《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《基于遙感的高速鐵路長深隧道水文地質(zhì)評價技術(shù)》

完成單位：中國鐵路設(shè)計集團有限公司

主要完成人：劉桂衛(wèi)，陳則連，李國和，王飛，楊曦光，尚海敏，曹虎，王衍匯，高永海，劉廣英，成泉，辛民高，王金艷，林德福，李紅旭

項目簡介

　　(一)項目背景

　　目前，水文地質(zhì)勘察主要依靠人工調(diào)繪、地下水位監(jiān)測、原位試驗等手段。遙感技術(shù)僅在構(gòu)造識別、含水巖組劃分方面有少量研究，尚未應(yīng)用于水文地質(zhì)單位分區(qū)、涌水量預(yù)測等方面，國內(nèi)外未形成統(tǒng)一的隧道富水程度評價標(biāo)準(zhǔn)。

　　另一方面，傳統(tǒng)的鐵路水文地質(zhì)勘察評價，現(xiàn)場調(diào)查物化投入大。隧道富水性評價、涌水量預(yù)測等評價指標(biāo)過分依賴技術(shù)人員經(jīng)驗，造成鐵路施工及運營安全風(fēng)險高，增加鐵路施工和運維成本。

　　中國鐵路設(shè)計集團有限公司立足水文地質(zhì)勘察現(xiàn)狀和需求，針對高速鐵路長大深埋隧道水文地質(zhì)勘察評價困難等問題，建立一套基于遙感的長深隧道水文地質(zhì)評價技術(shù)體系，解決隧道水文地質(zhì)勘察中水文要素識別、水文地質(zhì)單元分區(qū)、隧道富水評價、涌水量預(yù)測等難題，降低因傳統(tǒng)勘察手段不足引起的隧道突涌水災(zāi)害風(fēng)險，提高調(diào)查效率，降低勘察成本，提升技術(shù)水平，保障鐵路建設(shè)安全。

　　(二)技術(shù)概況

　　本項目開發(fā)了井泉、地表含水量、地下水溢出帶等水文要素遙感判識技術(shù)，為水文地質(zhì)勘察提供經(jīng)濟高效的技術(shù)手段；構(gòu)建了基于遙感與GIS的隧道富水程度精細(xì)化評價系統(tǒng)，提高隧道富水評價精度；建立了遙感信息融合的隧道涌水量預(yù)測模型，提高隧道施工安全水平；研發(fā)了多源遙感三維判釋分析與信息管理系列軟件，為技術(shù)推廣提供支撐。

　　(三)適用范圍

　　適用于交通、電力、水利等線路工程的水文地質(zhì)勘察，特別是用于查明水系分布范圍及發(fā)育特征，圈定古河道及相對富水地段；識別大型泉點、地下水溢出帶、暗河出入口等信息；反演地表土壤水含量，劃分水文地質(zhì)單元，開展隧道富水性評價和涌水量預(yù)測等，

　　(四)獲獎情況

　　獲得2021年中國鐵路設(shè)計集團有限公司科技進步特等獎、優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范獎。

項目創(chuàng)新點

　　1.定量遙感反演

　　研發(fā)了基于非線性機器學(xué)習(xí)算法的定量遙感土壤含水量反演技術(shù)。提出了一種基于高斯誤差激活函數(shù)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了多源遙感數(shù)據(jù)的土壤含水量非線性估算模型，實現(xiàn)了大面積土壤含水量遙感反演。

　　2.隧道富水評價

　　提出了一種新的基于遙感與GIS的隧道富水程度評價技術(shù)，基于遙感分析發(fā)明了一種地表水體與隧道水力聯(lián)系的新方法，建立了斷層、褶皺、洼地、水頭等九種因子的量化標(biāo)準(zhǔn)，形成長大深埋隧道半定量富水程度評價技術(shù)系統(tǒng)。

　　3.隧道涌水預(yù)測

　　構(gòu)建了隧道涌水量預(yù)測模型，實現(xiàn)了三維遙感隧址區(qū)地下水滲流模型邊界提取，建立了裂隙水和巖溶水隧址區(qū)三維地下水滲流模型，基于遙感數(shù)據(jù)與數(shù)值模型分析突破性實現(xiàn)了隧道施工降水時不同地段涌水定量分析。

應(yīng)用案例

　　課題研究涵蓋了基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法、軟件系統(tǒng)等多方面內(nèi)容，經(jīng)過驗證與完善，滿足了產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用的條件。2018-2020年間，課題研究成果應(yīng)用于國內(nèi)外艱險復(fù)雜山區(qū)鐵路，在水文地質(zhì)要素識別、水文單元劃分、富水評價和隧道涌水量預(yù)測等方面進行了推廣應(yīng)用，簡介如下：

　　1.應(yīng)用遙感與GIS技術(shù)開展了川藏鐵路康定隧道富水程度分區(qū)，合理劃分了極強、強、中和弱富水區(qū)，降低隧道施工涌突水災(zāi)害風(fēng)險。

　　2.基于定量遙感技術(shù)，建立地下水滲流模型模擬了大張高鐵大梁山隧道地下水平均流速，明確了與瓦溝臺水庫的水力聯(lián)系，解決了隧道穿越水庫施工技術(shù)難題，節(jié)省工程投資約500萬。

　　3.利用多源遙感三維判釋分析與信息管理軟件系統(tǒng)，解譯巴拿馬鐵路沿線水文地質(zhì)信息，獲取巖溶發(fā)育區(qū)6處，斷頭河8條，巖溶洼地9個，海水入侵8處，推斷地下暗河5條，判釋準(zhǔn)確率達90%以上，解決基礎(chǔ)資料缺乏、植被覆蓋茂密、土地私有難題，為選線設(shè)計提供了重要信息。

　　4.多源遙感綜合判釋方法，成功應(yīng)用于濰新高鐵、廣清永鐵路、汕汕鐵路、雄忻高鐵、泰國高鐵等復(fù)雜山區(qū)鐵路的水文地質(zhì)調(diào)查中，有效降低了水文地質(zhì)勘察成本，大幅提高了工作效率。

社會效益與經(jīng)濟效益

　　（一）社會效益

　　1.形成較為成熟的定量遙感反演技術(shù)及應(yīng)用方法，為遙感技術(shù)在鐵路水文地質(zhì)勘察中應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)；

　　2.實現(xiàn)遙感與GIS劃分富水區(qū)，優(yōu)化水文地質(zhì)概念模型，提高隧道富水程度評價和涌水量預(yù)測精度；

　　3.大幅減少野外水文地質(zhì)調(diào)查工作量，提高水文地質(zhì)勘察效率。

　　（二）經(jīng)濟效益

　　研究成果在川藏鐵路、汕汕鐵路和廣清永鐵路等勘察設(shè)計項目中進行了生產(chǎn)應(yīng)用，近三年節(jié)省1120萬元，經(jīng)濟和社會效益顯著。