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隧道及地下工程試驗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。

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展，為記者描繪出一副壯美的宏圖——不遠的未來，地面上只有高速公路、綠草紅花和藍天碧云，而工廠、商場等設施都被將移至地下，那時，我們的生活環境或許會發生翻天覆地的變化。“我的專業是隧道地下工程，我責無旁貸！”他的話語，擲地有聲。

水利工程新建線

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

“南水北調”我們熟悉不過，而對“北水南調”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團隊。現在處于我國交通、高鐵和地下工程等蓬勃發展的好時代。隨著“超長有壓引水隧洞建設與安全運行的關鍵技術研究”立項，使我國距“北水南調”的遠景更近一步。王永紅作為項目組成員參與其中，據他介紹此次引水線路長達900km，采用先進的超長有壓引水方式。它也是繼南水北調中線工程之后，有效解決首都北京極為嚴重的水資源短缺、優化水資源配置、改善生態環境的重大戰略性舉措，必將對北京產生重要且不可限量的影響。

正在前期準備的南水北調西線工程，欲設計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研究。而借用此次超長有壓引水隧洞工程的基礎研究，可為南水北調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支撐。

“超長有壓隧洞的致災因素和形成過程非常復雜”，涉及水文、地質、巖體水力學、巖土力學、滲流力學、地下工程、非線性力學等多學科交叉，同時又經受擾動外力作用、介質滲透遷移、有壓水的形狀與壓力波動的非均勻性等內在因素影響；此外，施工質量、調度管理等人類活動因子之間的復雜互饋和綜合作用，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、風險高，目前國內外還尚無成熟的設計理論、規范和工程可供借鑒。如此大規模的有壓隧洞建設，又面臨復雜多變的地質條件，亟待尋找強有力的技術支撐和理論基礎指導。針對我國超長有壓引水隧洞特殊的賦存地質條件，課題組開展了對超長有壓引水隧洞地層精細探測理論與工程地質評價體系、多場耦合作用下超長有壓引水隧洞圍巖體的本構關系與變形破壞機理、多場力下大型密集相互作用及災變時空過程、大型地下超長有壓引水隧洞致災因子與風險評估以及防護理論等關鍵科學問題的研究。據悉，研究正在有條不紊地進行中，未來有望真正實現“北水南調”。

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，科學家研究出一種途徑，捕獲工業生產過程中產生的數以百萬噸的CO₂并將其儲存在深層地下。

地下儲存CO₂的方式多樣，分為結構性儲存、殘留儲存、溶解儲存和礦物儲存。當CO₂被抽至地下深處時，其經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。根據巖石和流體的物理和化學特性，所有或某些封存機制將發生作用。結構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，“北京交通大學中美CO₂儲存與捕獲應用（CCSU）研發中心”揭牌儀式在北京交通大學隆重舉行，王永紅以常務副主任身份加入中心。2014年，國際科技合作計劃項目“CO₂深部地質封存的長期穩定性預測與控制研究”獲得與會專家好評。此項目由北京交通大學、美國猶他大學、楊百翰大學和猶他州立大學共同合作，王永紅出任項目負責人。

王永紅說，如今，人們愈發認識到深部地質層的二氧化碳封存技術，是一項關系到人類生存的空間和環境安全的全球性前沿性戰略課題，課題通過關鍵技術突破，研究開發適合我國情況的低成本、實用性強，且具有自主知識產權的二氧化碳深部地質封存長期穩定預測與控制技術，以保證我國國民經濟持續穩定發展，滿足未來經濟發展對能源供應和環境安全健康的要求。

項目針對深部地質介質的組合特點，以我國深部地質二氧化碳封存介質的長期安全性關鍵技術為核心，采用理論分析、實驗室試驗、數值模擬和現場試驗相結合的方法對核心技術體系中的要點進行系統研究，分析了二氧化碳深部地質體的液化超臨界狀態的運移特征及擴散規律；研究了二氧化碳地質封存場地長期安全性分析預測與評價，并提出二氧化碳地質封存場地長期穩定性的監控技術。

研究成果已應用于和神華、大唐電力等國內著名企業的合作項目中，“不僅提高了企業的CCS技術創新能力，還促進了我國高新技術的產業化和企業的國際化”，王永紅十分看好應用轉化前景。針對合作目標和主要研究內容，研究團隊結合神華和青海地質條件，探索了鄂爾多斯盆地和柴達木盆地深部咸水層的長期封存構造、長期穩定性影響因素及評價體系。目前，已經初步形成我國特色的二氧化碳深部地質封存的核心技術體系，并成功應用于我國第一個工業規模的全流程深部鹽水層二氧化碳地質封存項目——神華10萬噸級/年CCS示范工程，為解決我國能源與環境安全的CCSU的關鍵科技難點提供了技術支撐和指導作用。更重要的是，我國擁有其核心技術的完全自主權，充分體現了國家利益并有效維護了國家安全。

除了產業化合作，項目組還與美國猶他州著名高校進行了合作交流，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、穩定的合作機制；同時培養了一批我國具有全球開拓能力的科學家和青年人才；提升了我國國際合作組織管理能力，并建立良好的技術聯合研發、引進消化吸收再創新機制，以及合作成果、引進技術的產學研聯合機制。

海峽隧道新互聯

自日本上世紀40年代在關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的快速發展。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劃設計中，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，連接七大洲四大洋最好的方式是什么？飛機，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。因為其地下深度可達到30～80米，安全性能最高。如果造橋修路，會受海風等極端天氣影響，戰爭來襲也會易被摧毀。

2015年，國際海底隧道協會應運而生。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，協會主席由王夢恕院士當選，王永紅擔任秘書長，這標志著我國在海底隧道乃至地下工程領域已躋身世界前列。未來，我國可將借助國際學術機構平臺，為海底隧道技術和工程開創一個嶄新的局面。

在國際海峽隧道技術研討會上，王夢恕院士提出，兩岸要著眼經濟和人民福祉，需及早啟動臺灣海峽隧道建設，拉近兩岸人民距離。平潭至牛山島的試驗段可先行開工，先行先試。據悉，在大陸與臺灣島之間建設海底隧道的設想提出后，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系上，被賦予了更多的期待。根據《平潭綜合實驗區總體發展規劃》，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。

心系國家新發展

地下工程設計施工極其龐雜，涵蓋的領域也十分廣泛。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揮重要應用。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的壓力。10年前，王永紅做過調研，那時他們認為交通是1個商業性很強的項目。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問題，涉及到管理、社會的問題，從技術方面我們可以走歐美的老路，但同時也要創造中國自己的特色”，王永紅口中的創新解決方法就是建設“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——地下車庫圍巖穩定性及其控制理論；城市地下工程安全性控制理論；復雜地下工程力學及其工程應用基礎；地下結構的動力災害及控制理論，王永紅和科研團隊將具體方案實施分三個階段，首先建立安全性與圍巖變形的動態量化關系，形成基于變形控制的設計理論與方法；其次，深化理論研究，建立與不同工法相對應的技術標準和體系，做到精細化過程控制；最后，制定地下車庫技術標準和技術規范，建立安全控制體系，實現規范化設計、施工及管理。王永紅介紹道，此項目重點利用新設備、新儀器、新技術、新材料、新工藝提高和改善傳統的鉆爆發施工配套技術的設計；引進先進技術，構建人性化的設計；施工的各個工序都要進行交叉學科的應用和研究，促進地下車庫及地下工程發展新臺階，而不是抄襲式的重復照搬，強調設計方案的研究在前，結構設計在后。

花園中含苞待放的花朵是祖國的未來。然而，“現在的學生大多都是獨生子女，自我意識很強”，作為傳道授業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，最大的責任是對社會負責、做貢獻，要有強烈的責任感，愛國家、愛人民，把個人利益和國家利益結合起來，這樣才有發展的空間和生存的平臺。這不是高呼口號，踏足地下工程業數十載來，王永紅一直這樣踐行。尚且身處校園的學生們自然不能體會王永紅話語里的深刻含義，畢業后，他們都紛紛回到學校，同王永紅交流甚多，“學生進入到社會后才覺得我說的很有道理。”

作為留美多年的莘莘學子和擔任多個國際學術組織委員的王永紅，多少次站在國際會場上作報告，但他不感到孤獨，因為他知道，在身后有強大的祖國做后盾，有億萬人民支持著他；多少次在項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，因為他知道，與榮譽相伴的卻是自己肩頭挑起的那份神圣責任……