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【日内瓦国际发明展金奖】隧道及地下工程技术科研团队:地下空间开发利用大有可为

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编者按: 在2022年日内瓦国际发明展览会上,大连理工大学3项科研成果获得金奖。党委宣传部(新闻中心)推出【点赞大工人·日内瓦国际发明展金奖】专栏,讲述金奖团队奋进故事,共享成功经验,汇聚学校改革发展的磅礴力量。

自2010年来大连理工大学任教以来,王峥峥老师从事隧道及地下工程技术领域研究已有12年。从寂寂无名到成果丰硕,建设工程学部隧道及地下工程技术科研团队成员也从一开始仅有王峥峥老师一人发展到现在包括覃晖老师、谭岩斌老师、张国军老师,1名博士后(已出站),4名博士生,多名硕士生在内的20余人。2022年4月,该团队科研成果——“一种激光辅助隧道掘进机及其破岩的方法”获第49届日内瓦国际发明展览会金奖。

随着中国国民经济的快速发展,国内城市化进程不断加快,我国交通基础建设需求不断增加,特别是城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程需要大量的隧道掘进机,但隧道掘进机的制造工艺复杂,技术附加值高,此前仅有少数发达国家具有能力生产,且造价高昂。近年来,国内机械制造业与国外企业生产设备水平的差距在缩小,然而工艺装备水平不高,复杂施工条件下灵活度低。“我们在多次隧道施工中发现,传统掘进机法对软硬不均、岩性多变的地质条件适应性差,且刀盘由于长时间切割岩石导致磨损,频繁更换刀具大大影响掘进效率和施工成本。”王峥峥老师说。

为解决上述问题,隧道及地下工程技术科研团队潜心研究,与多家国内一流设计院、施工单位密切合作,产学研用联合攻关,通过在掘进机刀盘上安装多个激光器,形成热破碎、熔化及汽化为主的“激光-滚刀”破岩模式,据谭岩斌老师介绍,“这个方法是利用激光高温辐射岩石,再喷水降温实现瞬时大幅温差,使岩石拉应力剧增碎裂,进而利用机械快速破岩。”由于地下隧道与地面建筑施工环境不同,需要在漆黑环境中掘进,团队想到,是否可以给隧道掘进机加上灵敏的“大脑”及明亮的“眼睛”,使它可以精准判断地质条件,提高破岩效率。经过无数个日夜的思索与实验,团队成功研发实时监测系统,“我们的系统可以对各种不同类型、强度的岩体信息进行准确研判,进而运用智能控制系统,有针对性地选择工作模式,切换相应激光器,”覃晖老师介绍道,通过“自动预判-智能调控-智慧反馈”三步增强掘进的地层适应性,确保高效辅助破岩。

科研之路并非一帆风顺,从实验室研发到施工现场实地应用的转换,让团队花了不少时间。缺少解决工程类问题的经验,就积极协调设计院和施工方,结合经验逐一进行攻克;更多时候需要团队自己学习摸索,就沉下心来,聚焦大目标进行系统性学习,再到具体的项目中去实践学到的新技能。攻坚克难的勇气和探索创新的精神,让团队成功解决项目中遇到的一个又一个难题,也让他们快速成长。最终,研发技术的实施有效降低了隧道穿越复杂地层的施工风险,全面提高西部地区隧道建设水平,具有显著经济效益和社会效益。随着“十四五”期间产业结构调整及增长方式转变,战略性新兴产业快速发展,西部大开发、振兴东北等国家战略进一步实施,隧道掘进机产业发展环境良好,项目技术推广应用前景广阔。

在持续开展激光辅助隧道掘进机研究的同时,团队一直面向国家重大需求,瞄准国际前沿开展基础研究和关键技术攻关,在隧道及地下工程技术方面进行深耕,为实现“交通强国”目标作出贡献。

隧道及地下空间防灾关乎未来城市安全和地下空间科学利用,伴随我国城镇化进程的不断推进,多重开发利用地下空间成为必然选择,也是化解空间利用与城市化进程矛盾的“良方”。无论是在建设期还是已投入营运,隧道及地下工程的防灾、抗灾和救灾工作都不可忽视。隧道及地下工程的灾害预防和治理技术专业性强、涉及面广。团队立足于21世纪我国城市地下空间重大基础设施建设中的实际需求,并与四川省交通勘察设计研究院有限公司、中铁十一局集团有限公司、中铁十七局集团有限公司、中铁二十四局集团有限公司、中国水利水电第十一工程局有限公司等十余家单位广泛开展校企合作,服务西部山区长大隧道,强力推动隧道及地下工程专业发展。在隧道及地下工程防灾攻坚战中,团队克服重重困难,重点针对地质灾害防治问题进行创新,通过多学科交叉研究研发高性能棚洞,提升防灾减灾能力,为隧道及地下工程安全作出了贡献。团队研发的关键技术在西部山区取得丰硕成果,获贵州省科技进步奖一等奖、辽宁省科技进步奖二等奖、中国交通运输协会科技奖一等奖、中国铁建科技奖一等奖等省部级科技奖励10余项,并入选中国交通运输协会科技创新青年奖、大连市高端人才等。

中国“双碳”大时代已经拉开帷幕,地下空间是应对气候变化、维护全球生态的“第二战场”。王峥峥老师告诉记者:“碳达峰、碳中和主要有两个方面,一是降低碳排放,二是做到碳的负排放,也就是碳的吸收。碳中和就是两者抵消,地下空间开发对这两个方面都可以产生重大作用。”地下空间是封闭空间,因此需要解决照明、通风、排水等问题,是一个复杂的综合性学科。在具体实施中,需要将“低碳、节能、环保”理念贯穿始终,实现地下空间功能性与生态环境的和谐统一。朝着实现碳达峰、碳中和的目标,团队继续在地下空间开发领域探索实践。

“地下空间的开发利用,需要更多年轻人加入。”王峥峥老师说,在具体研究中,他更加注重对学生的能力培养。科研新人走入科学研究初期,需要完成从课堂学习到实验、自主学习的转变。科研无捷径,唯勤能补拙,所有的成就都归功于厚积薄发。隧道和地下工程用于开辟人类生存和发展的第二空间,有着广阔的发展前景。未来,隧道及地下工程技术科研团队将继续潜心科研攻关,砥砺奋斗,将安全、优质、环保的隧道技术推向世界。

编辑:小鹿

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