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从地底探索宇宙——地下工程如何助力前沿科学研究?

     发布:2026/5/14   浏览:+ 放大字体 | - 减小字体

摘 要:前沿科学的研究给大型地下科研设施带来了巨大的建设需求,也给地下空间的应用带来了创新活力,但地下研究设施的建设规模与环境要求也给建设提出了新的要求。本期,小编就带大家一起看看国外的大型地下科研设施,看看它们给地下工程行业带来了哪些机遇与挑战吧!

爱因斯坦引力波天文台计划

引力波天文台的设计目标是精准捕捉引力波,也就是广义相对论中提到的“时空涟漪”。由于引力波天文台内部的主体——长臂状的激光干涉仪敏感度极高,极易被地震、交通、风噪等“背景噪声”淹没;相比地面,地下环境天然屏蔽了大量干扰信号,可显著降低地震波与压缩波引起的重力梯度噪声的影响。

爱因斯坦引力波天文台设想

运行中的美国LIGO引力波天文台(华盛顿州汉福德探测器)

爱因斯坦引力波天文台项目正处在规划阶段,预计将建设在比利时-德国-荷兰三国交界地区或意大利撒丁岛北部地区,项目团队仍在对候选地点在进行勘察,并对环境噪声进行特征分析。

可能的选址地点

天文台的核心结构已经基本确定,将由三条长约10km,直径超6m的隧道组成,呈等边三角形状。每个角将建造一个主洞室,长度约190m、高度30m、跨度20m,用以安装重要仪器。

基本布局

同时,每个主洞室内还将配套辅助洞室及功能隧道,包括:

竖井或斜井:连接施工及运维通道;

排水井与排水隧道:控制地下水位,保持结构干燥;

通风与运维通道:保障施工与运营安全。

结构设计

主要挑战

引力波天文台建设面临的主要技术挑战是其布局的复杂性,三角形结构与拐角处进行复杂的多洞室施工是建设的难点;隧道本身的设计也带来了技术挑战,用于容纳干涉仪的主隧道必须要保持水平,既不利于排水,又对洞室和隧道的防水提出了更高的要求。

拐角处的洞室结构

DUNE深层地下中微子实验基地

中微子常被称为“幽灵粒子”,它可以轻易地穿过各种物质,人类却无法察觉。通过对中微子的观测,能够让科学家更加了解微观世界的物理现象,完善恒星与黑洞的相关模型。

实验流程

DUNE深层地下中微子实验基地是美国正在建设的大型地下科研设施,该设施内部将容纳4台新型中微子探测器,每个探测器内都含有17500t液氩,用于探测通过它们的中微子。

实验设备

整个设施由美国南达科他州的一个废弃矿井改建,位于地表以下约1.5km处,设施保护两个巨大的洞室,每个洞穴宽约20m,高约8.5m,长约46m。

实验基地整体设计

施工中的洞室

目前,工程的挖掘工作已经全部完成,项目团队已经开始安装探测器和研究设施日常运维系统;同时,项目团队正在准备安装用于容纳中微子探测器、总重约4500t的钢结构。第一个探测器预计在2028年底前投入运行。

主要挑战

为了在约1.5km地下建设庞大的地下洞室,施工人员需要拆卸重型开挖设备,并利用现有竖井将其逐一运送到地下,位于地下的工人们再重新组装这些设备,随后进行开挖。

洞室施工

项目在施工过程中挖出近800,000t硬岩渣土,其运输,堆放以及过程中产生的粉尘污染也是一个重大挑战。据此,施工团队决定在出土中使用增粘剂,使粉尘黏附在石块上,不会被风吹走;在大风天气下,施工团队则停止向堆放场倾倒岩石。通过这些方式,粉尘问题得到了有效控制。

出土(岩石)露天堆放场

未来环形对撞机

强子对撞机是人类探索微观粒子和进一步研究高能物理学的必要实验设备,目前正在运作的大型强子对撞器(LHC)已取得了许多研究成果。然而,科学家们认为,若想要进一步获得探索发现,仍需要更大更强的强子对撞机,也需要一条更大的隧道来容纳,因此提出了未来环形对撞机(FCC)项目。

现有的大型强子对撞器(LHC)内景

截至目前,未来环形对撞机的设计规划进行了多次修改,在欧洲核子研究组织(CERN)最新设计方案中,项目选址已定于日内瓦地区,横跨瑞士和法国两国边境。项目中的主要地下结构将包括:

1.一条长90.6km、直径5.5m、平均深度约200m的近圆形主隧道;

2.12个主竖井,直径12-18m,深度140-400m;

3.总长10km的运输隧道和总长3.5km的联络隧道;

4.8个长60-100m,高15m,宽25m的服务洞室,4个长66m,高25-35m,宽25m的试验洞室;

5.大量地下电气室,连接洞室和管廊。

地理位置

结构设计

主要挑战

12个主竖井,90.6km的主隧道,8个主洞室以及大量配套设施的带来的巨大工程量是项目最大的挑战。除此之外,项目规划路线中穿越的石灰岩区域很可能存在喀斯特地貌,开挖难度较大,还容易出现渗水和不稳定。此外,项目施工过程中预计将会产生千万吨量级的出土,如何在欧洲腹地运输和处理这些渣土也是项目所面对的一个重大挑战。

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