智能技術破天山難題 地質預報準確率達82.5%

G0711烏魯木齊至尉犁高速公路預計年底具備通車條件。作為該項目的“咽喉”工程,天山勝利隧道應用的“天山地區復雜地質條件隧道勘察及圍巖質量評價技術”,有效破解了高寒高海拔、活動斷裂帶等隧道建設難題,將地質預報準確率提升至82.5%。

12月10日,記者從新疆建筑科學研究院了解到,該技術由該院牽頭,聯合中建新疆建工(集團)有限公司、新疆大學、新疆交通職業技術學院、新疆交通規劃勘察設計研究院有限公司等高校和企業共同研發完成,實現了從“經驗勘探”到“智能預報”的突破性升級。

目前“天山地區復雜地質條件隧道勘察及圍巖質量評價技術”課題成果已在東天山隧道、天山勝利隧道、河馬泉新區雪蓮山隧道、烏魯木齊樓莊子供水工程等工程應用,累計創造直接經濟效益2.39億元,還帶動了地質勘察、軟件開發、智能裝備等上下游企業的協同發展。

在G575線巴里坤至哈密公路東天山隧道,“天山地區復雜地質條件隧道勘察及圍巖質量評價技術”課題組成員正進入隧道開展技術指導工作。受訪者供圖

天山勝利隧道所處地域地質條件極其復雜,專家們用“一長”“二深”“三低”“四高”來概括其施工難度:“一長”,隧道長22.13公里,約等于五座南京長江大橋的總長;“二深”,隧道最大埋深近1200米,豎井最大深度達到了706米;“三低”指的是溫度低、氣壓低、含氧量低;“四高”即高壓涌水、高地應力、高地震烈度、高環境等級。

“團隊從2017年便以G575線巴里坤至哈密公路東天山隧道為研究對象,形成的部分技術成果隨后應用于天山勝利隧道,這使得地質預報準確率從行業常規水平的50%至75%,一舉提升至82.5%。”新疆建筑科學研究院勘測巖土工程師李嚴君介紹,該項目采用“理論研究與試驗測試相結合”的模式,經多學科產學研團隊持續攻關,成功構建起完善的天山地區復雜地質條件隧道勘察及圍巖質量評價技術體系。

據悉,團隊行程累計超5萬公里,收集海量地質數據,首次構建起橫跨天山的隧道工程地質模型,使勘察階段的圍巖預測準確率提升了10%至15%,為工程設計提供了可靠依據。同時,團隊創新性地將深度學習人工智能技術與傳統地質預報相結合,建立包含四大類專項數據的深度學習模型,能智能判定隧道施工作業面前方的圍巖情況。

此外,該技術成果還精準揭示了活動斷層的地震動力響應規律,為東天山隧道、天山勝利隧道等工程在極端復雜地質環境中安全高效推進提供了關鍵技術支撐。其中,“一種模擬互層巖體數值模型的仿真方法、系統及處理終端”獲得國家發明專利1項,并榮獲第六屆自治區優秀專利三等獎。

天高地迥破險隧,守正出新克難題。在東天山隧道的高溫濕熱中,每次挖掘斷面都要拍上萬張圍巖照片;在塔克拉瑪干滾燙沙海中,徒步十幾公里采集數據——勘察設計人員在極端環境下的執著付出,既攻克了復雜地質勘察難題,讓隧道地質預報實現質的躍升,更以綠色創新技術破解沙漠工程生態困局,為新疆重大工程建設提供技術支撐。

隧道里的“預言家”:82.5%準確率背后的智能突破

天山一直是南北疆之間的一道天然屏障。過去,南北疆人們往來,只能沿盤山公路艱難繞行,至少需要3小時。作為烏魯木齊至尉犁高速公路的“咽喉”工程,全長22.13公里的天山勝利隧道是目前世界最長高速公路隧道,如今隧道“精裝修”已進入收官階段,屆時通車后,穿越天山的時間將從3小時銳減至約20分鐘,真正實現“天塹變通途”。

這份便捷的背后,是常人難以想象的施工難度。天山素有“地質博物館”之稱,天山勝利隧道要穿越16處區域性深大斷裂及次生斷裂帶,施工平均海拔超過3000米,所在地年平均氣溫-5.4℃。為攻克難題,建設團隊首創“三洞+四豎井”施工方案,大幅提升施工效率與安全系數。

“其實我們一直在研究天山地區復雜地質條件下的隧道勘察及圍巖質量評價技術,相關成果已應用到天山勝利隧道等重大工程。2017年開始研究這個課題時,我們以東天山隧道為研究對象,當時我還是新疆大學研二的學生。”如今已是新疆建筑科學研究院巖土工程師的李嚴君說,課題融合地質學、工程地質學、水文地質學、巖土力學、地球物理學等多學科基礎理論,創新運用“前期勘察與施工勘察相互印證、地質分析與地球物理探測全程貫穿、常規地質預報與多層次精細預報深度融合”的研究方法。

在G575線巴里坤至哈密公路東天山隧道附近,“天山地區復雜地質條件隧道勘察及圍巖質量評價技術”課題組成員正在開展地質調查工作。受訪者供圖

為摸清天山的“脾氣”,團隊3名核心成員曾長期駐守東天山隧道現場,采用“勘察預測—施工驗證—總結優化”的創新模式,挖一段、測一段、驗一段。隧道斷面一挖開就第一時間沖上去監測,24小時緊盯支撐強度、沉降變化等數據;隧道內酷熱潮濕、噪聲震耳,每次作業都“白口罩進,黑口罩出”“干衣服進,濕衣服出”,一個斷面就要拍下上萬張圍巖照片,再篩選出5000多張有效影像構建模型。

團隊將深度學習人工智能技術與傳統地質預報結合,讓機器學會“讀”地層——通過解析四大類專項數據,對圍巖情況進行智能判別。這一突破讓地質災害預報準確率從行業常規水平的50%至75%,一舉提升至82.5%以上。團隊研發的“一種模擬互層巖體數值模型的仿真方法、系統及處理終端”技術成果首創了分層耦合算法,就像給山體做“CT”,既解決了新疆泥巖、砂巖軟硬互層易引發塌方的難題,又將計算效率提升60%,徹底改變了傳統仿真“要么漏問題、要么算得慢”的困境。

如今,這項技術已在疆內外十余項交通、市政工程中推廣應用,累計創造直接經濟效益2.39億元。團隊還聯合職業院校開設“巖體仿真技術”專項培訓課程,培養了200余名復合型技術工人,助力西部地區高技術崗位實現本地化。

沙漠里的“變形記”:讓流沙“變身”堅實地基的環保智慧

如果說天山隧道的難題是“復雜”,塔克拉瑪干沙漠的挑戰則是“松軟”。新疆塔克拉瑪干沙漠腹地,矗立著一座紅白相間、20多層樓高的鉆機。地下,千余根鉆桿相連,鉆入12套地層,通往地球深處,這就是中國首口超萬米科探井——深地塔科1井。2025年2月20日,中國石油集團對外宣布,中國石油深地塔科1井勝利完鉆,掘進地下10910米。

在G575線巴里坤至哈密公路東天山隧道附近,“天山地區復雜地質條件隧道勘察及圍巖質量評價技術”課題組成員正在開展地質調查工作。受訪者供圖

其中新疆建筑科學研究院參與了深地塔科1井鉆機基礎施工項目。該井施工具有“重、深、大、新”等特點,即體重大、任務重;井深、套管深;高度大、提升能力大;自主研發設備新、地基處理技術新;沙漠砂天然地基承載力不能滿足鉆井安全要求,無成熟施工工藝可以借鑒。新疆建筑科學研究院首席專家劉學軍帶領科研團隊,深入項目現場利用該院“西部復雜氣候及地震條件下土工合成材料加筋土結構關鍵技術與工程應用”科研課題成果,提出采用新的“沙漠砂土工格室墊層+碎石土墊層+鋼筋混凝土基礎”地基基礎方案。在項目實施過程中,技術人員打破傳統“專業分路、管理分塊”鉆井組織形式,搭建跨學科工作平臺,推動工程地質一體化、科研生產一體化,讓多專業、多學科緊密配合、協同作戰,為萬米深井鉆探“保駕護航”。

“針對深地塔科1井的研究成果,我們現在正在研究新的基礎施工方法。”李嚴君說,在沙漠腹地,龐大的井架對地基承載力要求極高,可沙漠砂就像“散沙”,傳統澆筑混凝土墊層的方法,不僅要從幾百公里外運建材,成本高還破壞生態。

科研團隊給出的解決方案:用沙漠里的黃沙,加一層土工格室,就能造出堅固地基。“就像給黃沙穿了件‘鋼筋外套’。”李嚴君解釋,土工格室這種特殊材料能把松散的黃沙“鎖”在一起,大幅提升承載力,而且可以就地取材。相比傳統方法,最大限度保護了沙漠生態。

技術突破的背后,是科研人員用腳步丈量沙漠的堅守。為了獲取第一手數據,他們背著檢測設備在沙漠里徒步,單日行程常達十幾公里。“看到我們的技術能讓沙漠里建工程更環保,再苦都值。”李嚴君說,如今團隊還在優化方案,讓這項技術能支撐更深井的建設需求。

“儀器到不了的地方,就用腳走;數據拿不準的地方,就多測幾次。”劉學軍說,現在看到巖石紋路基本能判斷地質情況,但團隊始終堅持十余種設備加人工勘察的雙重保障。

這些從天山、沙漠煉出的“硬核技術”,正成為照亮新疆高質量發展的科技之光,助力更多重大工程從藍圖變為現實。