铁路隧道主动支护体系智能设计关键技术及应用

中国铁路经济规划研究院有限公司

支护体系的构建是隧道建造过程中最核心的要素，夯实隧道支护基础理论、建立高效支护体系、突破信息化技术瓶颈、形成精准设计方法，是推动铁路隧道高质量发展的必然要求。

长期以来，我国铁路隧道支护基础理论方法没有突破，缺乏成熟的、量化的支护设计方法，支护设计采用包络式标准设计和工程类比，传统矿山法“木支撑”支护理念深入人心，施工现场偏好钢架等被动支护手段，未充分发挥围岩自承载作用，施工中无法及时获取现场的地质、施工、变形等全要素信息，难以及时、准确开展动态设计，隧道支护体系存在支护效能低、信息获取难、动态调整差等问题，导致隧道工程本质安全水平不高，事故时有发生，严重制约我国铁路钻爆法隧道支护体系技术的进步，不能满足现代化铁路隧道高质量发展的需要。

项目历经十余年“产-学-研-用”联合攻关与工程实践，建立了铁路隧道主动支护体系智能设计关键技术，革新隧道支护体系设计理念和方法，构建了以“主动控制、动态调整、精准支护”为核心的主动支护体系。

革新了支护理念。提出高性能主动支护体系，推动支护理念由被动向主动转变；革新了支护手段。高性能主动支护体系强化“岩-锚-喷联合承载拱”，强化了支护的主动性和及时性，对防掉块、控变形意义重大，对提升隧道施工本质水平意义重大；革新了支护设计方法。高性能主动支护体系采用信息化智能设计方法，即以施工过程中自动感知的地质、施工、支护等多元信息为基础，多元信息大数据融合智能分析为核心，设计全业务流程自动化为手段，具有精准化、智能化设计的特点，可为支护安全经济设计、减量高效施工提供有力保障。

    一、主要科技创新

项目研究形成了系统的创新成果，实现了隧道支护由被动向主动、由静态向动态、由粗放到精准、由人工到智能的转变，对发展新质生产力、促进铁路隧道高质量发展意义重大。创新成果如下：

建立了铁路隧道主动支护体系设计理论与方法。揭示了隧道主动支护抑制围岩劣化的时空演化机理，探明了主动支护与围岩相互作用机制，建立了岩锚喷协同作用早高强承载拱力学模型，构建了基于时空效应的隧道主动支护体系设计方法。

研发了铁路隧道动态设计信息智能感知技术。建立了基于机器视觉-大数据模型的掌子面地质信息智能感知方法，研发了基于机器视觉-结构光的隧道时空变形连续监测技术，研制了隧道动态设计信息实时智能感知成套装备。

创立了铁路隧道主动支护智能优化与决策方法。建立了多元信息融合的隧道主动支护动态智能优化方法，研发了隧道主动支护动态智能决策技术，开发了隧道主动支护体系信息化动态智能管控平台。

    二、项目评价

提出高性能主动支护体系，推动支护理念由被动向主动转变；高性能主动支护体系强化“岩-锚-喷联合承载拱”，强化了支护的主动性和及时性，对防掉块、控变形意义重大，对提升隧道施工本质水平意义重大；高性能主动支护体系采用信息化智能设计方法，即以施工过程中自动感知的地质、施工、支护等多元信息为基础，多元信息大数据融合智能分析为核心，设计全业务流程自动化为手段，具有精准化、智能化设计的特点，可为支护安全经济设计、减量高效施工提供有力保障。项目成果整体达到国际先进水平。

    三、成果及效益

项目成果成功应用于已经开工和即将建设的一大批铁路项目，取得了显著的社会、经济、生态效益，有力推动了我国铁路隧道支护体系的转型和支护设计方法的升级，对建立“安全高效、精准可靠”的铁路隧道支护体系、促进铁路隧道高质量发展意义重大，推广应用前景广阔。