利用工業(yè)隧道遺產(chǎn)建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)初探

麻　鴻, 廖晨陽, 周　波, 陳　一

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川成都 610065)

地下實(shí)驗(yàn)室既是開展粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域的一系列重大基礎(chǔ)性前沿課題研究的良好低本底環(huán)境,也是巖體力學(xué)、地球結(jié)構(gòu)演化、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的重要環(huán)境。深地實(shí)驗(yàn)室的魅力在于其環(huán)境能很好地屏蔽宇宙射線，是進(jìn)行低本底實(shí)驗(yàn)的最佳場所，有利于微弱信號(hào)的深入探測研究，從而獲取原創(chuàng)性科研成果。

本文首先概述了深地實(shí)驗(yàn)室的條件環(huán)境要求，然后列舉國內(nèi)外實(shí)踐案例的進(jìn)行比較，對(duì)利用隧道建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室的方式進(jìn)行優(yōu)勢總結(jié)，并為建設(shè)工程提出原則建議，以求對(duì)該方面進(jìn)一步深入研究有所補(bǔ)益。

1　深地實(shí)驗(yàn)室概述

地下實(shí)驗(yàn)室，特別是深地實(shí)驗(yàn)室的建立可以為國家提供綜合性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺(tái),是一個(gè)國家關(guān)鍵性重大基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施，因此建設(shè)和發(fā)展地下實(shí)驗(yàn)室對(duì)于國家的基礎(chǔ)科學(xué)研究具有重要科學(xué)意義。在過去幾十年國際興起深地實(shí)驗(yàn)室修建大潮且取得一系列科學(xué)前沿成果，然而我國對(duì)于建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室的理論與實(shí)踐研究相對(duì)缺乏，實(shí)驗(yàn)室建造也起步較晚。直到2010年建設(shè)了中國錦屏深地實(shí)驗(yàn)室。地面實(shí)驗(yàn)室因很難模擬深地原位環(huán)境的天然條件限制，而一直制約“深地”科學(xué)的探索，前沿科學(xué)研究迫切需要建立深地實(shí)驗(yàn)室。宇宙有失重效用，而深地環(huán)境有增重效應(yīng)，同時(shí)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求

實(shí)驗(yàn)室的周圍環(huán)境條件主要取決于實(shí)驗(yàn)室埋深、實(shí)驗(yàn)室圍巖兩個(gè)方面。高能宇宙射線μ介子通量隨著實(shí)驗(yàn)室深度的增加成倍降低，地質(zhì)和深度同時(shí)決定了γ通量、氡等含量。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室需要的不僅僅是一個(gè)低本底的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件，更是人的活動(dòng)環(huán)境，需要技術(shù)支持，容易、安全的進(jìn)入方式和穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。

1.2　深地實(shí)驗(yàn)室研究目的

開展地下深部科學(xué)探索，為更深入地開發(fā)利用地下空間奠定理論基礎(chǔ)。不僅對(duì)深地科學(xué)的基本規(guī)律進(jìn)行深入研究，而且利用深地獨(dú)特的天然環(huán)境，為前沿學(xué)科提供地面無法達(dá)到的試驗(yàn)條件，從而開展顛覆性科學(xué)前沿探索。

2　國內(nèi)外實(shí)踐案例

利用工程隧道建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室案例最早開始于蘇聯(lián)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(shí)驗(yàn)室開始運(yùn)作，實(shí)驗(yàn)室距離山腳500 m，室內(nèi)面積約為兩個(gè)網(wǎng)球場。隨后深地實(shí)驗(yàn)室建造發(fā)展迅猛(表1)。

3　利用隧道修建深地實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢分析

利用隧道建設(shè)實(shí)驗(yàn)室不僅可以為實(shí)驗(yàn)室提供極大的埋深，而且可以通過水平隧道進(jìn)入，大幅度降低施工難度，運(yùn)輸方便，可直接運(yùn)送大型設(shè)備，安全性高，是開展暗物質(zhì)探測等粒子物理實(shí)驗(yàn)的極佳場所。

3.1　提供屏蔽宇宙射線的超低本底實(shí)驗(yàn)環(huán)境

修建深地實(shí)驗(yàn)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(duì)宇宙射線具有很好的屏蔽作用,同時(shí)實(shí)驗(yàn)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(fā)

由于深地實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用學(xué)科范圍越來越廣，實(shí)驗(yàn)室早期大多局限于地下工程的一小部分，后期則會(huì)擴(kuò)大到整個(gè)坑道，從單一實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展也到綜合多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于利用原有隧道的舊工程本身就是對(duì)地下空間資源的集約化利用，同時(shí)使得實(shí)驗(yàn)室的前期投資少，易于研究起步發(fā)展，適宜隨著研究的深化進(jìn)行分期分階段的開發(fā)利用。

表1　國際主要實(shí)踐案例比較

3.3　交通方便，易于與外界聯(lián)系

原有隧道工程多向山體內(nèi)部水平延伸，其隧道本身即構(gòu)成與外界聯(lián)系的交通空間。例如在中國錦屏深地實(shí)驗(yàn)室可直接由山體外部直接駕車到達(dá)，使得實(shí)驗(yàn)室與外界聯(lián)系緊密，不僅易于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)輸，同時(shí)也方便工作人員的生活供給等配套服務(wù)。

4　利用隧道建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室基本原則

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)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(diào)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(shè)年增加150 km，結(jié)合高山峽谷的地勢，這些重大工程形成的隧道埋深可達(dá)500～3 000 m，形式上表現(xiàn)為深部工程。這同時(shí)為我國深地實(shí)驗(yàn)室的建造提供了很多選址建設(shè)機(jī)會(huì)。根據(jù)已有實(shí)踐案例和利用隧道的優(yōu)勢分析，對(duì)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(kuò)展開發(fā)

在實(shí)驗(yàn)室建造之前需要對(duì)選址環(huán)境進(jìn)行勘測，其中包括場址特征鑒定，獲取實(shí)際的地質(zhì)、水文、地球化學(xué)、巖體結(jié)構(gòu)及力學(xué)性狀等方面的數(shù)據(jù)資料，提供外部作用和變化所產(chǎn)生影響的信息,以及提供安全評(píng)價(jià)所需要的參數(shù)和證據(jù)，為深地實(shí)驗(yàn)室的建造提供可信的證據(jù)。在建造過程中因地制宜，順應(yīng)原有隧道工程擴(kuò)展開發(fā)建設(shè)。

4.2　地上與地下相協(xié)調(diào)，立體化開發(fā)

建設(shè)地面后勤基礎(chǔ)設(shè)施，利用好原有隧道本身實(shí)現(xiàn)內(nèi)部與外界的聯(lián)系交通作用，使得實(shí)驗(yàn)室人員出入與機(jī)器運(yùn)送更為方便快捷，地面與地下一體化，建設(shè)相互配合，協(xié)調(diào)一致，形成統(tǒng)一規(guī)劃，立體布局。

4.3　遠(yuǎn)期與近期相呼應(yīng)，可持續(xù)發(fā)展

地下空間屬于不可逆的資源，在開發(fā)之后便不能復(fù)原。深地實(shí)驗(yàn)室必須采取“科學(xué)規(guī)劃，統(tǒng)籌安排，分步實(shí)施”的方針。實(shí)驗(yàn)室洞室和基本工作環(huán)境的建設(shè)，需要科學(xué)的近期、中期、遠(yuǎn)期的發(fā)展，統(tǒng)籌安排、分步實(shí)施。與深地特殊環(huán)境與學(xué)科發(fā)展前沿相適應(yīng)，實(shí)驗(yàn)室研究的內(nèi)容也趨于多元化，如深地巖石力學(xué)、深地地震學(xué)、能源存儲(chǔ)、地?zé)崂玫纫幌盗锌茖W(xué)前沿探索性問題，對(duì)此，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)需要有長期適應(yīng)性和分期建設(shè)的計(jì)劃性。

5　結(jié)束語

從國際已有實(shí)踐來看，利用已有工程隧道是建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室的重要方式。結(jié)合我國作為山地之國，整體幅員遼闊、局部地區(qū)山地地形復(fù)雜的現(xiàn)狀，同時(shí)隨著南水北調(diào)等多處國家重大隧道工程的實(shí)施推進(jìn)，可供選擇的機(jī)會(huì)也越來越多。我國可以利用區(qū)域山脈的地質(zhì)和已有工程優(yōu)勢，擴(kuò)展開發(fā)隧道工程來建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室，建立多學(xué)科超低本底實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而推動(dòng)國家基礎(chǔ)科學(xué)研究進(jìn)程。