美美迎新春！这项全球首次试验结果出炉

文 ｜ 《中国科学报》 记者 李思辉 实习生 田珺

“开始！”随着指令，研究团队成员果断按下鼠标，3米开外的一个红蓝相间的庞然大物开始高速运转，并排的4台电脑控制屏上，一行行数据飞快跳跃。经过100多天的前期准备，1月30日（农历腊月二十）下午4时许，“真三维断层错动下隧道响应及抗错断技术模型试验”正式开始。这项耗时数年的研究，成败在此一举。

陈卫忠在检查试验设备运行情况。田珺/ 摄

承载这项试验的庞然大物是全球首台可模拟真三维地应力施加、隧道开挖支护、倾斜断层错动的大型试验装置。该装置由中国科学院武汉岩土力学研究所研究员陈卫忠团队和山东大学的研究人员自主设计研发。

记者跟着陈卫忠绕试验装置一周，只见这个巨大的四方体装置的外架由蓝色金属架支撑，内胆是一节节红色圆柱，里面堆填的是隧道岩土。据介绍，此次试验以新疆天山胜利隧道跨博阿活动断裂带为背景，模拟活断层错动的面有多大、错动的影响范围有多广，以及如何保证隧道跨越活断层段结构的安全运营。

一条公路要从山体、水底穿过，通向四面八方，往往离不开隧道挖掘。挖掘隧道最怕遇到地质结构不稳定的“断裂段”，世界上的许多隧道工程往往选择绕开“活动断裂段”，但在我国很多地方，断裂带绕不过去，比如正在建设的世界最长的高速公路隧道——新疆乌尉高速天山胜利隧道，全长22.13公里，在山体之下。因此，如何评估处于活动断裂带的隧道的抗震安全是一个重大工程技术难题。

陈卫忠团队凭借参与墨脱公路嘎隆拉隧道、巴基斯坦SK水电站、新疆ABH输水隧洞工程等重大工程建设的数十年经验，建立了一套隧道工程穿越活动断裂带的抗错断分析理论、抗减震材料与铰接设计方法，成果已在天山胜利隧道顺利应用。与此同时，他们还依托中交第二航务工程局有限公司试验基地，建设了中国科学院地下工程灾变与防护工程实验室，重点开展岩土及地下工程复杂条件下灾变机理与控制技术的研究。那台红蓝相间的庞然大物就是该团队设计定制的全球首个模拟断层错动下隧道结构响应平台。

“嗡嗡——”下午4时22分，试验设备开始发出低沉的轰鸣声，断层错动模拟进入关键阶段。仪器内部的岩层在外力作用下错动，在缓冲层的反作用下发生剧烈变化。

“外面看似波澜不惊，里面却波涛汹涌。”团队成员、博士研究生高厚聚精会神地盯着显示屏，看着一串串数据以更快的速度跳跃，期待着和团队小伙伴苦战许久的结果出炉。100多天前，他们背着行李来到远离武汉主城区的武汉阳逻经济开发区，在这个连路灯都不太多的试验基地蹲守，每天调试设备、更新软件、填料堆料、完善数据、更新方案，为的就是这次的试验。

“嘀嘀嘀——”下午5时40分，仪器读取数据的声音清脆悠长。团队成员、研究员谭贤君时而在设备外徘徊，时而钻进庞然大物的内部巷道中观察。他说，在实验室里模拟的断层错动场景，实际上与现场场景非常接近，只不过工程现场要比实验室危险得多。

那是2006年，谭贤君和陈卫忠一起来到西藏墨脱。墨脱县曾因没有公路被称为“高原孤岛”。墨脱公路于1975年动工，但多次被自然灾害破坏，直到挖通隧道才改建成功。墨脱公路嘎隆拉隧道是世界首条在现代冰川、跨越两个气候带地区修建的隧道，陈卫忠团队负责为其提供技术支撑。

“在墨脱待了两个多月，路边就是悬崖，我们的车比较宽，行驶时轮胎的一部分几乎是悬空的。有一次我们的车差点滑下悬崖，差点就见不到第二天的太阳了。现在回想起来还心有余悸。”谭贤君自嘲道。

正是在一批批科学家、工程师和建设者的共同努力下，目前墨脱县有了安全快速的高速公路和隧道，告别了“孤岛”的历史。陈卫忠团队在这条隧道修建中首次提出强震区泡沫混凝土吸能减震技术，于2011年获得湖北省科技进步奖一等奖，2014年获得国家科技进步奖二等奖。

“今天的试验如果成功，将非常有助于揭示断层错动作用下隧道响应特征，确定隧道抗错断设防范围，检验抗错断措施效果，保证隧道跨活断层段的安全运营。”陈卫忠说。

“有结果了！成功了！”下午6时50分，试验结果出炉！一群身穿白大褂的研究人员激动地围在显示屏前，认真端详第一份试验结果。结果表明，随着错动量的增加，隧道变形、破坏越来越严重，衬砌经历了裂缝萌生、裂缝扩展、剥落等阶段；在断层错动下，隧道明显破坏段位于断裂带两侧范围，约为断裂带宽度的1.5倍；设置了减震层、铰接接头、减震缝的隧道衬砌被破坏程度远小于未设置抗错断措施隧道，证明上述设计具有良好的抗错断效果。

“全球首次！我国科学家成功模拟三维断层下的隧道工程动力响应特征，这是中国科学院地下工程灾变与防护工程实验室2024年的一个大好消息，也是国际隧道抗错断设防领域的一个重要消息。”高厚开心地告诉《中国科学报》，“我们在这里‘闭关’几个月，功夫总算没有白费！试验成功了，大家再用几天时间整理完数据，就可以美美地回家过年了。”