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为隧道装上岩爆预警听诊器

发布时间:2019-03-13 02:02:25

■ 陈欢欢

近日,川藏铁路拉萨至林芝段路基主体工程顺利完工。这段铁路在修建过程中遭遇一段强岩爆区,每天约发生20次岩爆,重达4吨的开挖台车甚至被岩爆震得整个飞出。

“狼来了”是人们过去对岩爆的认识,如今,中科院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室主任冯夏庭团队走上青藏高原,利用自主研发的高精度预警系统为岩爆预警与防治装上了“听诊器”,抓住了这只神出鬼没的“狼”。

此前,他们的足迹已经走出国门,今后,还将继续服务于西部建设、“一带一路”、“向地球深部进军”等重大工程。

一战成名

岩爆,是岩体中聚积的高应力弹性能猛烈释放,导致岩石爆裂弹射的一种地质灾害,一般由施工诱发,常见于深部地下工程建设中。岩爆也是岩石力学领域的世界性难题,具有极强的随机性、突发性和破坏性,防不胜防。

冯夏庭告诉《中国科学报》,他早在1996年就在南非开始了岩爆研究。过去,对岩爆的监测和防护以定性分析和经验判断为主,结果往往是“喊狼来了时狼不来,不喊时狼来了”。

2008年,为解决这一世界性难题迈出关键一步的工程出现了——锦屏二级水电站。作为现场总负责,团队成员、中科院武汉岩土力学研究所研究员陈炳瑞告诉,锦屏二级水电站长大引水隧洞群岩爆监测与预警,是团队从实验室走向现场应用的关键。

锦屏二级水电站是“西电东送”标志性工程之一,其引水隧洞群平均洞线长度达16.67公里,埋深达2500多米,是目前为止世界上施工难度的水工隧洞之一,工程建设中强烈岩爆频发,给人员和设备带来严重危害。

冯夏庭团队将微震监测技术引入水电工程,经过近4年的不懈努力,实现了整套关键技术的成功应用,提高了岩爆孕育过程中微震源定位分析的稳定性和精度,次将岩爆定性预警提升到了定量预警,支撑该工程顺利完工。

以中国工程院院士钱七虎为首的专家团评价该成果“改变了岩石力学学术界和工程界的部分专家认为岩爆不可监测预警的传统观点”,为岩土工程行业今后开展类似工作“提供了未曾见过的范例”。

厚积薄发

“锦屏”之后,冯夏庭团队没有因为缺少实际工程而放松,而是埋头加强基础研究,在国际高水平期刊接连发表多篇有影响力的学术论文,同时加快研发设备、打破国外的技术垄断。

2015年5月,“轰”一声巨响,正在掘进的巴基斯坦NEELUM-JHELUM水电站引水隧洞内地动山摇、岩石飞溅。这起极强岩爆产生的巨大破坏力致使工程停工修复达七个月之久。

为解决该技术难题,美国哈扎监理公司等专家组成的咨询公司百里挑一,向水电站承包商推荐了冯夏庭团队。

在巴基斯坦深埋高热的隧洞中,他们利用自主研发的设备和方法,布下了岩爆预警的“天罗地”,在短时间内就让现场人员“从怀疑到依靠”。

曾长期驻守巴基斯坦工程现场的团队成员、中科院武汉岩土力学研究所助理研究员丰光亮告诉,团队及时地预警出了隧洞开挖过程中潜在岩爆区域与等级,提供针对性更强的调控措施建议,为施工人员及设备安全提供科技保障。

冯夏庭团队的加入,有效助力隧洞提前贯通。时任巴基斯坦总理谢里夫在出席贯通仪式时,也盛赞这一工程创造了奇迹。

由于不同工程、不同地质条件采取的技术方法有所区别,岩爆预警需要长期积累和系统研究。“我们的创新点在于研究了岩爆孕育过程的机理,

为隧道装上岩爆预警听诊器

找到了定量预警的诀窍。”冯夏庭说,经过工程验证,这套系统的准确率达80%以上,成为现实中一种有效的方法。

同时,冯夏庭团队提出的微震监测建议方法已经在国际岩石力学与工程学会通过,成为国际标准。

此时,新的挑战又来了。

进军川藏

川藏铁路被称为“世界难建铁路”,承载了几代人的梦想。在冯夏庭看来,进军川藏既是铁路人的一份,也是科研人员的一份。

团队成员、中科院武汉岩土力学研究所副研究员肖亚勋告诉《中国科学报》,川藏铁路地处板块缝合带,具有超高地应力,岩爆发生风险非常高,同时也面临着高地热、隧道供氧不易等诸多难题。

冯夏庭回忆说:“高海拔、强岩爆这样的困难与挑战并没有使团队退缩,相反我们主动请缨,进军川藏。”

为了开展24小时实时监测、预警与调控,科研人员长期驻守海拔3400多米的隧道施工区,隧道里气温高达40℃、湿度达到90%以上,而住宿的彩钢板房内则往往寒气逼人。“这反而激发了我们的斗志。”冯夏庭说,岩爆预警在川藏铁路施工过程中的作用已经逐渐显现。

对于自己带领的这支国家自然科学基金委创新研究群体,冯夏庭坦陈,既要能写出高水平论文,又要能解决实际工程问题,更要按照国家需求、国际前沿设立研究方向。

如今,中国的公路、铁路、水电站等大型工程正在从东向西推进,逐渐进入深山;“一带一路”建设也在向西推进;向地球深部进军、研究地球内部问题和寻找地球深部资源也是大势所趋。冯夏庭说:“这其中,岩爆是一个躲不过的问题,我们感到重大。”

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