智能技术破天山难题 地质预报准确率达82.5%

G0711乌鲁木齐至尉犁高速公路预计年底具备通车条件。作为该项目的“咽喉”工程,天山胜利隧道应用的“天山地区复杂地质条件隧道勘察及围岩质量评价技术”,有效破解了高寒高海拔、活动断裂带等隧道建设难题,将地质预报准确率提升至82.5%。

12月10日,记者从新疆建筑科学研究院了解到,该技术由该院牵头,联合中建新疆建工(集团)有限公司、新疆大学、新疆交通职业技术学院、新疆交通规划勘察设计研究院有限公司等高校和企业共同研发完成,实现了从“经验勘探”到“智能预报”的突破性升级。

目前“天山地区复杂地质条件隧道勘察及围岩质量评价技术”课题成果已在东天山隧道、天山胜利隧道、河马泉新区雪莲山隧道、乌鲁木齐楼庄子供水工程等工程应用,累计创造直接经济效益2.39亿元,还带动了地质勘察、软件开发、智能装备等上下游企业的协同发展。

在G575线巴里坤至哈密公路东天山隧道,“天山地区复杂地质条件隧道勘察及围岩质量评价技术”课题组成员正进入隧道开展技术指导工作。受访者供图

天山胜利隧道所处地域地质条件极其复杂,专家们用“一长”“二深”“三低”“四高”来概括其施工难度:“一长”,隧道长22.13公里,约等于五座南京长江大桥的总长;“二深”,隧道最大埋深近1200米,竖井最大深度达到了706米;“三低”指的是温度低、气压低、含氧量低;“四高”即高压涌水、高地应力、高地震烈度、高环境等级。

“团队从2017年便以G575线巴里坤至哈密公路东天山隧道为研究对象,形成的部分技术成果随后应用于天山胜利隧道,这使得地质预报准确率从行业常规水平的50%至75%,一举提升至82.5%。”新疆建筑科学研究院勘测岩土工程师李严君介绍,该项目采用“理论研究与试验测试相结合”的模式,经多学科产学研团队持续攻关,成功构建起完善的天山地区复杂地质条件隧道勘察及围岩质量评价技术体系。

据悉,团队行程累计超5万公里,收集海量地质数据,首次构建起横跨天山的隧道工程地质模型,使勘察阶段的围岩预测准确率提升了10%至15%,为工程设计提供了可靠依据。同时,团队创新性地将深度学习人工智能技术与传统地质预报相结合,建立包含四大类专项数据的深度学习模型,能智能判定隧道施工作业面前方的围岩情况。

此外,该技术成果还精准揭示了活动断层的地震动力响应规律,为东天山隧道、天山胜利隧道等工程在极端复杂地质环境中安全高效推进提供了关键技术支撑。其中,“一种模拟互层岩体数值模型的仿真方法、系统及处理终端”获得国家发明专利1项,并荣获第六届自治区优秀专利三等奖。

天高地迥破险隧,守正出新克难题。在东天山隧道的高温湿热中,每次挖掘断面都要拍上万张围岩照片;在塔克拉玛干滚烫沙海中,徒步十几公里采集数据——勘察设计人员在极端环境下的执着付出,既攻克了复杂地质勘察难题,让隧道地质预报实现质的跃升,更以绿色创新技术破解沙漠工程生态困局,为新疆重大工程建设提供技术支撑。

隧道里的“预言家”:82.5%准确率背后的智能突破

天山一直是南北疆之间的一道天然屏障。过去,南北疆人们往来,只能沿盘山公路艰难绕行,至少需要3小时。作为乌鲁木齐至尉犁高速公路的“咽喉”工程,全长22.13公里的天山胜利隧道是目前世界最长高速公路隧道,如今隧道“精装修”已进入收官阶段,届时通车后,穿越天山的时间将从3小时锐减至约20分钟,真正实现“天堑变通途”。

这份便捷的背后,是常人难以想象的施工难度。天山素有“地质博物馆”之称,天山胜利隧道要穿越16处区域性深大断裂及次生断裂带,施工平均海拔超过3000米,所在地年平均气温-5.4℃。为攻克难题,建设团队首创“三洞+四竖井”施工方案,大幅提升施工效率与安全系数。

“其实我们一直在研究天山地区复杂地质条件下的隧道勘察及围岩质量评价技术,相关成果已应用到天山胜利隧道等重大工程。2017年开始研究这个课题时,我们以东天山隧道为研究对象,当时我还是新疆大学研二的学生。”如今已是新疆建筑科学研究院岩土工程师的李严君说,课题融合地质学、工程地质学、水文地质学、岩土力学、地球物理学等多学科基础理论,创新运用“前期勘察与施工勘察相互印证、地质分析与地球物理探测全程贯穿、常规地质预报与多层次精细预报深度融合”的研究方法。

在G575线巴里坤至哈密公路东天山隧道附近,“天山地区复杂地质条件隧道勘察及围岩质量评价技术”课题组成员正在开展地质调查工作。受访者供图

为摸清天山的“脾气”,团队3名核心成员曾长期驻守东天山隧道现场,采用“勘察预测—施工验证—总结优化”的创新模式,挖一段、测一段、验一段。隧道断面一挖开就第一时间冲上去监测,24小时紧盯支撑强度、沉降变化等数据;隧道内酷热潮湿、噪声震耳,每次作业都“白口罩进,黑口罩出”“干衣服进,湿衣服出”,一个断面就要拍下上万张围岩照片,再筛选出5000多张有效影像构建模型。

团队将深度学习人工智能技术与传统地质预报结合,让机器学会“读”地层——通过解析四大类专项数据,对围岩情况进行智能判别。这一突破让地质灾害预报准确率从行业常规水平的50%至75%,一举提升至82.5%以上。团队研发的“一种模拟互层岩体数值模型的仿真方法、系统及处理终端”技术成果首创了分层耦合算法,就像给山体做“CT”,既解决了新疆泥岩、砂岩软硬互层易引发塌方的难题,又将计算效率提升60%,彻底改变了传统仿真“要么漏问题、要么算得慢”的困境。

如今,这项技术已在疆内外十余项交通、市政工程中推广应用,累计创造直接经济效益2.39亿元。团队还联合职业院校开设“岩体仿真技术”专项培训课程,培养了200余名复合型技术工人,助力西部地区高技术岗位实现本地化。

沙漠里的“变形记”:让流沙“变身”坚实地基的环保智慧

如果说天山隧道的难题是“复杂”,塔克拉玛干沙漠的挑战则是“松软”。新疆塔克拉玛干沙漠腹地,矗立着一座红白相间、20多层楼高的钻机。地下,千余根钻杆相连,钻入12套地层,通往地球深处,这就是中国首口超万米科探井——深地塔科1井。2025年2月20日,中国石油集团对外宣布,中国石油深地塔科1井胜利完钻,掘进地下10910米。

在G575线巴里坤至哈密公路东天山隧道附近,“天山地区复杂地质条件隧道勘察及围岩质量评价技术”课题组成员正在开展地质调查工作。受访者供图

其中新疆建筑科学研究院参与了深地塔科1井钻机基础施工项目。该井施工具有“重、深、大、新”等特点,即体重大、任务重;井深、套管深;高度大、提升能力大;自主研发设备新、地基处理技术新;沙漠砂天然地基承载力不能满足钻井安全要求,无成熟施工工艺可以借鉴。新疆建筑科学研究院首席专家刘学军带领科研团队,深入项目现场利用该院“西部复杂气候及地震条件下土工合成材料加筋土结构关键技术与工程应用”科研课题成果,提出采用新的“沙漠砂土工格室垫层+碎石土垫层+钢筋混凝土基础”地基基础方案。在项目实施过程中,技术人员打破传统“专业分路、管理分块”钻井组织形式,搭建跨学科工作平台,推动工程地质一体化、科研生产一体化,让多专业、多学科紧密配合、协同作战,为万米深井钻探“保驾护航”。

“针对深地塔科1井的研究成果,我们现在正在研究新的基础施工方法。”李严君说,在沙漠腹地,庞大的井架对地基承载力要求极高,可沙漠砂就像“散沙”,传统浇筑混凝土垫层的方法,不仅要从几百公里外运建材,成本高还破坏生态。

科研团队给出的解决方案:用沙漠里的黄沙,加一层土工格室,就能造出坚固地基。“就像给黄沙穿了件‘钢筋外套’。”李严君解释,土工格室这种特殊材料能把松散的黄沙“锁”在一起,大幅提升承载力,而且可以就地取材。相比传统方法,最大限度保护了沙漠生态。

技术突破的背后,是科研人员用脚步丈量沙漠的坚守。为了获取第一手数据,他们背着检测设备在沙漠里徒步,单日行程常达十几公里。“看到我们的技术能让沙漠里建工程更环保,再苦都值。”李严君说,如今团队还在优化方案,让这项技术能支撑更深井的建设需求。

“仪器到不了的地方,就用脚走;数据拿不准的地方,就多测几次。”刘学军说,现在看到岩石纹路基本能判断地质情况,但团队始终坚持十余种设备加人工勘察的双重保障。

这些从天山、沙漠炼出的“硬核技术”,正成为照亮新疆高质量发展的科技之光,助力更多重大工程从蓝图变为现实。