《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《基于遥感的高速铁路长深隧道水文地质评价技术》

完成单位：中国铁路设计集团有限公司

主要完成人：刘桂卫，陈则连，李国和，王飞，杨曦光，尚海敏，曹虎，王衍汇，高永海，刘广英，成泉，辛民高，王金艳，林德福，李红旭

项目简介

　　(一)项目背景

　　目前，水文地质勘察主要依靠人工调绘、地下水位监测、原位试验等手段。遥感技术仅在构造识别、含水岩组划分方面有少量研究，尚未应用于水文地质单位分区、涌水量预测等方面，国内外未形成统一的隧道富水程度评价标准。

　　另一方面，传统的铁路水文地质勘察评价，现场调查物化投入大。隧道富水性评价、涌水量预测等评价指标过分依赖技术人员经验，造成铁路施工及运营安全风险高，增加铁路施工和运维成本。

　　中国铁路设计集团有限公司立足水文地质勘察现状和需求，针对高速铁路长大深埋隧道水文地质勘察评价困难等问题，建立一套基于遥感的长深隧道水文地质评价技术体系，解决隧道水文地质勘察中水文要素识别、水文地质单元分区、隧道富水评价、涌水量预测等难题，降低因传统勘察手段不足引起的隧道突涌水灾害风险，提高调查效率，降低勘察成本，提升技术水平，保障铁路建设安全。

　　(二)技术概况

　　本项目开发了井泉、地表含水量、地下水溢出带等水文要素遥感判识技术，为水文地质勘察提供经济高效的技术手段；构建了基于遥感与GIS的隧道富水程度精细化评价系统，提高隧道富水评价精度；建立了遥感信息融合的隧道涌水量预测模型，提高隧道施工安全水平；研发了多源遥感三维判释分析与信息管理系列软件，为技术推广提供支撑。

　　(三)适用范围

　　适用于交通、电力、水利等线路工程的水文地质勘察，特别是用于查明水系分布范围及发育特征，圈定古河道及相对富水地段；识别大型泉点、地下水溢出带、暗河出入口等信息；反演地表土壤水含量，划分水文地质单元，开展隧道富水性评价和涌水量预测等，

　　(四)获奖情况

　　获得2021年中国铁路设计集团有限公司科技进步特等奖、优秀标准规范奖。

项目创新点

　　1.定量遥感反演

　　研发了基于非线性机器学习算法的定量遥感土壤含水量反演技术。提出了一种基于高斯误差激活函数的前馈神经网络，构建了多源遥感数据的土壤含水量非线性估算模型，实现了大面积土壤含水量遥感反演。

　　2.隧道富水评价

　　提出了一种新的基于遥感与GIS的隧道富水程度评价技术，基于遥感分析发明了一种地表水体与隧道水力联系的新方法，建立了断层、褶皱、洼地、水头等九种因子的量化标准，形成长大深埋隧道半定量富水程度评价技术系统。

　　3.隧道涌水预测

　　构建了隧道涌水量预测模型，实现了三维遥感隧址区地下水渗流模型边界提取，建立了裂隙水和岩溶水隧址区三维地下水渗流模型，基于遥感数据与数值模型分析突破性实现了隧道施工降水时不同地段涌水定量分析。

应用案例

　　课题研究涵盖了基础理论、技术方法、软件系统等多方面内容，经过验证与完善，满足了产业化推广应用的条件。2018-2020年间，课题研究成果应用于国内外艰险复杂山区铁路，在水文地质要素识别、水文单元划分、富水评价和隧道涌水量预测等方面进行了推广应用，简介如下：

　　1.应用遥感与GIS技术开展了川藏铁路康定隧道富水程度分区，合理划分了极强、强、中和弱富水区，降低隧道施工涌突水灾害风险。

　　2.基于定量遥感技术，建立地下水渗流模型模拟了大张高铁大梁山隧道地下水平均流速，明确了与瓦沟台水库的水力联系，解决了隧道穿越水库施工技术难题，节省工程投资约500万。

　　3.利用多源遥感三维判释分析与信息管理软件系统，解译巴拿马铁路沿线水文地质信息，获取岩溶发育区6处，断头河8条，岩溶洼地9个，海水入侵8处，推断地下暗河5条，判释准确率达90%以上，解决基础资料缺乏、植被覆盖茂密、土地私有难题，为选线设计提供了重要信息。

　　4.多源遥感综合判释方法，成功应用于潍新高铁、广清永铁路、汕汕铁路、雄忻高铁、泰国高铁等复杂山区铁路的水文地质调查中，有效降低了水文地质勘察成本，大幅提高了工作效率。

社会效益与经济效益

　　（一）社会效益

　　1.形成较为成熟的定量遥感反演技术及应用方法，为遥感技术在铁路水文地质勘察中应用推广奠定基础；

　　2.实现遥感与GIS划分富水区，优化水文地质概念模型，提高隧道富水程度评价和涌水量预测精度；

　　3.大幅减少野外水文地质调查工作量，提高水文地质勘察效率。

　　（二）经济效益

　　研究成果在川藏铁路、汕汕铁路和广清永铁路等勘察设计项目中进行了生产应用，近三年节省1120万元，经济和社会效益显著。