为隧道装上岩爆预警“听诊器”

近日，川藏铁路拉萨至林芝段路基主体工程顺利竣工。在这段铁路的建设过程中，遇到了一个强烈的岩爆区，每天大约发生20次岩爆。重达4吨的挖掘小车甚至被岩石爆炸完全撞飞了出去。“狼来了”是过去人们对岩爆的理解。中国科学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，利用自主研发的高精度预警系统，搭建了岩爆预警和预防听诊器，捕捉到了这只难以捉摸的“狼”。在此之前，他们的足迹已经走出去，他们将继续为西部地区的建设，“一带一路”和“进军深海”等未来的重大工程服务。第一次世界大战岩爆是由于积聚在岩体中的高应力弹性能量的剧烈释放而引起的地质灾害，导致岩爆和岩爆的发生。通常由施工引起，常用于深层地下工程施工。岩爆也是岩石力学领域的世界性问题。这是极其随机的、突然的和破坏性的，是无法预防的。冯夏庭告诉《中国科学》的记者，他早在1996年就开始在南非进行岩爆研究。过去对岩爆的监测和防护主要是基于定性分析和经验判断，结果往往是“狼来了，狼来了，狼不喊”。2008年，为解决这一全球性问题，采取了一个关键步骤——锦屏二级水电站。中国科学院武汉岩土力学研究所研究员、团队成员陈炳瑞告诉记者，锦屏二级水电站长引水隧洞群岩爆监测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”的标志性工程之一。其导流洞群平均隧道长度为16.67公里，最大埋深超过2500米。这是迄今为止世界上最困难的水工隧道之一。在工程建设中，强岩爆频繁发生，对人员和设备造成严重危害。冯夏庭团队将微震监测技术引入水电项目。经过近4年的不懈努力，实现了一整套关键技术的成功应用，提高了岩爆准备过程中微震定位分析的稳定性和准确性。岩爆定性预警首次升级为定量预警，支持了工程的顺利完成。以中国工程院院士钱七虎为首的专家小组对该成果进行了评价，认为该成果“改变了岩石力学学术界和工程界一些专家关于岩爆无法监测和预警的传统观点”，为今后岩土工程界开展类似工作“提供了前所未有的范例”。“金屏幕”开发出来后，冯夏庭团队并没有因为缺少实际项目而放松。相反，它专注于加强基础研究，在高水平国际期刊上发表了几篇有影响力的学术论文，并加速研发设备，以打破外国技术垄断。2015年5月，巴基斯坦尼鲁姆-杰赫勒姆水电站引水隧洞正在施工，震动并溅起岩石。这种极其强烈的岩爆所造成的巨大破坏力导致该项目停止了七个月。为了解决这一技术问题，由美国HAZA监理公司等专家组成的咨询公司向水电站承包商推荐了冯夏庭团队。在巴基斯坦高温的深埋隧道中，他们使用独立开发的设备和方法建立岩爆预警“重围”，让现场人员在短时间内“从怀疑走向依赖”。长期驻扎在巴基斯坦项目现场的中国科学院武汉岩土力学研究所助理研究员冯·对记者表示，该团队在隧道开挖过程中及时准确地对潜在岩爆区域和等级进行了预警，提供了更有针对性的防治措施和建议，为施工人员和设备的安全提供了科技保障。冯夏庭团队的加入有效地帮助隧道提前完工。在出席开幕式时，巴基斯坦总理谢里夫也称赞了这个项目的奇迹。由于不同工程和地质条件采用的技术方法不同，岩爆预警需要长期积累和系统研究。“我们的创新之处在于研究岩爆孕育过程的机理，找到定量预警的关键。”冯夏庭表示，经过工程验证，该系统的准确率达到80%以上，成为现实中的一种有效方法。与此同时，冯夏庭小组提出的微震监测建议方法已被国际岩石力学与工程学会采用，并已成为国际标准。此时，新的挑战正在到来。进入川藏川藏铁路被称为“世界上最难修建的铁路”，承载着几代人的梦想。在冯夏庭看来，进入四川和*既是铁路人员的责任，也是科研人员的责任。中国科学院武汉岩土力学研究所的研究员肖亚顺告诉《中国科学日报》，川藏铁路位于板块缝合带，应力超高。岩爆的风险非常高。与此同时，它也面临着许多困难，如地热能源高和隧道供氧困难。冯夏庭回忆道:“高海拔和强岩爆等困难和挑战并没有让团队退缩。相反，我们自愿进入四川和*。”为了进行24小时实时监测、预警和控制，科研人员长期驻扎在海拔3400多米的隧道施工区域。隧道内的温度高达40℃，湿度在90%以上，而居住区内的彩钢板房往往很冷。"这反而激发了我们的士气。"冯夏庭表示，岩爆预警在川藏铁路建设过程中的作用已经逐渐显现。至于冯夏庭领导的国家自然科学基金委员会创新研究小组，他承认自己必须能够撰写高水平论文，解决实际工程问题，并根据国家需要和国际前沿建立研究方向。如今，中国的公路、铁路和水电站等大型工程正从东向西推进，并逐渐进入深山。“一带一路”的建设也在向西推进。走进地球的深处，研究地球内部的问题，寻找地球的深层资源，也是大势所趋。冯夏庭说:“在这些问题中，岩爆是一个不可避免的问题，我们觉得我们有很大的责任。”