開拓地下工程 見證時代變遷

杜月嬌

盛夏的北京，烈日炎炎，記者如約在北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗(yàn)研究中心見到剛剛抵京的王永紅教授。說走就走，已成為他的工作常態(tài)。

王永紅的語速很快，笑聲爽朗，話語間透露出他對工作的激情。他述說著我國隧道地下工程的新發(fā)展，為記者描繪出一副壯美的宏圖——不遠(yuǎn)的未來，地面上只有高速公路、綠草紅花和藍(lán)天碧云，而工廠、商場等設(shè)施都被將移至地下，那時，我們的生活環(huán)境或許會發(fā)生翻天覆地的變化。“我的專業(yè)是隧道地下工程，我責(zé)無旁貸！”他的話語，擲地有聲。

水利工程新建線

我國調(diào)引水工程正處在蓬勃發(fā)展時期，全國各地的大中型調(diào)引水工程如火如荼地展開，正在和已在規(guī)劃中的調(diào)引水工程也不勝枚舉。有資料顯示，近年內(nèi)我國僅在東北和西北地區(qū)的大型調(diào)引水工程總長度已超過6000公里，即將開工和規(guī)劃建設(shè)的總長度至少將超過8000公里。

“南水北調(diào)”我們熟悉不過，而對“北水南調(diào)”不免會感到些許陌生，其中將東北三省的松江水引入北京，是由我國隧道及地下工程專家、中國工程院院士王夢恕所提出，他表示非常榮幸參與王院士研發(fā)團(tuán)隊(duì)。現(xiàn)在處于我國交通、高鐵和地下工程等蓬勃發(fā)展的好時代。隨著“超長有壓引水隧洞建設(shè)與安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)研究”立項(xiàng)，使我國距“北水南調(diào)”的遠(yuǎn)景更近一步。王永紅作為項(xiàng)目組成員參與其中，據(jù)他介紹此次引水線路長達(dá)900km，采用先進(jìn)的超長有壓引水方式。它也是繼南水北調(diào)中線工程之后，有效解決首都北京極為嚴(yán)重的水資源短缺、優(yōu)化水資源配置、改善生態(tài)環(huán)境的重大戰(zhàn)略性舉措，必將對北京產(chǎn)生重要且不可限量的影響。

正在前期準(zhǔn)備的南水北調(diào)西線工程，欲設(shè)計(jì)采用超長無壓隧洞輸水方案，同時將超長有壓隧洞輸水做為備用方案繼續(xù)研究。而借用此次超長有壓引水隧洞工程的基礎(chǔ)研究，可為南水北調(diào)西線工程下決心采用超長有壓隧洞輸水方案提供可靠的理論和技術(shù)支撐。

“超長有壓隧洞的致災(zāi)因素和形成過程非常復(fù)雜”，涉及水文、地質(zhì)、巖體水力學(xué)、巖土力學(xué)、滲流力學(xué)、地下工程、非線性力學(xué)等多學(xué)科交叉，同時又經(jīng)受擾動外力作用、介質(zhì)滲透遷移、有壓水的形狀與壓力波動的非均勻性等內(nèi)在因素影響；此外，施工質(zhì)量、調(diào)度管理等人類活動因子之間的復(fù)雜互饋和綜合作用，也使得該問題具有明顯的時空演化特征。

這項(xiàng)超過100多公里的引松供水工程的超長有壓引水隧洞是目前國內(nèi)外最大的有壓引水隧洞工程。王永紅說，由于超長有壓引水隧洞修建難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，目前國內(nèi)外還尚無成熟的設(shè)計(jì)理論、規(guī)范和工程可供借鑒。如此大規(guī)模的有壓隧洞建設(shè)，又面臨復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，亟待尋找強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和理論基礎(chǔ)指導(dǎo)。針對我國超長有壓引水隧洞特殊的賦存地質(zhì)條件，課題組開展了對超長有壓引水隧洞地層精細(xì)探測理論與工程地質(zhì)評價體系、多場耦合作用下超長有壓引水隧洞圍巖體的本構(gòu)關(guān)系與變形破壞機(jī)理、多場力下大型密集相互作用及災(zāi)變時空過程、大型地下超長有壓引水隧洞致災(zāi)因子與風(fēng)險(xiǎn)評估以及防護(hù)理論等關(guān)鍵科學(xué)問題的研究。據(jù)悉，研究正在有條不紊地進(jìn)行中，未來有望真正實(shí)現(xiàn)“北水南調(diào)”。

二氧化碳儲存新方法

二氧化碳（CO₂）是全球變暖的主要原因，地球大氣中CO₂含量也隨著人類活動而逐漸增加。為此，科學(xué)家研究出一種途徑，捕獲工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)以百萬噸的CO₂并將其儲存在深層地下。

地下儲存CO₂的方式多樣，分為結(jié)構(gòu)性儲存、殘留儲存、溶解儲存和礦物儲存。當(dāng)CO₂被抽至地下深處時，其經(jīng)高壓壓縮并成為液體，然后通過上述幾種方式封存在巖石紋理的孔中。根據(jù)巖石和流體的物理和化學(xué)特性，所有或某些封存機(jī)制將發(fā)生作用。結(jié)構(gòu)性儲存有立竿見影的效果，其它儲存方式則需要時間，但是儲存安全性更佳。

2010年12月，“北京交通大學(xué)中美CO₂儲存與捕獲應(yīng)用（CCSU）研發(fā)中心”揭牌儀式在北京交通大學(xué)隆重舉行，王永紅以常務(wù)副主任身份加入中心。2014年，國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目“CO₂深部地質(zhì)封存的長期穩(wěn)定性預(yù)測與控制研究”獲得與會專家好評。此項(xiàng)目由北京交通大學(xué)、美國猶他大學(xué)、楊百翰大學(xué)和猶他州立大學(xué)共同合作，王永紅出任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

王永紅說，如今，人們愈發(fā)認(rèn)識到深部地質(zhì)層的二氧化碳封存技術(shù)，是一項(xiàng)關(guān)系到人類生存的空間和環(huán)境安全的全球性前沿性戰(zhàn)略課題，課題通過關(guān)鍵技術(shù)突破，研究開發(fā)適合我國情況的低成本、實(shí)用性強(qiáng)，且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的二氧化碳深部地質(zhì)封存長期穩(wěn)定預(yù)測與控制技術(shù)，以保證我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，滿足未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源供應(yīng)和環(huán)境安全健康的要求。

項(xiàng)目針對深部地質(zhì)介質(zhì)的組合特點(diǎn)，以我國深部地質(zhì)二氧化碳封存介質(zhì)的長期安全性關(guān)鍵技術(shù)為核心，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法對核心技術(shù)體系中的要點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析了二氧化碳深部地質(zhì)體的液化超臨界狀態(tài)的運(yùn)移特征及擴(kuò)散規(guī)律；研究了二氧化碳地質(zhì)封存場地長期安全性分析預(yù)測與評價，并提出二氧化碳地質(zhì)封存場地長期穩(wěn)定性的監(jiān)控技術(shù)。

研究成果已應(yīng)用于和神華、大唐電力等國內(nèi)著名企業(yè)的合作項(xiàng)目中，“不僅提高了企業(yè)的CCS技術(shù)創(chuàng)新能力，還促進(jìn)了我國高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和企業(yè)的國際化”，王永紅十分看好應(yīng)用轉(zhuǎn)化前景。針對合作目標(biāo)和主要研究內(nèi)容，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合神華和青海地質(zhì)條件，探索了鄂爾多斯盆地和柴達(dá)木盆地深部咸水層的長期封存構(gòu)造、長期穩(wěn)定性影響因素及評價體系。目前，已經(jīng)初步形成我國特色的二氧化碳深部地質(zhì)封存的核心技術(shù)體系，并成功應(yīng)用于我國第一個工業(yè)規(guī)模的全流程深部鹽水層二氧化碳地質(zhì)封存項(xiàng)目——神華10萬噸級/年CCS示范工程，為解決我國能源與環(huán)境安全的CCSU的關(guān)鍵科技難點(diǎn)提供了技術(shù)支撐和指導(dǎo)作用。更重要的是，我國擁有其核心技術(shù)的完全自主權(quán)，充分體現(xiàn)了國家利益并有效維護(hù)了國家安全。

除了產(chǎn)業(yè)化合作，項(xiàng)目組還與美國猶他州著名高校進(jìn)行了合作交流，得到美國駐華使館和猶他州政府的高度重視和支持，建立了廣泛、穩(wěn)定的合作機(jī)制；同時培養(yǎng)了一批我國具有全球開拓能力的科學(xué)家和青年人才；提升了我國國際合作組織管理能力，并建立良好的技術(shù)聯(lián)合研發(fā)、引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新機(jī)制，以及合作成果、引進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合機(jī)制。

海峽隧道新互聯(lián)

自日本上世紀(jì)40年代在關(guān)門海峽修建第一座海峽隧道以后，英吉利海峽隧道也于1994年成功開通，這帶動了各國海峽隧道建設(shè)的快速發(fā)展。我國也先后修建了廈門翔安、青島膠州灣等海底隧道，而三大海峽——瓊州海峽、臺灣海峽、渤海海峽的跨海隧道也在研究和規(guī)劃設(shè)計(jì)中，無疑將成為舉世矚目的國際大工程。

有人曾問過這樣一個問題：21世紀(jì)，連接七大洲四大洋最好的方式是什么？飛機(jī)，還是輪船？殊不知，在工程界早有共識——是海底隧道。的確，海峽隧道是未來連通世界各大板塊最好的方式。因?yàn)槠涞叵律疃瓤蛇_(dá)到30～80米，安全性能最高。如果造橋修路，會受海風(fēng)等極端天氣影響，戰(zhàn)爭來襲也會易被摧毀。

2015年，國際海底隧道協(xié)會應(yīng)運(yùn)而生。它云集了中國、英國、德國、挪威、西班牙、美國和俄羅斯等國家的著名隧道、地下工程及交通專家。值得注意的是，協(xié)會主席由王夢恕院士當(dāng)選，王永紅擔(dān)任秘書長，這標(biāo)志著我國在海底隧道乃至地下工程領(lǐng)域已躋身世界前列。未來，我國可將借助國際學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)平臺，為海底隧道技術(shù)和工程開創(chuàng)一個嶄新的局面。

在國際海峽隧道技術(shù)研討會上，王夢恕院士提出，兩岸要著眼經(jīng)濟(jì)和人民福祉，需及早啟動臺灣海峽隧道建設(shè)，拉近兩岸人民距離。平潭至牛山島的試驗(yàn)段可先行開工，先行先試。據(jù)悉，在大陸與臺灣島之間建設(shè)海底隧道的設(shè)想提出后，專家論證共提出3種供選擇的線路方案，3個方案中，以北線（福建平潭一臺灣新竹）距離最短、造價低、航道深，兩端接近福州和臺北中心城市，因而被一致看好為海峽隧道的首選路線。

臺灣海峽隧道從平潭到新竹之間的線路總長度約128公里，王永紅介紹道，規(guī)劃中的臺灣海峽隧道北線已選址平潭島。作為大陸離臺灣最近的縣，平潭在與臺灣的交通聯(lián)系上，被賦予了更多的期待。根據(jù)《平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)總體發(fā)展規(guī)劃》，平潭將形成較為完備的海、陸、空、港綜合交通體系。平潭作為對外聯(lián)系的第2通道，將建為京臺高速、京福臺快速鐵路、福州城市輕軌“三路合一”的并線通道。這條海底隧道一旦建成，對于兩岸同胞來講從北京乘坐高鐵直通臺灣將不是夢想。

心系國家新發(fā)展

地下工程設(shè)計(jì)施工極其龐雜，涵蓋的領(lǐng)域也十分廣泛。除了水利工程、地下儲存二氧化碳、海峽隧道，它在高鐵和地下車庫中也發(fā)揮重要應(yīng)用。今年有3條高鐵全線貫通，其中在滬昆高鐵中，隧道占有率達(dá)到了80%，形成了沒有隧道，就沒有高鐵的局面。而城市交通，也正面臨著不堪重負(fù)的壓力。10年前，王永紅做過調(diào)研，那時他們認(rèn)為交通是1個商業(yè)性很強(qiáng)的項(xiàng)目。然而從前幾年開始，已形成一個亟待解決的社會難題，這種大問題如何解決？“它不是一個單純的技術(shù)問題，涉及到管理、社會的問題，從技術(shù)方面我們可以走歐美的老路，但同時也要創(chuàng)造中國自己的特色”，王永紅口中的創(chuàng)新解決方法就是建設(shè)“全智能型立體地下停車庫”。

提及地下車庫，其安全性能一定擺在首要位置。面對4大問題——地下車庫圍巖穩(wěn)定性及其控制理論；城市地下工程安全性控制理論；復(fù)雜地下工程力學(xué)及其工程應(yīng)用基礎(chǔ)；地下結(jié)構(gòu)的動力災(zāi)害及控制理論，王永紅和科研團(tuán)隊(duì)將具體方案實(shí)施分三個階段，首先建立安全性與圍巖變形的動態(tài)量化關(guān)系，形成基于變形控制的設(shè)計(jì)理論與方法；其次，深化理論研究，建立與不同工法相對應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和體系，做到精細(xì)化過程控制；最后，制定地下車庫技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，建立安全控制體系，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化設(shè)計(jì)、施工及管理。王永紅介紹道，此項(xiàng)目重點(diǎn)利用新設(shè)備、新儀器、新技術(shù)、新材料、新工藝提高和改善傳統(tǒng)的鉆爆發(fā)施工配套技術(shù)的設(shè)計(jì)；引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建人性化的設(shè)計(jì)；施工的各個工序都要進(jìn)行交叉學(xué)科的應(yīng)用和研究，促進(jìn)地下車庫及地下工程發(fā)展新臺階，而不是抄襲式的重復(fù)照搬，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)方案的研究在前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在后。

花園中含苞待放的花朵是祖國的未來。然而，“現(xiàn)在的學(xué)生大多都是獨(dú)生子女，自我意識很強(qiáng)”，作為傳道授業(yè)解惑者的王永紅就常常告誡他們：一個人并不是單純的為自己而活，最大的責(zé)任是對社會負(fù)責(zé)、做貢獻(xiàn)，要有強(qiáng)烈的責(zé)任感，愛國家、愛人民，把個人利益和國家利益結(jié)合起來，這樣才有發(fā)展的空間和生存的平臺。這不是高呼口號，踏足地下工程業(yè)數(shù)十載來，王永紅一直這樣踐行。尚且身處校園的學(xué)生們自然不能體會王永紅話語里的深刻含義，畢業(yè)后，他們都紛紛回到學(xué)校，同王永紅交流甚多，“學(xué)生進(jìn)入到社會后才覺得我說的很有道理?！?/p>

作為留美多年的莘莘學(xué)子和擔(dān)任多個國際學(xué)術(shù)組織委員的王永紅，多少次站在國際會場上作報(bào)告，但他不感到孤獨(dú)，因?yàn)樗?，在身后有?qiáng)大的祖國做后盾，有億萬人民支持著他；多少次在項(xiàng)目竣工書上重重簽下自己的名字，王永紅激動的同時仍舊保持冷靜，因?yàn)樗溃c榮譽(yù)相伴的卻是自己肩頭挑起的那份神圣責(zé)任……