《长大地下工程安全风险精细化感控的关键技术及应用》

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长大地下工程是重大基础设施重要组成,所处岩土赋存条件不确定性高、周边环境敏感、使用条件苛刻,面临巨大安全风险,事故频发,损失严重。面对长大地下工程安全风险时空变异性强、感知预警难等难题,项目采用“产学研用”模式,历经近10年持续攻关,揭示复杂地下工程安全风险时空感知指标,研发感知方法、技术与无线智慧传感网络,提出可视化预警与可恢复控制技术,实现了“安全精感、灾变精知、数据精传、风险精控”目标。取得以下重要创新:

1.揭示了多重复杂环境条件下长大地下工程安全风险特征演化机理,获得风险状态“安全精感”的敏感指标。揭示地层分布及参数不确定条件下长大地下工程特征风险演化机理,提出堆、卸载等随机扰动下安全风险预测模型,建立多重复杂环境作用下精准评价安全风险的指标。

2.研发了隧道及地下工程安全状态的多参数无线感知方法和技术,实现工程安全风险无线同步“灾变精知”。提出地下工程结构变形、渗漏水、裂缝参数感知方法,自主研发0.00017°FS高精度MEMS无线倾角传感器,首次研发渗漏水状态面积双参无线感知传感器;研发振弦式/4-20mA/1-5V系列无线采集支点,突破商业传感器无线入网技术瓶颈。针对地层变异性,提出鲁棒性传感节点的布置策略,使精细化监测成本合理化。

3.创建了长大地下工程无线智慧传感网络理论方法,攻克数据传输及超低功耗智慧组网“数据精传”难题。提出非均匀分簇路由算法和数据时空压缩恢复算法;采用Beacon深度休眠机制,自主原创2uA超低功耗和人工智能无线传感网络协议,实现瞬时(<1s)、10层拓扑及含120个以上支点最优拓扑,建立安全(自主原创)、稳定(<0.5%丢包)与高效(5ms同步优化)网络稳健性工作机制。

4.提出了安全风险动态可视化预警及可恢复控制技术,突破长大地下工程现场风险管控预警“风险精控”技术瓶颈。基于实时感知数据,建立了隧道易损性贝叶斯动态评价模型与风险预警标准,研发现场可视化风险预警系统,实现风险状态“秒见”;建立全寿命安全可恢复性控制模型,提出随机预报-数据更新-实时反馈的风险精准控制技术。

项目授权专利27项(发明专利17项),登记软著16项;主编国家规范1部,参编地方规范2部,发表论文144篇,其中SCI/EI收录96篇,出版专著4部。成果成功应用于北上广等十余城市超长地铁隧道(连续20km)、超大直径盾构隧道(>15m)、寒区隧道(-40℃)、超大基坑群(15万平米)等重大复杂地下工程安全风险感控中,并拓展到上海中环应急抢修中。研发产品在亚、欧、北美、大洋等4大洲15个国家及地区50余城市应用8500套以上,获取20亿条科学数据,支撑了长大地下工程建设及运行安全,近三年经济效益达6.4亿元。经济、社会和环境效益显著。

项目实现了理论、技术和产品的自主创新和国际超越,占领国内外技术和市场高地,具有重要的实际意义和广阔的推广前景。

成果说明

该项目“产学研用”联合自主创新,成果解决了长大地下工程的安全风险的精细化感知、实时预警及动态控制难题,相关成果在轨道交通工程、城市隧道、山岭隧道和基坑群等工程中成功应用和推广,相关产品已经在亚洲、欧洲、北美洲、大洋洲等4大洲15个国家及地区50余城市应用8500套以上,获取了20亿条科学数据,支撑长大地下工程建设及运行安全,近三年产生经济效益达6.4亿元,创收外汇196.29万美元。 (1)成果推广应用情况:项目成果在中国大陆地区北上广等10余城市进行推广应用,成功应用于超长地铁隧道(连续20km)、超

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