當好大科學裝置選址“偵察兵”

專家在中國散裂中子源場址大朗鎮水平村南現場勘查。

大科學裝置以獨具的科研條件資源，成為全球領軍人才的聚集地、全球重大原創科技成果的誕生地和解決全球重大科學問題的平臺。在土地資源日益緊張的情況下，大科學裝置的場址選擇受到多種因素制約影響，如何能為大科學裝置選一個合適的“落戶地點”，成為擺在科學家面前的一道難題。

在中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程重點實驗室正有這樣一支研究團隊，他們在研究員尚彥軍的帶領下，不斷解決大科學裝置場址選評問題。不久前，中國散裂中子源（CSNS）項目建設單位中國科學院高能物理研究所發來感謝信，對地質地球所十多年來為CSNS作出的重要貢獻給予高度評價。

從5處場址脫穎而出的大朗鎮

中國散裂中子源是位于國際前沿的高科技、多學科應用的大型研究平臺，是發展中國家的第一臺、世界四大散裂中子源之一。

早在2007年，受中國科學院高能物理研究所委托，尚彥軍及副研究員金維浚帶領團隊承擔了中國散裂中子源工程選址工程地質勘查研究項目。

尚彥軍對《中國科學報》記者說：“中國散裂中子源靶站作用在地基上壓強1兆帕，要求隧道底板不均勻沉降小于每年0.5毫米、靶站地面不均勻沉降小于每年0.2毫米。因此，散裂中子源對工程地質條件的要求及把控極為嚴苛，甚至高于高鐵的建設要求。”

散裂中子源系統裝置建設主要包括一臺直線加速器、一臺快循環同步加速器、一個靶站和一個散射大廳，根據裝置概念設計對工程建設場地的整體要求，當地推薦選取了廣東東莞5處場址。

在資料查閱及分析的基礎上，研究團隊多次對場址進行現場調研、走訪和踏勘，綜合比選后推薦大朗鎮水平村南作為散裂中子源的場址方案。

“選定場址以后，我們又經過地質勘探、室內外實驗等多種手段，驗證了我們對大朗鎮水平村南場址為建議場址的正確性。”尚彥軍說。

大朗鎮水平村南在地貌上為渾圓山體丘陵地形，基巖埋深小，地形上處于分水嶺部位。

“起初規劃場址有一處大的風化囊，場址南部有一個小山包，場地開挖存在地基不均勻沉降、南部高邊坡長期暴雨等潛在風險。后來經過多次論證，我們將對場地要求最高的、最重要的設施，即靶站及譜儀大廳做了180°旋轉，而不放在高陡邊坡下。”尚彥軍告訴記者。

散裂中子源工程于2012年5月開工建設，2018年3月通過中科院組織的工藝鑒定和驗收，性能全部達到或優于批復的驗收指標。

全力保障大科學裝置“落戶”

研究團隊近些年來先后承擔了我國中微子實驗室、高海拔宇宙射線、北京先進光源、核嬗變系統（CIADS）與重離子加速器（HIAF）等大科學裝置選址和建設有關的科研服務工作，地質工程理論研究同大科學裝置選址及建設緊密結合并取得了系列科研成果，成為了頁巖氣與地質工程重點實驗室的主要學術方向之一。

尚彥軍說：“大科學裝置的場址選擇作為新生事物，并沒有現成的規范。我們克服技術困難，一靠多年的工程經驗積累，二靠多學科和多專業交叉融合，解決一些非常規難題，當好大科學裝置選址的‘偵察兵’。”

由于大科學裝置主要是進行高科技或者精細科學研究，除對工程建設場地要求更高以外，還具有一定的特殊性要求。

高海拔宇宙射線觀測站要求選在4000米以上高海拔、氣象條件好、地質條件好的高山夷平面上，單高海拔這一項要求，就將場地限定在了西南及西北高山地區，而氣象和地質條件好的高山夷平面，更是不容易尋找。

金維浚說：“2012年至2013年我們兩次對香格里拉縣平均海拔4300米的石卡山進行了為期1個多月的現場勘查，由于高原反應嚴重，團隊成員沒有多余力氣走路，只能靠馬馱著進行勘探。”

為了屏蔽掉大氣及地下淺層對試驗有干擾的粒子，中微子實驗室需要建設在巖體質量好的深埋地層。不僅如此，它還要求場地地質條件好、周圍不能有輻射。由于開挖及深埋，在工程建設中會面臨高地應力、巖爆、突涌水等各種突發問題，這就要對場址的工程地質條件作出精確的判斷。

“一般工程勘探情況下用一種物探方法就夠了，但中微子實驗室我們用了至少4種方法勘探，甚至還用上了最先進的物探儀器。一開始美國專家不信任我們，每次工作都有人跟著，但長期工作下來，我們的技術和精神贏得了他們的尊重。”尚彥軍說。

以工程建設帶動學科發展

在服務大亞灣中微子實驗隧道、中國散裂中子源場址等8個大科學裝置場址選評過程中，研究團隊的勘查研究及建設期技術咨詢服務，保證了工程建設順利進行，同時取得了豐碩的科研成果，培養了理論緊密結合重大工程實踐的地學人才。

在工程建設過程中，研究團隊揭示了地質條件與工程的多因素相互作用、不良地質體的滯后破壞、巖體結構動態演化等規律，提出了工程調控的“巖觀法”，構建了嚴苛條件下工程場址優選與動態調控理論框架，地質條件合理利用與工程方案優化實現了良性互動。

依托散裂中子源這項國際前沿工程，研究團隊不斷獲取遞進式勘查—設計—施工建設和精細探測數據，10年來先后培養了4名地質工程博士生，取得的成果成為2014年中國巖石力學與工程學會科技進步獎一等獎的重要支撐材料之一。