隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计技术在峨汉高速公路大峡谷隧道圆满示范成功

2020年12月6日，四川乐汉高速公司有限责任公司联合同济大学、四川省公路规划勘察设计研究院有限公司、四川路桥集团等单位在峨汉高速公路2-6分部大峡谷隧道现场，进行了隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计示范，并通过洞内无线网络向隧道洞口工程监控室和上海同济大学工程数字化实验室进行了全程远程直播。本次技术示范，依托四川省-同济大学战略合作协议（图1），经四川省铁路产业投资集团有限责任公司审批立项，由四川乐汉高速有限责任公司委托同济大学等科研院校开展《极复杂环境山区隧道群智慧化建设安全保障成套技术研究》科研课题，并在峨汉高速公路大峡谷隧道开展相关试验研究工作。

图1.四川省-同济大学战略合作续签仪式（2020）

本课题以峨汉高速公路为背景，针对工程隧道占比大、地质地形条件极端复杂、工期紧张与施工难度极高等主要特点，提出并实现了一系列基于自动化、智能化方法的隧道施工和运营新技术，在工程试验应用中取得了非常好的效果，有效减少了隧道施工中围岩掉块、塌方等灾害，降低了施工成本，提高了施工效率。

本次技术示范是围绕课题核心技术内容“基于手机虚拟多目算法的岩体隧道开挖面三维自动重构及地质信息自动提取”与“基于移动互联网与云计算的隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计”进行的。由于钻爆法隧道施工过程中，从爆破出渣后开挖面暴露，到开始施作支护，只有1小时左右时间。要在每个施工循环做到真正的动态支护设计，就需要在这1个小时内完成掌子面地质信息采集、提取、分析与设计。这对于现有勘察设计规范中的基于人工采集、判别和设计的技术体系，是几乎不可能完成的。

针对这一世界范围内未能解决的工程技术难题，四川乐汉高速公司有限责任公司牵头同济大学、四川省公路规划勘察设计研究院有限公司和四川路桥集团等单位联合攻关，提出了一套以手机作为数据采集、传输和反馈枢纽，以云计算平台为数据处理中心，融合岩体力学与三维几何地质信息自动识别算法，自动计算围岩分级指标并智能匹配支护设计图的隧道智能化设计体系。主要环节如下：

（1）在隧道施工爆破出渣环节完成后，采用手机对掌子面不同位置多次拍照，获取8-12张掌子面表面二维照片；通过施密特锤岩体回弹试验，获取20次岩体动力回弹刚度平均值；通过自主研发的手机微信小程序平台，利用隧道内高速无线网络，将手机采集的掌子面照片、动力回弹刚度与桩号等信息自动上传到云端。（图2，2-5分钟完成）

图2. 基于手机虚拟多目拍照和现场动力回弹的开挖面地质信息快速采集

（2）在云服务器，通过虚拟多目算法云计算将多张二维照片，自动重构为三维岩体表面点云模型；通过课题组提出的基于邻域点分配的适应性法向量算法和基于改进密度峰值的快速最优化聚类算法，自动识别空间产状并进行节理面最优化智能分组；通过课题组提出的基于特征点收缩技术的三维迹线提取算法和基于k-means++轮廓技术的三维粗糙度提取算法，自动提取掌子面迹线与节理露头粗糙度。（图3，1-3分钟完成）

图3. 自动重构的掌子面三维点云模型与智能提取的节理产状信息

（3）在云端，将自动提取的掌子面几何力学信息，以及地应力、地下水等信息，导入围岩自动分级模块，自动计算出国家隧道规范中的修正BQ值，也可以计算出国际广泛应用的Q、RMR、GSI等分级指标，并同步到手机微信小程序；根据分级指标值自动匹配对应的支护设计图纸，并同地质数据、分级指标一起，供现场施工人员在手机微信小程序查看，并照此施作支护。（图4，1-2分钟完成）

图4. 围岩分级自动判别结果与支护设计图匹配

在示范中，隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计全过程在10分钟内完成，圆满成功。中国工程院院士崔俊芝院士、梁文灏院士、陈湘生院士、国际隧道与地下空间协会严金秀主席、同济大学副校长吕培明教授、教育部土木信息技术工程研究中心主任朱合华教授、同济大学土木工程学院院长赵宪忠教授等参加了远程示范会，并给出了高度评价。

图5. 大峡谷隧道实验现场与上海同济大学远程分会场

除了解决快速动态支护设计技术问题，课题组还通过手机采集的三维地质信息，结合自主研发的隧道围岩三维非连续稳定性分析软件，在大峡谷隧道试验段成功预测了多次塌方与掉块（图6），为施工安全提供了有力支撑。

图6.大峡谷隧道2-6标段主线右洞基于三维非连续分析的围岩塌方精细化预测

通过本次示范验证了技术的可行性和先进性，证明了智能设计技术可以有效解决岩体隧道工程实践中支护设计与施工脱节严重、时效性不够、精细化程度不足的问题。接下来，研究团队将加强数据结构、数据组织的标准化建设及数据采集的装备化研发。系统化总结相关成果，力争落实到行业标准和设计规范，更好地推动隧道智能建造技术的全面推广和应用。

                     （文/图：冷浩）