我们承担了“中国天眼”FAST开挖系统的关键技术及安全性研究

具有中国独立自主知识产权的500m口径球面射电望远镜（FAST），是世界已建造的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜，其设计综合体现了我国科学技术创新能力。FAST工程不仅在规模上是独一无二的，而且台址开挖系统的建造也独树一帜。

大型射电望远镜建造设想始于1993年在日本东京召开的国际无线电科学联盟大会上，包括中国在内的10个国家的射电天文学家提出了“建造接收面积一平方千米的巨型射电望远镜”的国际合作计划，名为Square Kilometre Array（SKA）。随后，中国科学院北京天文台（现国家天文台）开始主持SKA单元工程概念的预研究，并提出了利用贵州喀斯特洼地作为台址建造世界上最大的射电望远镜，即500m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical telescope，FAST）的计划。

▲ FAST 是世界上利用大型岩溶洼地建设的最大工程。2005年12月中国科学院国家天文台正式选定贵州省平塘县克度镇大窝凼洼地为FAST工程的台址，FAST台址开挖面临着前所未有的难题

台址开挖系统是FAST工程建造的基础平台。台址大窝凼洼地发育在碳酸盐岩地下河系统中，岩溶峰丛、洼地、落水洞极为发育。洼地内大量厚度较大的古岩溶作用遗留的巨石堆积体、周围山体斜坡上的危岩体，以及周围高陡的地形都给FAST台址开挖带来了前所未有的难题。

2009年7月贵州正业工程技术投资有限公司联合国内多家相关科研院所、高等院校，共同承担了FAST开挖系统的设计研究和后期安全性评价工作，取得了一批原创性科研成果。《FAST开挖系统关键技术及安全性研究》（沈志平等著. 北京：科学出版社，2018.6）一书就是在此研究成果的基础上凝练而成的。

该书中包含了台址开挖系统关键技术及安全性研究成果，凝聚了沈志平及其团队的辛劳和智慧。其中内容涉及喀斯特洼地综合利用理论、喀斯特溶塌巨石混合体治理理论及方法、喀斯特洼地生态防排水技术、喀斯特洼地球冠形边坡的稳定性分析及治理等关键技术问题。不仅创新了喀斯特洼地综合利用的各种关键技术及安全性评价方法，也丰富和发展了喀斯特地区开挖建设理论，而且对喀斯特地区开发和促进地方经济可持续性发展，具有极重要的指导意义。

中国工程院院士

2018年3月1日

根据FAST 开挖系统建造过程中遇到的岩土工程问题，在已有的台址区域野外调查、勘察等原始资料基础上，结合大量工程经验，开展多学科理论和多技术方法的集成和创新， 为建造全球最大单口径球面射电望远镜提供了有力保障。

▲ FAST 开挖系统技术路线图

主要成果如下：

▋ 1）综合考虑影响开挖中心选择的诸多因素，建立了开挖中心选择多属性决策的数学评价模型优选出目标区域，进而通过对目标区域选择加密点进行三维曲面拟合精确求解出最优开挖中心的空间坐标，并对所得开挖中心的最优性加以验证，通过多属性决策精确优化后的开挖中心较初始开挖中心节约台址开挖系统建造成本约50%，为大型岩溶洼地高效安全的综合利用提供了新的理论依据；在精确求解最优开挖中心坐标的基础上，进一步通过BIM 模拟及仿真，最优化输出了50 个支撑柱柱基及6 个馈源塔塔基的空间坐标；首次提出了精确求解球心和索网节点连线与洼地地面三维交点坐标的空间解析方法用于精确求解索网节点坐标，以及大型岩溶洼地建造球冠形建筑场地表达多要素、多维度地质信息的时钟径向剖面技术方法。

▋ 2）针对FAST台址区溶塌巨石混合体粒径普遍较大的问题，通过离散元法研究了圆形颗粒不同相对粒径下的主动土压力，得到土压力大小随颗粒粒径尺寸变化的规律曲线，根据规律曲线提出了主动土压力作用点修正公式，修正了库仑主动土压力计算理论未考虑粒径尺寸效应的不足；针对传统锚杆加固挡墙的不足，提出了“溶塌巨石混合体整体补强加固结构”，推导了该加固结构的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性计算公式供类似工程使用；通过离散元法（UDEC）和有限元法分析了台址区内的一处溶塌巨石混合体稳定性，根据分析结论提出采用“微型组合桩群支挡结构”对其前缘进行加固，加固效果良好，为溶塌巨石混合体的治理提供了新方法。

▋ 3）分析了多种不同外形边坡的稳定性，结果表明圆形凹坡稳定性大于长直边坡，坡度较小时圆形凸坡稳定性大于长直边坡，坡度较大时凸坡稳定性略小于长直边坡，分界坡度约为80°；建立了FAST台址局部球冠形边坡在下拉索拉应力作用下的数值模型，研究结果表明下拉索拉应力对边坡无明显影响，无论是稳定性还是应力应变场，均与未受拉状态没有明显变化，为球冠形边坡的稳定性分析提供了新的分析方法。

▋ 4）针对FAST工程开挖过程中产生的888400m土石方开挖工程量，采用BIM技术精确模拟计算挖方填方工程量，通过采用“碳酸盐岩填方地基滞水结构”、洼地底部的“岩溶洼地落水洞保护装置”及“岩溶洼地曲面暗渗排水结构”，成功地为工程建设提供了两处10000m以上的大型回填拼装平台，同时降低了工程建设对地下水的干涉，为岩溶山区大型开挖工程的弃渣处理提供了新的优化解决方法；结合FAST工程所在区域的水文地质、岩溶发育及地形地貌等特点，采用适应于岩溶小流域的水文计算模型，分区精细计算每个微地貌内的洪峰流量，设计相应区域的截排水沟和排水隧道，建立了“岩溶洼地排水系统”，与“碳酸盐岩填方地基滞水结构”“岩溶洼地曲面暗渗排水结构”“岩溶洼地落水洞保护装置”共同构成的大型岩溶洼地综合防、排水系统。目前该系统已经历5个水文年的使用，应用效果良好。

▋ 5）通过UDEC数值模拟，分析了台址区圈梁以上两处纵横裂隙发育的超高边坡加固前后的稳定性，计算结果表明，加固前两处超高边坡，其坡面沿着表层斜向裂隙发生大规模滑动，边坡内部未发生明显变形，加固后由于加固结构穿过边坡表层裂隙，边坡表面未发生滑动，稳定性提升显著；进而针对加固后的两处超高边坡分别进行动力响应数值模拟分析，结果表明，地震过程中，最大位移发生在坡顶且位移较小，整个地震过程没有破坏发生，地震结束后，边坡均产生了一定的微小变形，边坡稳定性良好。加固措施不仅在静力作用下避免了边坡坡面处的滑动破坏，在动力作用下同样能够很好地控制边坡的位移，显著提高边坡的稳定性，为岩溶地区纵横交错强烈发育裂隙的超高边坡治理及地震效应分析提供了新的分析方法。

FAST开挖系统建造完成后，为保证FAST工程正常运行，同时检验上述关键技术的应用效果，项目团队于2015年4月～2016年9月对台址区内高大边坡、危岩及溶塌巨石混合体进行了变形监测，结合第三方于2014年1月～2015年7月测得的变形监测数据，得出台址区内监测点变形均呈现越来越小的变化趋势，表明FAST台址处于整体稳定状态。

该书由贵州正业工程技术投资有限公司FAST台址开挖系统核心技术团队领头人沈志平牵头，联合中国科学院国家天文台、清华大学土木工程系、中国科学院遥感与数字地球研究所、中国地质环境监测院的专家、教授共同完成。该书全面系统地反映了FAST工程台址开挖系统建设的研究成果及工程应用，是迄今为止国内外大型岩溶洼地综合利用岩土工程方面集学术研究与工程应用为一体的第一本专著，其中凝聚着很多科研工作者和工程技术人员的心血。

中国科学院国家天文台台长

2018年4月8日

特别感谢FAST发起者与奠基人南仁东教授的关怀、鼓励、支持。在台址开挖建设中，给予了大量的指导。同时也将此书献给南仁东老师，希望能够告慰他的在天之灵，并由衷地盼望FAST 能为我国尽快成为天文强国做出贡献。

NO.1

本文摘编自《FAST开挖系统关键技术及安全性研究》（沈志平等著. 北京：科学出版社，2018.6）一书“绪论”“前言”“序”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-057706-1

责任编辑：张井飞 韩 鹏 姜德君

《FAST开挖系统关键技术及安全性研究》对FAST开挖系统的设计、建造及安全性进行了系统研究。全书分为3篇10章，涉及FAST工程选址、开挖系统建造、台址开挖中心最优化选择、溶塌巨石混合体稳定性分析及加固、拉应力作用下的大型球冠形边坡稳定性评价、岩溶洼地生态及防排水综合治理、岩溶洼地超高边坡稳定性及动力响应特征分析、开挖系统长期稳定性监测和预警系统的建立等问题。第一篇介绍FAST工程概况，选址阶段的研究成果和开挖系统建造过程中开展的相关工作；第二篇介绍FAST开挖系统建造过程中遇到的5个岩土工程技术难题及所采用的关键技术，该篇也是本书的核心内容；第三篇介绍FAST开挖系统长期稳定性分析研究成果，并提出建立开挖系统灾害预警系统的工作架构。

（本文编辑：刘四旦）

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