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　　9月15日，被譽為“中國天眼”的國家重大科技基礎設施500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）首席科學家、總工程師南仁東先生逝世，社會各界深切緬懷。就在一年前的今天，FAST在貴州省黔南州平塘縣大窩凼落成啟用。它是具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，其研制和建設體現了我國自主創(chuàng)新能力，實現了我國相關裝置由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越。半個月前，中國科學院公布了2017年度中國科學院杰出科技成就獎授獎建議名單（通用領域），FAST工程研究集體成功入圍。作為建設在地質環(huán)境復雜地區(qū)的國家重點工程，其選址、勘察、設計、施工甚至投入使用，都離不開地質工作。為什么會選址在偏遠的巖溶洼地？如何解決相關環(huán)境工程地質問題？……帶著這些問題，記者近日采訪了曾經參與過FAST規(guī)劃選址、勘查設計和施工建設的中國科學院遙感與數字地球研究所研究員聶躍平、中國地質環(huán)境監(jiān)測院總工程師殷躍平、貴州正業(yè)工程技術投資有限公司董事長沈志平等幾位工程地質專家。
　　2016年12月16日，FAST入選由《自然》雜志評出的2016年度重大科學事件。而剛剛公布的2017年度中國科學院杰出科技成就獎授獎建議名單，認為研究集體按期建成具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡FAST，在未來10~20年將保持世界領先地位，為我國在科學前沿實現重大原創(chuàng)突破提供了前所未有的機遇。其研制和建設體現了我國自主創(chuàng)新能力，實現了我國相關裝置由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越；擁有3項自主創(chuàng)新：利用貴州天然喀斯特巨型洼地作為望遠鏡臺址，自主發(fā)明主動變形反射面，自主提出輕型索拖動饋源支撐系統(tǒng)和并聯(lián)機器人；研發(fā)了高強度高精度大跨度索網結構，高性能動光纜，大尺度高精度實時測量系統(tǒng)等一系列關鍵核心技術，取得多項技術突破，推動了我國眾多高科技領域的科技進步與產業(yè)升級，在國家重大需求方面具有重要應用價值，將促進西部經濟的繁榮和社會進步。這些成績和榮譽的背后，是中國科學家和科研工作者以及建設者的智慧結晶。這其中，地質元素和構成必不可少。
　　為什么選址在大窩凼天然喀斯特巨型洼地？
　　選址工作跟進十多年，最后根據野外考察、模擬計算和綜合評價優(yōu)選臺址FAST工程從初步的設想、選址、勘察、設計、施工至投入使用，歷經20余年。1994年，中國科學院第一輪選址；2007年7月，國家發(fā)改委正式批復立項；2008年12月，FAST工程奠基；2011年3月，FAST正式開工建設；2016年9月25日，“中國天眼”正式落成,“天眼”開眼。
　　在這20多年里，有一位科學家從中青年開始就伴隨FAST一直走到現在。他，就是FAST觀測臺址系統(tǒng)總工程師、中國科學院遙感與數字地球研究所研究員聶躍平博士。“利用貴州天然喀斯特巨型洼地作為望遠鏡臺址，是整個系統(tǒng)工程3項自主創(chuàng)新之一！”在他的辦公室，聶躍平自豪地告訴記者。
　　作為FAST選址的主要負責人，曾在貴州省地礦局科研所工作過的聶躍平對“中國天眼”落戶貴州功不可沒。
　　1994年夏天，中科院原北京天文臺（2001年國家天文臺成立）副臺長南仁東和彭勃博士等到中國科學院遙感與數字地球研究所咨詢在全國范圍內尋找適合建造大射電望遠鏡洼地事宜，之后便委托聶躍平到貴州做一次針對性的野外調查。同年8月至9月，聶躍平到平塘、普定等地進行了1個多月的實地調查，為在荷蘭召開的LT大會提交了《中國貴州選址調查報告》，并得到大會充分肯定。隨后，便開始了漫長的FAST探尋之路。
　　1994年底，中國天文界以北京天文臺為核心，組成LT（SKA）中國推進委員會，推薦聶躍平為臺址評價組組長。根據選址要求，選擇的洼地必須符合盡可能圓、既要交通方便又要相對隔離、臺址穩(wěn)定、沒有無線電干擾等若干要求。
　　聶躍平告訴記者，貴州雖然洼地眾多，分布面積廣泛，但要找到符合上述條件的洼地也十分困難。因此，根據以往在貴州的工作經驗和巖溶洼地的發(fā)育規(guī)律，他選擇在苗嶺分水嶺兩側的黔南州和安順地區(qū)，應用遙感技術手段進行先期普查，然后在地形圖上逐一標注，建立了300多個能夠進行各種指標查詢的洼地數據庫，并完成了《大型射電望遠鏡中國貴州選址研究報告》博士后出站論文。在此基礎上，聶躍平和中國推進委員會主任南仁東、副主任彭勃、國際LT中國代表吳盛殷、荷蘭天文專家理查德先后到平塘、普定對部分洼地進行考察和電波干擾情況測量。1995年10月，LT第三次國際會議在貴州省貴陽市召開，會議代表到平塘、普定對洼地進行實地考察，對中國貴州選址給予了高度評價。
　　1997年，LT（SKA）中國推進委員會提出了LT（SKA）中國工程概念先導單元，即由我國獨立建造一面世界最大單口徑球面望遠鏡的創(chuàng)新方案的初步設想。經過不懈的努力和扎實的研究工作，FSAT最終獲得國家立項。
　　聶躍平介紹，FAST是一個大科學工程，對洼地的要求隨著工程的不斷優(yōu)化而改變，對洼地的直徑要求從開始的300米、350米、400米直到500米，因此選址工作一直跟進了十多年。最后根據野外考察、模擬計算和綜合評價，優(yōu)選出平塘大窩凼洼地作為FAST觀測臺址。FAST立項后，選址組圍繞FAST對臺址的嚴苛要求，應用遙感、GIS、虛擬技術等，對大窩凼進行了臺址的工程穩(wěn)定性、水文工程地質、巖溶地質災害、周邊環(huán)境、工程開挖量等一系列工程問題展開了工程性研究，并向國家天文臺FAST項目指揮籌備組提交了相關報告，肯定了大窩凼可作為FAST觀測臺址的可行性。
　　“從1994年到現在，20多年過去了，我從中青年開始伴隨FAST走到今天，經歷了漫長的時間考驗，也遇到種種困難。但是一想到能利用家鄉(xiāng)的地利優(yōu)勢實現FAST工程，就感到無比欣慰!”對此，聶躍平感慨萬千。
　　FAST觀測臺址遇到的環(huán)境工程地質問題如何解決？
　　創(chuàng)新勘察方法，地下河洪澇災害、斷裂破碎帶、巨石混合體、松動巖體、球冠狀邊坡等問題被逐一破解我國西南巖溶地區(qū)地質環(huán)境復雜，如何解決FAST觀測臺址遇到的環(huán)境工程地質問題？記者采訪了中國地質環(huán)境監(jiān)測院總工程師殷躍平，他也是這次杰出科技成就獎授獎建議名單中唯一一位中科院系統(tǒng)外的貢獻者。“地表像是一口直徑達500米的大鍋，地下卻是非常復雜的巖溶災害體。”殷躍平開門見山地告訴記者。
　　FAST觀測臺址選定大窩凼場洼地后，地質問題成了FAST建設成敗的關鍵。2006年4月，殷躍平初次受國家天文臺邀請，參加了FAST觀測臺址建設可行性論證技術組的工作。因其豐富的巖溶工程地質經驗，2008年8月，受國家天文臺的聘請，兼任了觀測臺址建設的地質總工程師。
　　殷躍平告訴記者，FAST觀測臺址建設面臨的第一個難題，就是地下河洪澇災害。這里地處貴州高原到廣西丘陵平原地區(qū)的斜坡地帶，串珠狀的峰叢峰林洼地非常發(fā)育。表面上看，它是一個完整的洼地，實際上大窩凼洼地底部（即鍋底）50多米深發(fā)育有貴州最大的地下河——大小井巖溶地下暗河。
　　“當時中國地質調查局正在組織實施的西南地區(qū)巖溶地下河地質大調查項目提供了很好的基礎資料，前期調查表明，這條地下暗河一直流到了廣西境內。它通過漏斗和落水洞將大窩凼與地下河建立了水力聯(lián)系，這意味著地下水動態(tài)變化非常大，在極端暴雨的情況下，地下河水將上漲數十米。同時，在建設期間，土石方工程也將會改變洼地產流和徑流條件，從而導致洪澇災害。”后來，針對這一問題，可行性方案提出了新型的螺旋形加放射狀截排水措施，并沿洼地底部設立了1公里長的泄洪隧洞，從根本上消除了FAST場地的洪澇風險。
　　第二個問題就是斷裂破碎帶的地質工程問題。貴州的巖溶地下河往往與斷裂帶有關，技術人員現場工程地質勘察發(fā)現，長達十多公里的董當斷裂帶自北向南穿過，將大窩凼洼地切割成了東西兩半。由此，東西二側半球冠狀的洼地工程地質條件將出現差異性，即隨時間的推移，望遠鏡可能存在變形差異，而且斷裂破碎帶的軟弱性也將帶來地質工程問題，影響望遠鏡發(fā)射板的錨固安裝質量。“望遠鏡有2400多個三角形反射塊，像魚鱗片一樣。用錨桿與下面的地層固定，如果有斷裂破碎帶，注漿質量會下降。錨桿施工后，如果斷裂帶溶蝕嚴重的話，注漿時漏漿量會很大，導致抗拔力出現大的差異，影響工程質量。”于是技術人員專門在現場對斷裂帶進行了大量的錨桿拉拔實驗，獲得了注漿參數、錨固長度、設計錨固力等一系列參數。“比如注漿中加一些早強劑，防止它漏失，讓它固定住，不會出現新的變形。”
　　第三個問題是洼地西南側分布數百萬立方米的大型溶塌崩塌堆積體，正好位于望遠鏡圈梁附近，開挖擾動后將帶來滑坡問題。“這些堆積體在大小井地下河系演化過程中，由巖溶動力侵蝕形成，具有一定的穩(wěn)定性。但是，被切腳臨空后，穩(wěn)定性將會降低。我們通過抗剪試驗和室內模擬，發(fā)現這種溶塌崩塌堆積體和傳統(tǒng)的滑坡堆積體是不一樣的。我把它稱為‘巨石混合堆積體’，它與下伏基巖界面形成了點摩擦，有一定的嵌固性，抗剪強度要高，可以按照代換補強的思路，采用小口徑組合樁群加注漿的措施對前緣進行加固，這樣就構成了一個由巨石混合體和樁群構成的棱體，形成了拱圈效應，對巨石混合體起到了支擋作用，確保了望遠鏡的安全。”殷躍平展開當時的設計剖面圖，向記者解釋道。
　　第四個問題就是古地下河的卸荷松動巖體穩(wěn)定問題。殷躍平介紹，在大窩凼洼地3點鐘到5點鐘一帶，出露有一古地下河通道，洞口巖體破碎，形成了大范圍的松動巖體。如果在FAST觀測臺址建設和運行過程中，不對這些松動巖體進行加固的話，將會形成崩塌滾石災害直接摧毀望遠鏡。因此，技術人員在對這些松動巖體進行系統(tǒng)防護的同時，還重點對12處穩(wěn)定性很差的危巖體進行了清除或整體加固，避免了崩塌滾石災害的發(fā)生。
　　第五個問題就是開挖邊坡的穩(wěn)定性評價和加固問題。FAST觀測臺址并不是嚴格的球型洼地，施工建設過程中需要切凸補凹，形成均勻性很差的球冠狀邊坡。而這種邊坡具有越向底部，應力越集中的特點，采用傳統(tǒng)的平面分析方法就不行了，因此，他們提出了基于倉儲理論等的三維評價方法，并取得了很好的效果。
　　FAST觀測臺址的工程地質勘察評價，也探索出了一套新方法。在此之前，我國對平緩場地和山地的勘察方法較為成熟，并形成了國家標準，但對大型、特大型巖溶洼地的工程地質勘察經驗很少，相應的規(guī)范標準更是空白。為此，FAST觀測臺址的建設形成和改進了很多勘察方法，為今后實施同類工程積累了經驗。
　　殷躍平還追憶了與南仁東教授一起在FAST觀測臺址建設現場工作的日子。他說：“南教授不僅親自組織深入論證地質解決方案，而且多次與我們到洼地陡坡查看危巖滑坡等。他可謂惜時如命，白天與我們一起進行野外查勘、解決問題，晚上匆匆忙忙吃完飯，又伏案熬夜。南教授告訴我，他擔任國際天文臺主席等學術職務，每天晚上要處理數百封電子郵件。他是仰望星空的前沿科學家，亦是惟精惟一的卓越工程師。”
　　如何解決開挖建設過程中遇到的巖土工程技術難題？
　　4個階段巖土工程設計不斷優(yōu)化，自主創(chuàng)新多種技術，工程設計獲得多項國家專利在FAST之前，世界上最大單口徑射電望遠鏡是美國Arecibo望遠鏡。如今，FAST臺址開挖系統(tǒng)巖土治理規(guī)模是Arecibo的5倍，總體建設規(guī)模是Arecibo的近3倍。FAST臺址巖土工程復雜程度遠高于Arecibo，是世界上利用大型巖溶洼地建設的最大工程。如此復雜而龐大的工程，其巖土工程設計至關重要。FAST工程以全新的設計思路，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠鏡的新模式。其中，貴州正業(yè)工程技術投資有限公司是FAST工程臺址開挖系統(tǒng)的核心技術團隊。
　　FAST工程臺址開挖系統(tǒng)現場設計工程師、貴州正業(yè)工程技術投資有限公司第一勘測設計院巖溶地基研究所所長吳斌告訴記者，由該公司完成的FAST工程臺址開挖巖土工程設計被中國勘察設計協(xié)會評為2015年全國優(yōu)秀工程勘察設計獎工程勘察一等獎。該設計還獲得了國家知識產權局發(fā)明專利受理及授權4項、實用新型專利授權7項。技術成果應用于FAST工程，系統(tǒng)解決了大型巖溶洼地，薄殼巖溶巖體精細開挖建設過程中，遇到的各種復雜巖土工程技術難題，為項目的安全運行奠定了可靠的基礎。
　　據了解，FAST臺址洼地內地形起伏大、坡度陡，大型巖堆、溶蝕峰林、大型溶溝、溶槽、溶蝕裂隙密布，各種巖溶不良現象發(fā)育集中，工程地質及水文地質條件極為復雜。臺址開挖系統(tǒng)設計按照動態(tài)設計原則分為方案設計、優(yōu)化設計、施工圖設計及現場設計4個階段，歷時3年半。通過4個階段巖土工程設計的不斷優(yōu)化，實現了最初方案開挖投資1.85億元，優(yōu)化到最終開挖投資0.97億元的最佳開挖效果。設計中，技術人員使用了BIM技術，開挖中心選擇技術，下拉索促動器基礎坐標解析技術，巖土工程信息平面表達技術，饋源塔及圈梁支撐柱位置優(yōu)化技術，排水、防沖刷技術，螺旋檢修道路優(yōu)選技術，大型構建拼裝場地及安裝工程臨時施工場地建造技術，巖堆、危巖、邊坡綜合治理技術以及生態(tài)保護技術。這些技術的運用，達到了國際領先水平。其中，國家發(fā)明專利“一種巖溶洼地排水系統(tǒng)”技術，在歷經4個水文年的考驗后，證明其排水性能良好，臺址區(qū)未發(fā)生任何水患問題；而開挖中心選擇技術則實現了臺址開挖量最小，地質災害治理費用最低等綜合優(yōu)化目標。
　　貴州正業(yè)工程技術投資有限公司董事長沈志平向記者介紹，他們自主創(chuàng)新過程中形成的大量關鍵技術已經匯總并將出版專著。專著全面系統(tǒng)地反映了FAST工程臺址開挖系統(tǒng)建設所遇到的各種技術問題的研究成果，是迄今為止國內外大型巖溶洼地綜合利用巖土工程方面集學術研究與工程應用為一體的第一本專著。
　　正是有了地質人前期復雜而周密的工作，才保證了FAST系統(tǒng)工程的成功選址以及安全建設和運行。FAST運行1年來，正在為我國暗物質本質、宇宙進化、太空生命起源和尋找地外文明等研究提供著重要支撐，貴州正業(yè)工程技術投資有限公司也在不斷對工程進行回訪記錄，未來他們還將關注FAST地區(qū)環(huán)境信息綜合監(jiān)測。相信有了地質人的“保駕護航”，FAST將會更加安全而有效地運行，為人類探索外太空提供更多的線索。