9月15日，被譽為“中國天眼”的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）首席科學(xué)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，F(xiàn)AST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(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，其研制和建設(shè)體現(xiàn)了我國自主創(chuàng)新能力，實現(xiàn)了我國相關(guān)裝置由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越。半個月前，中國科學(xué)院公布了2017年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎授獎建議名單（通用領(lǐng)域），F(xiàn)AST工程研究集體成功入圍。作為建設(shè)在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜地區(qū)的國家重點工程，其選址、勘察、設(shè)計、施工甚至投入使用，都離不開地質(zhì)工作。為什么會選址在偏遠的巖溶洼地？如何解決相關(guān)環(huán)境工程地質(zhì)問題？……帶著這些問題，記者近日采訪了曾經(jīng)參與過FAST規(guī)劃選址、勘查設(shè)計和施工建設(shè)的中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所研究員聶躍平、中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院總工程師殷躍平、貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司董事長沈志平等幾位工程地質(zhì)專家。
　　2016年12月16日，F(xiàn)AST入選由《自然》雜志評出的2016年度重大科學(xué)事件。而剛剛公布的2017年度中國科學(xué)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(chǎn)權(quán)、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(lǐng)先地位，為我國在科學(xué)前沿實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破提供了前所未有的機遇。其研制和建設(shè)體現(xiàn)了我國自主創(chuàng)新能力，實現(xiàn)了我國相關(guān)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(wǎng)結(jié)構(gòu)，高性能動光纜，大尺度高精度實時測量系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，取得多項技術(shù)突破，推動了我國眾多高科技領(lǐng)域的科技進步與產(chǎn)業(yè)升級，在國家重大需求方面具有重要應(yīng)用價值，將促進西部經(jīng)濟的繁榮和社會進步。這些成績和榮譽的背后，是中國科學(xué)家和科研工作者以及建設(shè)者的智慧結(jié)晶。這其中，地質(zhì)元素和構(gòu)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(jù)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(shè)想、選址、勘察、設(shè)計、施工至投入使用，歷經(jīng)20余年。1994年，中國科學(xué)院第一輪選址；2007年7月，國家發(fā)改委正式批復(fù)立項；2008年12月，F(xiàn)AST工程奠基；2011年3月，F(xiàn)AST正式開工建設(shè)；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(xué)家從中青年開始就伴隨FAST一直走到現(xiàn)在。他，就是FAST觀測臺址系統(tǒng)總工程師、中國科學(xué)院遙感與數(shù)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(zé)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(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所咨詢在全國范圍內(nèi)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(diào)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(diào)查，為在荷蘭召開的LT大會提交了《中國貴州選址調(diào)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(jù)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(jù)以往在貴州的工作經(jīng)驗和巖溶洼地的發(fā)育規(guī)律，他選擇在苗嶺分水嶺兩側(cè)的黔南州和安順地區(qū)，應(yīng)用遙感技術(shù)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(shù)據(jù)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(chǔ)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(dǎo)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(shè)想。經(jīng)過不懈的努力和扎實的研究工作，F(xiàn)SAT最終獲得國家立項。
　　聶躍平介紹，F(xiàn)AST是一個大科學(xué)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(jù)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(yīng)用遙感、GIS、虛擬技術(shù)等，對大窩凼進行了臺址的工程穩(wěn)定性、水文工程地質(zhì)、巖溶地質(zhì)災(zāi)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(guān)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(xiàn)在，20多年過去了，我從中青年開始伴隨FAST走到今天，經(jīng)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(xiàn)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(zhì)問題如何解決？
　　創(chuàng)新勘察方法，地下河洪澇災(zāi)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(zhì)環(huán)境復(fù)雜，如何解決FAST觀測臺址遇到的環(huán)境工程地質(zhì)問題？記者采訪了中國地質(zhì)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(fù)雜的巖溶災(zāi)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(zhì)問題成了FAST建設(shè)成敗的關(guān)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(shè)可行性論證技術(shù)組的工作。因其豐富的巖溶工程地質(zhì)經(jīng)驗，2008年8月，受國家天文臺的聘請，兼任了觀測臺址建設(shè)的地質(zhì)總工程師。
　　殷躍平告訴記者，F(xiàn)AST觀測臺址建設(shè)面臨的第一個難題，就是地下河洪澇災(zāi)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(dāng)時中國地質(zhì)調(diào)查局正在組織實施的西南地區(qū)巖溶地下河地質(zhì)大調(diào)查項目提供了很好的基礎(chǔ)資料，前期調(diào)查表明，這條地下暗河一直流到了廣西境內(nèi)。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(shù)十米。同時，在建設(shè)期間，土石方工程也將會改變洼地產(chǎn)流和徑流條件，從而導(dǎo)致洪澇災(zāi)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(shè)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(fēng)險。
　　第二個問題就是斷裂破碎帶的地質(zhì)工程問題。貴州的巖溶地下河往往與斷裂帶有關(guān)，技術(shù)人員現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，長達十多公里的董當(dāng)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(cè)半球冠狀的洼地工程地質(zhì)條件將出現(xiàn)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(zhì)工程問題，影響望遠鏡發(fā)射板的錨固安裝質(zhì)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(zhì)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(dǎo)致抗拔力出現(xiàn)大的差異，影響工程質(zhì)量。”于是技術(shù)人員專門在現(xiàn)場對斷裂帶進行了大量的錨桿拉拔實驗，獲得了注漿參數(shù)、錨固長度、設(shè)計錨固力等一系列參數(shù)。“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(xiàn)新的變形。”
　　第三個問題是洼地西南側(cè)分布數(shù)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(nèi)模擬，發(fā)現(xiàn)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(gòu)成了一個由巨石混合體和樁群構(gòu)成的棱體，形成了拱圈效應(yīng)，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(dāng)時的設(shè)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(shè)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(zāi)害直接摧毀望遠鏡。因此，技術(shù)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(zāi)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(shè)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(yīng)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(zhì)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(zhì)勘察經(jīng)驗很少，相應(yīng)的規(guī)范標準更是空白。為此，F(xiàn)AST觀測臺址的建設(shè)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(jīng)驗。
　　殷躍平還追憶了與南仁東教授一起在FAST觀測臺址建設(shè)現(xiàn)場工作的日子。他說：“南教授不僅親自組織深入論證地質(zhì)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(dān)任國際天文臺主席等學(xué)術(shù)職務(wù)，每天晚上要處理數(shù)百封電子郵件。他是仰望星空的前沿科學(xué)家，亦是惟精惟一的卓越工程師。”
　　如何解決開挖建設(shè)過程中遇到的巖土工程技術(shù)難題？
　　4個階段巖土工程設(shè)計不斷優(yōu)化，自主創(chuàng)新多種技術(shù)，工程設(shè)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，F(xiàn)AST臺址開挖系統(tǒng)巖土治理規(guī)模是Arecibo的5倍，總體建設(shè)規(guī)模是Arecibo的近3倍。FAST臺址巖土工程復(fù)雜程度遠高于Arecibo，是世界上利用大型巖溶洼地建設(shè)的最大工程。如此復(fù)雜而龐大的工程，其巖土工程設(shè)計至關(guān)重要。FAST工程以全新的設(shè)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(shù)投資有限公司是FAST工程臺址開挖系統(tǒng)的核心技術(shù)團隊。
　　FAST工程臺址開挖系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)計工程師、貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司第一勘測設(shè)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(shè)計被中國勘察設(shè)計協(xié)會評為2015年全國優(yōu)秀工程勘察設(shè)計獎工程勘察一等獎。該設(shè)計還獲得了國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利受理及授權(quán)4項、實用新型專利授權(quán)7項。技術(shù)成果應(yīng)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(shè)過程中，遇到的各種復(fù)雜巖土工程技術(shù)難題，為項目的安全運行奠定了可靠的基礎(chǔ)。
　　據(jù)了解，F(xiàn)AST臺址洼地內(nèi)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(xiàn)象發(fā)育集中，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜。臺址開挖系統(tǒng)設(shè)計按照動態(tài)設(shè)計原則分為方案設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、施工圖設(shè)計及現(xiàn)場設(shè)計4個階段，歷時3年半。通過4個階段巖土工程設(shè)計的不斷優(yōu)化，實現(xiàn)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(shè)計中，技術(shù)人員使用了BIM技術(shù)，開挖中心選擇技術(shù)，下拉索促動器基礎(chǔ)坐標解析技術(shù)，巖土工程信息平面表達技術(shù)，饋源塔及圈梁支撐柱位置優(yōu)化技術(shù)，排水、防沖刷技術(shù)，螺旋檢修道路優(yōu)選技術(shù)，大型構(gòu)建拼裝場地及安裝工程臨時施工場地建造技術(shù)，巖堆、危巖、邊坡綜合治理技術(shù)以及生態(tài)保護技術(shù)。這些技術(shù)的運用，達到了國際領(lǐng)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(shù)，在歷經(jīng)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(shù)則實現(xiàn)了臺址開挖量最小，地質(zhì)災(zāi)害治理費用最低等綜合優(yōu)化目標。
　　貴州正業(yè)工程技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)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(shè)所遇到的各種技術(shù)問題的研究成果，是迄今為止國內(nèi)外大型巖溶洼地綜合利用巖土工程方面集學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用為一體的第一本專著。
　　正是有了地質(zhì)人前期復(fù)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(shè)和運行。FAST運行1年來，正在為我國暗物質(zhì)本質(zhì)、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(shù)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(guān)注FAST地區(qū)環(huán)境信息綜合監(jiān)測。相信有了地質(zhì)人的“保駕護航”，F(xiàn)AST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。