利用工業隧道遺產建設深地實驗室以實現轉型升級初探

麻　鴻, 廖晨陽, 周　波, 陳　一

(四川大學建筑與環境學院， 四川成都 610065)

地下實驗室既是開展粒子物理學、天體物理學及宇宙學等領域的一系列重大基礎性前沿課題研究的良好低本底環境,也是巖體力學、地球結構演化、生態學等多學科開展相關實驗研究的重要環境。深地實驗室的魅力在于其環境能很好地屏蔽宇宙射線，是進行低本底實驗的最佳場所，有利于微弱信號的深入探測研究，從而獲取原創性科研成果。

本文首先概述了深地實驗室的條件環境要求，然后列舉國內外實踐案例的進行比較，對利用隧道建設深地實驗室的方式進行優勢總結，并為建設工程提出原則建議，以求對該方面進一步深入研究有所補益。

1　深地實驗室概述

地下實驗室，特別是深地實驗室的建立可以為國家提供綜合性的重大基礎科學研究平臺,是一個國家關鍵性重大基礎科學研究設施，因此建設和發展地下實驗室對于國家的基礎科學研究具有重要科學意義。在過去幾十年國際興起深地實驗室修建大潮且取得一系列科學前沿成果，然而我國對于建設深地實驗室的理論與實踐研究相對缺乏，實驗室建造也起步較晚。直到2010年建設了中國錦屏深地實驗室。地面實驗室因很難模擬深地原位環境的天然條件限制，而一直制約“深地”科學的探索，前沿科學研究迫切需要建立深地實驗室。宇宙有失重效用，而深地環境有增重效應，同時具有無宇宙射線、無太陽光線、無氧氣、高溫、高壓、高濕的特征。

1.1　深地實驗室環境要求

實驗室的周圍環境條件主要取決于實驗室埋深、實驗室圍巖兩個方面。高能宇宙射線μ介子通量隨著實驗室深度的增加成倍降低，地質和深度同時決定了γ通量、氡等含量。實驗室周圍主巖也必須為具有很低的放射性，比如花崗巖、角頁巖等。

深地實驗室需要的不僅僅是一個低本底的實驗環境條件，更是人的活動環境，需要技術支持，容易、安全的進入方式和穩定的支撐結構。

1.2　深地實驗室研究目的

開展地下深部科學探索，為更深入地開發利用地下空間奠定理論基礎。不僅對深地科學的基本規律進行深入研究，而且利用深地獨特的天然環境，為前沿學科提供地面無法達到的試驗條件，從而開展顛覆性科學前沿探索。

2　國內外實踐案例

利用工程隧道建設深地實驗室案例最早開始于蘇聯1967年在北高加索山麓水平開挖一條隧道，直通安德爾奇山脈的地下深處，并于1977年實驗室開始運作，實驗室距離山腳500 m，室內面積約為兩個網球場。隨后深地實驗室建造發展迅猛(表1)。

3　利用隧道修建深地實驗室優勢分析

利用隧道建設實驗室不僅可以為實驗室提供極大的埋深，而且可以通過水平隧道進入，大幅度降低施工難度，運輸方便，可直接運送大型設備，安全性高，是開展暗物質探測等粒子物理實驗的極佳場所。

3.1　提供屏蔽宇宙射線的超低本底實驗環境

修建深地實驗室所用到的隧道工程多為高山下的鐵路隧道、高速路隧道或是前水電工程等留下的隧道，隧道本身即已被高山覆蓋。極深的巖石覆蓋厚度對宇宙射線具有很好的屏蔽作用,同時實驗室要求山體主巖具有低放射性特征。

3.2　投資少、 易起步，適合分期分階段開發

由于深地實驗室實驗平臺的應用學科范圍越來越廣，實驗室早期大多局限于地下工程的一小部分，后期則會擴大到整個坑道，從單一實驗擴展也到綜合多項實驗。對于利用原有隧道的舊工程本身就是對地下空間資源的集約化利用，同時使得實驗室的前期投資少，易于研究起步發展，適宜隨著研究的深化進行分期分階段的開發利用。

表1　國際主要實踐案例比較

3.3　交通方便，易于與外界聯系

原有隧道工程多向山體內部水平延伸，其隧道本身即構成與外界聯系的交通空間。例如在中國錦屏深地實驗室可直接由山體外部直接駕車到達，使得實驗室與外界聯系緊密，不僅易于實驗設備的運輸，同時也方便工作人員的生活供給等配套服務。

4　利用隧道建設深地實驗室基本原則

近年來，隨著國民經濟快速發展的需要，我國興建的深部地下工程日益增多。例如西線的南水北調工程，一期工程包括244 km隧道，最長的一條73 km，最大埋深1 100 m，與川藏線等具有世界難度相比擬的隧道建設年增加150 km，結合高山峽谷的地勢，這些重大工程形成的隧道埋深可達500～3 000 m，形式上表現為深部工程。這同時為我國深地實驗室的建造提供了很多選址建設機會。根據已有實踐案例和利用隧道的優勢分析，對建造方案提出下列三條原則建議。

4.1　因地制宜，利用原有隧道工程擴展開發

在實驗室建造之前需要對選址環境進行勘測，其中包括場址特征鑒定，獲取實際的地質、水文、地球化學、巖體結構及力學性狀等方面的數據資料，提供外部作用和變化所產生影響的信息,以及提供安全評價所需要的參數和證據，為深地實驗室的建造提供可信的證據。在建造過程中因地制宜，順應原有隧道工程擴展開發建設。

4.2　地上與地下相協調，立體化開發

建設地面后勤基礎設施，利用好原有隧道本身實現內部與外界的聯系交通作用，使得實驗室人員出入與機器運送更為方便快捷，地面與地下一體化，建設相互配合，協調一致，形成統一規劃，立體布局。

4.3　遠期與近期相呼應，可持續發展

地下空間屬于不可逆的資源，在開發之后便不能復原。深地實驗室必須采取“科學規劃，統籌安排，分步實施”的方針。實驗室洞室和基本工作環境的建設，需要科學的近期、中期、遠期的發展，統籌安排、分步實施。與深地特殊環境與學科發展前沿相適應，實驗室研究的內容也趨于多元化，如深地巖石力學、深地地震學、能源存儲、地熱利用等一系列科學前沿探索性問題，對此，實驗室的建設需要有長期適應性和分期建設的計劃性。

5　結束語

從國際已有實踐來看，利用已有工程隧道是建設深地實驗室的重要方式。結合我國作為山地之國，整體幅員遼闊、局部地區山地地形復雜的現狀，同時隨著南水北調等多處國家重大隧道工程的實施推進，可供選擇的機會也越來越多。我國可以利用區域山脈的地質和已有工程優勢，擴展開發隧道工程來建設深地實驗室，建立多學科超低本底實驗平臺，從而推動國家基礎科學研究進程。