《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）第二部分—隧道工程篇《特困地质隧道灾变监测预警与控制关键技术及应用》

获奖项目名称：特困地质隧道灾变监测预警与控制关键技术及应用

完成单位：武广铁路客运专线有限责任公司、中铁十一局集团有限公司、中国矿业大学（北京）、中铁十一局集团第四工程有限公司、中铁十八局集团有限公司、西南交通大学、杭州图强工程材料有限责任公司、中国科学院武汉岩土力学研究所、中铁第四勘察设计院集团有限公司

主要完成人：高军；张旭东；林晓；谭发刚；许丹；吴德兴；周俊磊；熊晓晖；杨立云；徐腾辉；黄正凯；黎建华；王永太；项小珍；张晓晓；罗红明；王正一；游国平；李行利；杨超；刘凯文；蔡荣喜；王东旭；杨文龙；王伟

项目简介

　　特困复杂地质建造高铁隧道是世界级难题。我国困难复杂灾害多发、频发地质面积50×104平方公里，占国土面积1/3。全世界特困地质高铁通车里程约6500km，中国约占5200km，占全球的83%多。特困地质高铁隧道建设面临涌水突泥、巷洞失稳、凹陷崩坍、片帮冒顶、有害气体五大灾害性地质问题。现有特困地质探测分析理论、传统隧道灾害控制施工技术难以满足高速铁路建造要求。特困地质高压富水、高地应力、岩爆突出、破碎软弱、瓦斯突出地质灾害已成为隧道工程施工建设和运营中常见、威胁重大的地质灾害和工程隐患。目前特困地质隧道围岩灾变监测预警与控制理论远远落后于工程实践，特困地质隧道安全风险识别和控制缺乏科学的技术指导，使得特困地质隧灾害治理和安全快速施工存在较大的盲目性，制约了安全高效建造技术工程实践中的应用，限制了高铁隧道工程的更大发展。

　　高速铁路建设持续安全高效建设和发展对保障国防安全、确保国家交通运输有序高效、保证经济社会发展具有重要意义。2006年起，武广高铁公司、中铁十一局有限公司等单位依托兰渝、京石武、武广、合安九、郑万、怀邵衡、渝黔、贵南、汉十等十余条高铁隧道建设，开展高铁隧道建造的地质理论、减灾防灾、装备材料、建造预警、精准探测、智能全工序6个方面的系统研究和工程实践，研究突破了隧道风险判别及围岩稳定控制技术瓶颈，开发了特困地质隧道灾变监测预警与控制关键技术，确保了全国1800Km，投资3000亿特困复杂地质高铁建设和运营安全，有效提升了减灾防灾能力，促进了高铁隧道科技进步。

项目创新点

　　项目组自2006年以来，在国家十一五科研计划、自然科学基金及十余项重大工程等项目资助下，通过室内试验、理论研究、数值仿真、现场监测与反馈分析等方法，自主研发了特困地质灾害隧道快速建模、水量三维探测技术、隧道围岩变形预警监测技术、特困地质隧道安全预警方法及装置、高铁隧道穿越高压富水断裂带快速堵水以及特长隧道机械化配套快速建造技术，发展了复合注浆技术并建立了全作业线机械化综合评价方法；形成了特困地质隧道灾变监测预警与控制关键技术体系。主要创新成果如下：

　　1.率先发明了特困复杂地质基于多源异构数据集成和参数化建模的快速创建三维地质模型技术。实现多维地质数据集成创建地质模型，攻克快速高精度三维建模难题，为复杂困难地质快速预警奠定基础，实现几何精度为1mm，位置精度为10mm。

　　2.首次提出了基于地震波阻抗、岩体温度、机械感知为变量的联合反演方法，形成了实时数据驱动的隧道风险预警体系。实现500米距离变形监测精度达到1毫米，一次监测时间＜1分钟，实现了连续掘进状态下实时灾害预警。

　　3.创新建立了特困复杂地质隧道富水构造感知表征三维实体静动力模型，分析了隧道含水构造流速、流量、水压的动态响应，率先形成了高精度测算方法。实现了深部复合含水体结构精细感知，分辨率达分米级、误差<5%。填补了特困复杂地质灾害多发隧道水量测算的理论技术空白。

　　4.首创了特困地质隧道灾变控制成套技术体系，世界上首次实现特困地质高铁超大断面隧道全断面全机械化一次性开挖，掘进率由26%提高至48%以上、速度从50-80米/月提高到130米/月，攻克了V级围岩隧道只能分次开挖的世界级难题。

应用案例

　　本成果实施以来，形成了基于灾害多发多变地质的快速识别、高效探测、安全减灾、智能预警和全配套机械化全作业线隧道建造成套技术和装备，形成现阶段国内最齐全的智能机械化全作业线施工技术，建成示范工程向家湾、都安隧道两座，成为目前国内唯一具备特困地质灾害控制施工技术的九条作业线全智能机械化施工的隧道全工序生产流程，成功应用于国内外12个项目近300条隧道，遍布全国湖北、四川、重庆、湖南、广东、云南、贵州等省区郑万、川藏、贵南、京石武、武广、武九、合安九、兰渝，并推广到印尼郑万、怀韶衡等十余条复杂多变高危地质高铁隧道，成功推广到玻利维亚、印尼、老挝等国家的铁路隧道设计和建设。

　　2016.01-2018.12在武九铁路公司应用水-岩-机一体化实时同步监测预警技术体系，形成涌水突泥、溶洞失稳、凹陷崩坍防治“分类、评价、监测、检探、灌注、评估”六维防治技术体系，在武广、武九、安九、郑万高铁使用，预警精度大幅度提高，隧道检测效率提升23%，加固效能提升18%，爆破工效提高31%。2016.01-2018.12在中铁第四勘察设计院应用高危复杂不良富水地质探测感知方法，使得探水计算精准率提高16%。2016.01-2018.12安徽中铁工程技术公司应用高危复杂不良富水地质探测感知方法和技术，使得探测准确率提高23%以上、封堵隔水率提高20%以上。2016.01-2018.12中铁隧道局应用消除多解误差综合地质预警技术，提高了地质预报精度24%。2016.01-2018.12中铁五局应用隧道综合预警技术，提高了地质预报精度和效率，有效降低了围岩沉降和变形，应用预警技术，有效的控制了隧道沉降和变形，节约了施工成本26%。2016.01-2018.12廊坊物探公司应用隧道高危复杂不良富水地质探测感知技术，提高了超前地质预报精度16%，节约了检测人员和设备投入成本21%。2016.01-2018.12中铁十九局应用智能全作业线机械化全配套技术、预警技术与装备使得安全预警率提高36%。2016.01-2018.12中铁十一局应用适DCP、YE锚杆、高恒阻让压锚索技术，使得施工效率提高32%，应用破碎软弱地层稳定性全过程联合调控成套关键技术，使得施工效率提高21%。2016.01-2018.12武广铁路应用全作业线隧道建造成套技术和装备，建设施工效率提高32%。2016.01-2018.12中铁三局应用复杂不良富水地质探测感知技术，节约成本23%以上。2016.01-2018.12中铁十六局应用智能全作业线机械化全配套技术、施工效率提高35%以上。

社会效益与经济效益

　　项目技术参与的科研成果获中国铁建股份科技进步特等奖1项，中铁十八局科技进步特等奖2项。获授权发明专利64件、授权国际发明专利4件、授权实用新型专利71件，发表论文160余篇（SCI/EI72篇），出版专著18部，软件著作权62项，入编国家标准3部、行业标准5部，国家级工法2项、省部级工法25项，示范工程获国家金奖。技术攻克了大断面隧道灾害多发地质安全快速施工的技术难题，成功将复杂灾害多发隧道修建速度提高了1-3倍，隧道建设工期由原来4-6年缩短到2-3年，成功应用于赣深银屏山隧道，兰渝木寨岭隧道，川藏色拉隧道，郑万苏家岩、楚峰隧道，并推广到中老第一长隧安定隧道设计与施工，项目技术创造产值441.8亿元，实现利润42.1亿元，为我国铁路隧道工程建设提供了范例。