何满潮院士：解决软岩大变形的问题，得从理论上有认识
2023-09-18
来源：煤炭工业
何满潮，矿山工程岩体力学专家，中国科学院院士，中国矿业大学（北京）教授、博士生导师，隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室主任。
新华网：木寨岭隧道所在的兰海高速公路全长2600多公里，木寨岭隧道只有15公里，但为什么被称为成为‘卡脖子’工程？难在哪里？
何满潮：木寨岭隧道虽然只有15公里，但是它的施工难度之大，时间之长，是我们国家公路修建史上非常罕见的。 它难在哪呢？第一，它的构造背景非常复杂，处在几大板块相互作用的地带。这里的岩石是40-50毫米厚的板岩，这种沉积岩的薄板状岩石展布的形式是各种各样的，有直立的、倾斜的、水平的，还有很多褶皱形状的。它们的破碎程度也很高，还蕴藏着比较高的地应力，也就是说它的荷载很高，强度很低。 第二，它的工程是复杂的。第三是理论之难。一百多年来，在人类的隧道修建史上逐步形成了一些理论和施工方法。但是到了木寨岭隧道工程中，我们又遇到了新的问题，原有的理论不适用了。所以构造背景之难、工程之难、理论之难叠加在一起，使得木寨岭隧道的修建难上加难。 新华网：世界级的难题摆在眼前，更需要智库的力量，为突破软岩大变形这一难题，专家们进行了哪些尝试和自主创新？
何满潮：解决软岩大变形的问题，首先得从理论上有认识。 力学中有一个基本假设，就是当变形为无限小的时候，弹性应变和协调方程才是成立的。什么是大变形，什么是小变形？当应变值小于3%，这叫小变形，3%-5%叫中变形，超过5%就叫大变形。小变形是稳定的，中变形有不稳定和破坏的可能，一旦到了大变形是必坏无疑。木寨岭隧道达到25%-26%，是一个显著大变形问题。 这种问题怎么解决？首先从理论上得有认识。2017年，中国岩石力学与工程学会第三任理事长孙钧院士，以91岁高龄亲临第一线，带领院士、专家们奋战了一年，进行了广泛的调研，深入的调查，得出这个地方是世界上最难的软岩大变形隧道。2018年8、9月份我们整个团队进入现场，大家齐心协力做了一个实验隧道，感悟出木寨岭工法，在理论上叫做开挖补偿法。它的道理是什么呢？隧道里发生的任何破坏与开挖有关，所以开挖是所有破坏的根源。一开挖支撑力在垂直方向为零，但是世界上的物质运动是守恒的，支撑力为零，就必然有增加的地方，沿着切向的方向应力集中至少两倍以上。这是第一个效应：荷载增加了。原来没有开挖的时候每个单元上都有三轴强度，一开挖三轴强度变为单轴强度，这就是第二个效应：强度大大下降，荷载成倍上升。结局就是破坏。但是我们又不能不挖，不挖工程怎么办？所以我们要想让它不坏，就要把开挖的两个不好的因素给它补偿了。这就是开挖补偿法。而且在做预应力的时候，我们把它做的很长，延伸到10米、15米，把深部围岩的强度也利用起来。孙钧院士交给我们的任务是把变形控制在600毫米之内，我们最后在260毫米内就全部都稳定了。就是把一个大变形的力学系统控制成小变形的力学系统。这是大自然给我们的考验，也是大自然给我们的馈赠。新华网：能获得如此巨大的突破，转折点在哪里？核心是什么？
何满潮：我觉得有三个阶段两个转折点。
第一阶段是在2017年之前，大家没有办法了，可贵的是指挥部门不懈怠，最后他们找到了孙钧院士，而且在这个过程中，进行了艰苦卓绝的工程实践，这是第一个转折点。第二个转折点是孙钧院士把我们带到木寨岭隧道的现场，通过孙钧院士的指导，我们感悟出开挖补偿法的萌芽。当锚固力45吨的锚索在半小时之内打到了围岩中，就宣告了木寨岭隧道一定会顺利竣工。道已经定了，能否打通只是器和术的问题，用什么样的装备，用什么样的技术，用什么样的方法，我们是可以反复尝试的。
新华网：銮战八年，最终得以通车，木寨岭隧道填补了隧道工程界的哪些空白？
何满潮：人类探讨科学和工程相结合，让它起作用的历史是曲折的，需要几代人的努力。 人类从浅部不断地把隧道往深部推进，推进到浅部的时候感悟出普氏法，推进到中部的时候遇见岩石了，感悟出新奥法，再往深部推进的时候感悟出开挖补偿法。 一种方法、一种理论对于探求世界的认识，是有条件的，它不是绝对真理，是相对真理。当面临新的条件的时候，旧的理论就不适用了。但是这时候它最重要的历史贡献和作用是为未来问题的答案提供了基础。新答案的起点是从旧理论为出发点开始的。所以一个新理论的产生，最大的贡献者是原有的理论给予的启迪。 人类认识自然界的规律是永无止境的，我们也会预见到在未来，科学家们还会感悟出另外一种方法，这就是科学。科学需要无畏的精神去追求、去探索。新华网：您觉得木寨岭隧道的贯通，对于今后解决类似的隧道施工难题，以及科技强国带来了哪些启示？
我们国家制定了两个15年科技强国的战略安排。去年我们完成了科技力量的重组，把国家重点实验室按照国家的战略要求进行部署，非常有成效。普氏法、新奥法对全世界的工程做出了贡献，而木寨岭工法将来会在新奥法的基础上给人类的工程科学特别是隧道的软岩大变形控制方面做出应有的贡献，展示出科技强国的姿态、境界和成果。
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