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在大自然中尋找世界級難題的答案

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精彩觀點
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木寨嶺隧道所在的蘭海高速公路全長2600多公里,木寨嶺隧道只有15公里,但為什麼被稱為成為‘卡脖子’工程?難在哪裏?

木寨嶺隧道所在的蘭海高速公路全長2600多公里,木寨嶺隧道只有15公里,但為什麼被稱為成為‘卡脖子’工程?難在哪裏?
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木寨嶺隧道雖然只有15公里,但是它的施工難度之大,時間之長,是我們國家公路修建史上非常罕見的。

木寨嶺隧道雖然只有15公里,但是它的施工難度之大,時間之長,是我們國家公路修建史上非常罕見的。
木寨嶺隧道雖然只有15公里,但是它的施工難度之大,時間之長,是我們國家公路修建史上非常罕見的。
它難在哪呢?第一,它的構造背景非常復雜,處在幾大板塊相互作用的地帶。這裏的岩石是40-50毫米厚的板岩,這種沉積岩的薄板狀岩石展布的形式是各種各樣的,有直立的、傾斜的、水準的,還有很多褶皺形狀的。它們的破碎程度也很高,還蘊藏著比較高的地應力,也就是説它的荷載很高,強度很低。第二,它的工程是復雜的。第三是理論之難。一百多年來,在人類的隧道修建史上逐步形成了一些理論和施工方法。但是到了木寨嶺隧道工程中,我們又遇到了新的問題,原有的理論不適用了。所以構造背景之難、工程之難、理論之難疊加在一起,使得木寨嶺隧道的修建難上加難。
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世界級的難題擺在眼前,更需要智庫的力量,為突破軟岩大變形這一難題,專家們進行了哪些嘗試和自主創新?

世界級的難題擺在眼前,更需要智庫的力量,為突破軟岩大變形這一難題,專家們進行了哪些嘗試和自主創新?
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解決軟岩大變形的問題,首先得從理論上有認識。

解決軟岩大變形的問題,首先得從理論上有認識。
解決軟岩大變形的問題,首先得從理論上有認識。
力學中有一個基本假設,就是當變形為無限小的時候,彈性應變和協調方程才是成立的。什麼是大變形,什麼是小變形?當應變值小于3%,這叫小變形,3%-5%叫中變形,超過5%就叫大變形。小變形是穩定的,中變形有不穩定和破壞的可能,一旦到了大變形是必壞無疑。木寨嶺隧道達到25%-26%,是一個顯著大變形問題。

這種問題怎麼解決?首先從理論上得有認識。2017年,中國岩石力學與工程學會第三任理事長孫鈞院士,以91歲高齡親臨第一線,帶領院士、專家們奮戰了一年,進行了廣泛的調研,深入的調查,得出這個地方是世界上最難的軟岩大變形隧道。2018年8、9月份我們整個團隊進入現場,大家齊心協力做了一個實驗隧道,感悟出木寨嶺工法,在理論上叫做開挖補償法。它的道理是什麼呢?隧道裏發生的任何破壞與開挖有關,所以開挖是所有破壞的根源。一開挖支撐力在垂直方向為零,但是世界上的物質運動是守恒的,支撐力為零,就必然有增加的地方,沿著切向的方向應力集中至少兩倍以上。這是第一個效應:荷載增加了。原來沒有開挖的時候每個單元上都有三軸強度,一開挖三軸強度變為單軸強度,這就是第二個效應:強度大大下降,荷載成倍上升。結局就是破壞。但是我們又不能不挖,不挖工程怎麼辦?所以我們要想讓它不壞,就要把開挖的兩個不好的因素給它補償了。這就是開挖補償法。而且在做預應力的時候,我們把它做的很長,延伸到10米、15米,把深部圍岩的強度也利用起來。孫鈞院士交給我們的任務是把變形控制在600毫米之內,我們最後在260毫米內就全部都穩定了。就是把一個大變形的力學系統控制成小變形的力學系統。這是大自然給我們的考驗,也是大自然給我們的饋贈。

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能獲得如此巨大的突破,轉折點在哪裏?核心是什麼?

能獲得如此巨大的突破,轉折點在哪裏?核心是什麼?
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我覺得有三個階段兩個轉折點。

我覺得有三個階段兩個轉折點。
我覺得有三個階段兩個轉折點。
第一階段是在2017年之前,大家沒有辦法了,可貴的是指揮部門不懈怠,最後他們找到了孫鈞院士,而且在這個過程中,進行了艱苦卓絕的工程實踐,這是第一個轉折點。第二個轉折點是孫鈞院士把我們帶到木寨嶺隧道的現場,通過孫鈞院士的指導,我們感悟出開挖補償法的萌芽。當錨固力45噸的錨索在半小時之內打到了圍岩中,就宣告了木寨嶺隧道一定會順利竣工。道已經定了,能否打通只是器和術的問題,用什麼樣的裝備,用什麼樣的技術,用什麼樣的方法,我們是可以反覆嘗試的。
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鑾戰八年,最終得以通車,木寨嶺隧道填補了隧道工程界的哪些空白?

鑾戰八年,最終得以通車,木寨嶺隧道填補了隧道工程界的哪些空白?
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人類探討科學和工程相結合,讓它起作用的歷史是曲折的,需要幾代人的努力。

人類探討科學和工程相結合,讓它起作用的歷史是曲折的,需要幾代人的努力。
人類探討科學和工程相結合,讓它起作用的歷史是曲折的,需要幾代人的努力。
人類從淺部不斷地把隧道往深部推進,推進到淺部的時候感悟出普氏法,推進到中部的時候遇見岩石了,感悟出新奧法,再往深部推進的時候感悟出開挖補償法。

一種方法、一種理論對于探求世界的認識,是有條件的,它不是絕對真理,是相對真理。當面臨新的條件的時候,舊的理論就不適用了。但是這時候它最重要的歷史貢獻和作用是為未來問題的答案提供了基礎。新答案的起點是從舊理論為出發點開始的。所以一個新理論的産生,最大的貢獻者是原有的理論給予的啟迪。

人類認識自然界的規律是永無止境的,我們也會預見到在未來,科學家們還會感悟出另外一種方法,這就是科學。科學需要無畏的精神去追求、去探索。

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您覺得木寨嶺隧道的貫通,對于今後解決類似的隧道施工難題,以及科技強國帶來了哪些啟示?

您覺得木寨嶺隧道的貫通,對于今後解決類似的隧道施工難題,以及科技強國帶來了哪些啟示?
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科技強國實際上就是科技創新的成果在強國。

科技強國實際上就是科技創新的成果在強國。
科技強國實際上就是科技創新的成果在強國。
我們國家制定了兩個15年科技強國的戰略安排。去年我們完成了科技力量的重組,把國家重點實驗室按照國家的戰略要求進行部署,非常有成效。普氏法、新奧法對全世界的工程做出了貢獻,而木寨嶺工法將來會在新奧法的基礎上給人類的工程科學特別是隧道的軟岩大變形控制方面做出應有的貢獻,展示出科技強國的姿態、境界和成果。
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