青藏高原首個無線通訊巖爆實時監(jiān)測微震系統(tǒng)
團隊成員受邀參加巴基斯坦NEELUM-JHELUM水電站引水隧洞貫通儀式
“轟”一聲巨響，正在掘進的NEELUM-JHELUM水電站引水隧洞內(nèi)地動山搖、巖石飛濺。這是2015年5月發(fā)生在巴基斯坦的一起極強巖爆，巨大的破壞力致使隧道挖掘機嚴(yán)重受損，工程停工修復(fù)達七個月之久。
為解決該技術(shù)難題，監(jiān)理工程師百里挑一，找到中科院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室主任馮夏庭，利用其團隊的自主技術(shù)為巖爆預(yù)警與防治裝上了“聽診器”，使得工程順利完工。
“狼來了”是人們過去對巖爆的認(rèn)識，馮夏庭團隊利用自主研發(fā)的高精度預(yù)警系統(tǒng)抓住了這只神出鬼沒的“狼”。
如今，他們又走上青藏高原，服務(wù)于正在建設(shè)的川藏鐵路。
一戰(zhàn)成名
巖爆，是巖體中聚積的高應(yīng)力彈性能猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂彈射的一種地質(zhì)災(zāi)害，一般由施工誘發(fā)，常見于深部地下工程建設(shè)中。巖爆也是巖石力學(xué)領(lǐng)域的世界性難題，具有極強的隨機性、突發(fā)性和破壞性，防不勝防。
馮夏庭告訴《中國科學(xué)報》記者，他早在1996年就在南非開始了巖爆研究。過去，對巖爆的監(jiān)測和防護以定性分析和經(jīng)驗判斷為主，結(jié)果往往是“喊狼來了時狼不來，不喊時狼來了”。
2008年，為解決這一世界性難題邁出關(guān)鍵一步的工程出現(xiàn)了——錦屏二級水電站。作為現(xiàn)場總負(fù)責(zé)，團隊成員、中科院武漢巖土力學(xué)研究所研究員陳炳瑞告訴《中國科學(xué)報》記者，錦屏二級水電站長大引水隧洞群巖爆監(jiān)測與預(yù)警，是團隊從實驗室走向現(xiàn)場應(yīng)用的關(guān)鍵。
錦屏二級水電站是“西電東送”標(biāo)志性工程之一，其引水隧洞群平均洞線長度達16.67公里，最大埋深達2500多米，是目前為止世界上施工難度最大的水工隧洞之一，工程建設(shè)中強烈?guī)r爆頻發(fā)，給人員和設(shè)備帶來嚴(yán)重危害。
馮夏庭團隊將微震監(jiān)測技術(shù)引入水電工程，經(jīng)過近4年的不懈努力，實現(xiàn)了整套關(guān)鍵技術(shù)的成功應(yīng)用，提高了巖爆孕育過程中微震源定位分析的穩(wěn)定性和精度，第一次將巖爆定性預(yù)警提升到了定量預(yù)警，支撐該工程順利完工。
以中國工程院院士錢七虎為首的專家團評價該成果“改變了巖石力學(xué)學(xué)術(shù)界和工程界的部分專家認(rèn)為巖爆不可監(jiān)測預(yù)警的傳統(tǒng)觀點”，為巖土工程行業(yè)今后開展類似工作“提供了未曾見過的范例”。
錦屏初戰(zhàn)告捷使得這一團隊在國際上嶄露頭角。
厚積薄發(fā)
錦屏之后，馮夏庭團隊沒有因為缺少實際工程而放松，而是埋頭加強基礎(chǔ)研究，在國際高水平期刊接連發(fā)表多篇有影響力的學(xué)術(shù)論文，同時加快研發(fā)設(shè)備、打破國外的技術(shù)壟斷。
“我們用了好幾年時間總結(jié)工作成果，對巖爆的發(fā)生規(guī)律和孕育機理進行了更深入的分析，目的是更好地應(yīng)用到工程中去。”馮夏庭說。
功夫不負(fù)有心人，正是扎實的基礎(chǔ)研究吸引到了美國哈扎監(jiān)理公司等專家組成的咨詢公司的注意，并向巴基斯坦NEELUM-JHELUM水電站承包商推薦。
經(jīng)過幾年的理論積累，來到巴基斯坦的團隊成員“摩拳擦掌”。在巴基斯坦深埋高熱的隧洞中，他們利用自主研發(fā)的設(shè)備和方法，布下了巖爆預(yù)警的“天羅地網(wǎng)”，在短時間內(nèi)就讓現(xiàn)場人員“從懷疑到依靠”。
曾長期駐守巴基斯坦工程現(xiàn)場的團隊成員、中科院武漢巖土力學(xué)研究所助理研究員豐光亮告訴《中國科學(xué)報》記者，團隊及時精準(zhǔn)的預(yù)警出了隧洞開挖過程中潛在巖爆區(qū)域與等級，提供針對性更強的調(diào)控措施建議，為施工人員及設(shè)備安全提供科技保障。
馮夏庭團隊的加入，有效助力隧洞提前貫通。時任巴基斯坦總理謝里夫在出席貫通儀式時，也盛贊這一工程創(chuàng)造了奇跡。
由于不同工程、不同地質(zhì)條件采取的技術(shù)方法有所區(qū)別，巖爆預(yù)警需要長期積累和系統(tǒng)研究。“我們的創(chuàng)新點在于研究了巖爆孕育過程的機理，找到了定量預(yù)警的訣竅。”馮夏庭說，經(jīng)過工程驗證，這套系統(tǒng)的準(zhǔn)確率達80%以上，成為現(xiàn)實中一種有效的方法。
同時，馮夏庭團隊提出的微震監(jiān)測建議方法已經(jīng)在國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會通過，成為國際標(biāo)準(zhǔn)。
此時，新的挑戰(zhàn)又來了。
進軍川藏
川藏鐵路被稱為“世界最難建鐵路”，承載了幾代人的夢想，從建國初期就開始勘察，直到2014年才真正開始建設(shè)。在馮夏庭看來，進軍川藏既是鐵路人的一份責(zé)任，也是科研人員的一份責(zé)任。
團隊成員、中科院武漢巖土力學(xué)研究所副研究員肖亞勛告訴《中國科學(xué)報》記者，川藏鐵路地處板塊縫合帶，具有超高地應(yīng)力，巖爆發(fā)生風(fēng)險非常高，同時也面臨著高地?zé)?、隧道供氧不易等諸多難題。
據(jù)報道，川藏鐵路拉薩至林芝段在修建過程中遭遇一段強巖爆區(qū)，每天約發(fā)生20次巖爆，一次強巖爆將重達4噸的開挖臺車震得整個飛出。
馮夏庭回憶說：“高海拔、強巖爆這樣的困難與挑戰(zhàn)并沒有使團隊退縮，相反我們主動請纓，進軍川藏。”
據(jù)悉，為了開展24小時實時監(jiān)測、預(yù)警與調(diào)控，科研人員長期駐守海拔3400多米的隧道施工區(qū)，隧道里氣溫高達40度、濕度達到90%以上，而住宿的彩鋼板房內(nèi)則往往寒氣逼人。“這反而激發(fā)了我們的斗志。”馮夏庭說，巖爆預(yù)警在川藏鐵路施工過程的作用已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)。
對于自己帶領(lǐng)的這支國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體，馮夏庭坦陳，要求較高——既要能寫出高水平論文，又要能解決實際工程問題，更要按照國家需求、國際前沿設(shè)立研究方向。他說：“新時代下建設(shè)有中國特色社會主義，根本還是依靠創(chuàng)新發(fā)展。根據(jù)十九大報告精神，我們的研究工作要更好地服務(wù)于人民美好生活。”
如今，中國的公路、鐵路、水電站等大型工程正在從東向西推進，逐漸進入深山；“一帶一路”建設(shè)也在向西推進；向地球深部進軍、研究地球內(nèi)部問題和尋找地球深部資源也是大勢所趨。馮夏庭說：“這其中，巖爆是一個躲不過的問題，我們感到責(zé)任重大。”
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