利用工业隧道遗产建设深地实验室以实现转型升级初探

麻　鸿, 廖晨阳, 周　波, 陈　一

(四川大学建筑与环境学院， 四川成都 610065)

地下实验室既是开展粒子物理学、天体物理学及宇宙学等领域的一系列重大基础性前沿课题研究的良好低本底环境,也是岩体力学、地球结构演化、生态学等多学科开展相关实验研究的重要环境。深地实验室的魅力在于其环境能很好地屏蔽宇宙射线，是进行低本底实验的最佳场所，有利于微弱信号的深入探测研究，从而获取原创性科研成果。

本文首先概述了深地实验室的条件环境要求，然后列举国内外实践案例的进行比较，对利用隧道建设深地实验室的方式进行优势总结，并为建设工程提出原则建议，以求对该方面进一步深入研究有所补益。

1　深地实验室概述

地下实验室，特别是深地实验室的建立可以为国家提供综合性的重大基础科学研究平台,是一个国家关键性重大基础科学研究设施，因此建设和发展地下实验室对于国家的基础科学研究具有重要科学意义。在过去几十年国际兴起深地实验室修建大潮且取得一系列科学前沿成果，然而我国对于建设深地实验室的理论与实践研究相对缺乏，实验室建造也起步较晚。直到2010年建设了中国锦屏深地实验室。地面实验室因很难模拟深地原位环境的天然条件限制，而一直制约“深地”科学的探索，前沿科学研究迫切需要建立深地实验室。宇宙有失重效用，而深地环境有增重效应，同时具有无宇宙射线、无太阳光线、无氧气、高温、高压、高湿的特征。

1.1　深地实验室环境要求

实验室的周围环境条件主要取决于实验室埋深、实验室围岩两个方面。高能宇宙射线μ介子通量随着实验室深度的增加成倍降低，地质和深度同时决定了γ通量、氡等含量。实验室周围主岩也必须为具有很低的放射性，比如花岗岩、角页岩等。

深地实验室需要的不仅仅是一个低本底的实验环境条件，更是人的活动环境，需要技术支持，容易、安全的进入方式和稳定的支撑结构。

1.2　深地实验室研究目的

开展地下深部科学探索，为更深入地开发利用地下空间奠定理论基础。不仅对深地科学的基本规律进行深入研究，而且利用深地独特的天然环境，为前沿学科提供地面无法达到的试验条件，从而开展颠覆性科学前沿探索。

2　国内外实践案例

利用工程隧道建设深地实验室案例最早开始于苏联1967年在北高加索山麓水平开挖一条隧道，直通安德尔奇山脉的地下深处，并于1977年实验室开始运作，实验室距离山脚500 m，室内面积约为两个网球场。随后深地实验室建造发展迅猛(表1)。

3　利用隧道修建深地实验室优势分析

利用隧道建设实验室不仅可以为实验室提供极大的埋深，而且可以通过水平隧道进入，大幅度降低施工难度，运输方便，可直接运送大型设备，安全性高，是开展暗物质探测等粒子物理实验的极佳场所。

3.1　提供屏蔽宇宙射线的超低本底实验环境

修建深地实验室所用到的隧道工程多为高山下的铁路隧道、高速路隧道或是前水电工程等留下的隧道，隧道本身即已被高山覆盖。极深的岩石覆盖厚度对宇宙射线具有很好的屏蔽作用,同时实验室要求山体主岩具有低放射性特征。

3.2　投资少、 易起步，适合分期分阶段开发

由于深地实验室实验平台的应用学科范围越来越广，实验室早期大多局限于地下工程的一小部分，后期则会扩大到整个坑道，从单一实验扩展也到综合多项实验。对于利用原有隧道的旧工程本身就是对地下空间资源的集约化利用，同时使得实验室的前期投资少，易于研究起步发展，适宜随着研究的深化进行分期分阶段的开发利用。

表1　国际主要实践案例比较

3.3　交通方便，易于与外界联系

原有隧道工程多向山体内部水平延伸，其隧道本身即构成与外界联系的交通空间。例如在中国锦屏深地实验室可直接由山体外部直接驾车到达，使得实验室与外界联系紧密，不仅易于实验设备的运输，同时也方便工作人员的生活供给等配套服务。

4　利用隧道建设深地实验室基本原则

近年来，随着国民经济快速发展的需要，我国兴建的深部地下工程日益增多。例如西线的南水北调工程，一期工程包括244 km隧道，最长的一条73 km，最大埋深1 100 m，与川藏线等具有世界难度相比拟的隧道建设年增加150 km，结合高山峡谷的地势，这些重大工程形成的隧道埋深可达500～3 000 m，形式上表现为深部工程。这同时为我国深地实验室的建造提供了很多选址建设机会。根据已有实践案例和利用隧道的优势分析，对建造方案提出下列三条原则建议。

4.1　因地制宜，利用原有隧道工程扩展开发

在实验室建造之前需要对选址环境进行勘测，其中包括场址特征鉴定，获取实际的地质、水文、地球化学、岩体结构及力学性状等方面的数据资料，提供外部作用和变化所产生影响的信息,以及提供安全评价所需要的参数和证据，为深地实验室的建造提供可信的证据。在建造过程中因地制宜，顺应原有隧道工程扩展开发建设。

4.2　地上与地下相协调，立体化开发

建设地面后勤基础设施，利用好原有隧道本身实现内部与外界的联系交通作用，使得实验室人员出入与机器运送更为方便快捷，地面与地下一体化，建设相互配合，协调一致，形成统一规划，立体布局。

4.3　远期与近期相呼应，可持续发展

地下空间属于不可逆的资源，在开发之后便不能复原。深地实验室必须采取“科学规划，统筹安排，分步实施”的方针。实验室洞室和基本工作环境的建设，需要科学的近期、中期、远期的发展，统筹安排、分步实施。与深地特殊环境与学科发展前沿相适应，实验室研究的内容也趋于多元化，如深地岩石力学、深地地震学、能源存储、地热利用等一系列科学前沿探索性问题，对此，实验室的建设需要有长期适应性和分期建设的计划性。

5　结束语

从国际已有实践来看，利用已有工程隧道是建设深地实验室的重要方式。结合我国作为山地之国，整体幅员辽阔、局部地区山地地形复杂的现状，同时随着南水北调等多处国家重大隧道工程的实施推进，可供选择的机会也越来越多。我国可以利用区域山脉的地质和已有工程优势，扩展开发隧道工程来建设深地实验室，建立多学科超低本底实验平台，从而推动国家基础科学研究进程。