供了范例。