“在國家、天津市等有關部門以及中交集團的大力支持下，中交一航局建立起來了這臺大型巖土工程試驗利器，作為國內企業界首臺土工離心機，將為今后解決和指導重大工程建設中的地基沉降、穩定性等工程難題發揮重要作用。”9月23日，中交天津港研院（以下簡稱“港研院”）巖土所模型試驗室主任王雪奎笑著對記者介紹說。

在巖土工程研究領域，土工離心機是大家公認的重大裝備，近些年來國內外的交通運輸重大基礎設施建設的問診把脈中它從來沒有缺席過。2021年7月，TPEI-200土工離心機正式投入使用，它是國內外為數不多的神器，也是港研院近些年來投入最大的單項研發裝備之一。土工離心機有何作用？建設難點何在？應用效果如何？近日，記者走近港研院，以TPEI-200土工離心機為切入點，探尋土工離心機背后的故事。

【資料圖】

壓縮時空 呈現最真實變化

拖動電機、減速機、轉臂系統組成機械骨架，稀油站、高壓油源、油氣管路等組成血液系統，傳感器、光電系統、計算機組成神經網絡……走進港研院巖土所模型試驗室，一個“腰寬”8米、身高6米的劍形機器躍入眼簾，這就是TPEI-200土工離心機。

“在港航等基礎設施建設項目中，凡是涉及工程建設中的結構強度、地基穩定性、變形、地基與結構相互作用等方面的技術問題，都可以先上土工離心上去體驗一下，尤其是那些重大工程的疑難雜癥問題，沒有先例、缺乏經驗。”王雪奎指著TPEI-200土工離心機介紹說。

土工離心機能夠產生加速分離、能量強化、時空壓縮等三種基本科學效應，從而可以用小尺寸模型去還原大尺寸原型建筑的受力狀況，對大部分巖土工程問題進行深入研究，為設計和施工提供技術支撐，更好地指導實踐。

王雪奎介紹，像港珠澳大橋等重特大工程，都需要對一些重要部位進行按比例縮小后的模型試驗，通過試驗來驗證和優化調整工程的材料、尺寸、形狀等重要參數，土工離心機最適合解決這一類難題。“舉個例子，想知道100米高的邊坡的長期穩定性，只需要在土工離心機上造一個1m高的模型，再用土工離心機施加上100倍重力加速度的重力場，就能模擬實際效果。”

“土工離心機還擁有著‘壓縮時空，瞬息萬年’的作用，可以說土工離心機方一日，工程已百年。”中交一航局副總工葉國良作為資深的巖土工程人更是一語中的。

根據時間相似規律，土工離心機上幾十分鐘的試驗，可以模擬現實工程數年的施工過程，是目前最先進、最有效的一種研究問題的方法。以TPEI-200土工離心機為例，項目模型在離心機上試驗1分鐘所發生的變化，相當于實際工程4萬分鐘所發生的變化。

披荊斬棘 多年期盼終成真

2021年7月23日，港研院臨港科研試驗基地里一派熱火朝天：校核比尺，檢查激光位移計、土壓力計、應變片……一項項試驗前的準備工作正在緊鑼密鼓地向前推進。就在當天，要完成TPEI-200土工離心機第一次試驗任務，這一刻，港研人已整整等待了15年。

TPEI-200土工離心機的建成十分不易。從2006年港研院向交通運輸部提交建設土工離心機立項申請開始，到2008年交通運輸部正式批復；從2006年底港研院向上級提交用于安置土工離心機等的科研試驗基地建設申請報告，到2012年中交集團正式批準。在TPEI-200土工離心機動工建設之前，港研院花了6年時間對建設方案不斷進行優化。

“和前幾代港研人的等待比起來，我們是幸運的！”回憶起這段經歷，時任港研院總經理李樹奇滿是自豪。

進入建設階段，一切也并非一帆風順。面臨缺少技術團隊、缺少工作經驗，港研院一方面積極引進具有離心機試驗經驗的高學歷人才，一方面走訪有土工離心機建設維護經驗的高等校院、研制單位，對離心機的規劃、設計、建設方案可謂精雕細琢，最終形成了具有鮮明特色的土工離心機建設方案。

2019年10月，TPEI-200土工離心機系統正式進入安裝調試階段，系統整體由拖動、轉動、數采、油路等十幾個分系統構成，是一個不折不扣的龐大的系統，僅廠家就先后安排了十多個不同專業的技術團隊以及分包商前來參與安裝調試。消化接受這個龐然大物，對試驗室新組建的“小白”團隊成員們是個極大的考驗。土工離心機團隊成員按專業對每一個安裝調試階段的每一個分系統均進行了詳細的專業學習分工與安裝調試配合計劃，白天鉆進悶熱的離心機主機室與廠家安裝調試人員一起研究、調試，晚上又圍坐一起補其他專業知識、“啃”白天不解的問題。經過將近兩年的時間，七百多個日日夜夜，終于完成了土工離心機的安裝調試，揭開我國企業界第一臺土工離心機的“面紗”，團隊成員也從廠家手中正式接管了這臺“大家伙”，正式扛起TPEI-200土工離心機的科研重任。

值得一提的是，如今的TPEI-200土工離心機正同當初大家的期待一樣，在國內同類型的試驗室中，成為最具有水運行業特色的土工離心機，水位升降機器人、拋填機器人、水運工程打樁、基坑開挖、砂石拋填等等一批水運行業特色的專業輔助設備已開始為水運工程的重大工程的科研工作施展拳腳。

見效見彩 試驗數值與現場基本一致

伴隨著大型離岸工程建設的方興未艾，港珠澳大橋、深中通道等一批重大工程逐漸展現在我們面前，插入式薄壁鋼圓筒結構作為離岸工程的關鍵技術之一，也列入了一航局的核心技術集群。TPEI-200土工離心機接到的第一個任務就是利用土工離心機來驗證鋼圓筒承載、穩定機理等技術難題，以驗證理論設計、計算與工程實際的一致性，從而更好地服務深中通道項目的建設。

王雪奎解釋說，海上人工島建設時，需要將一個個直徑二三十米、高四五十米的鋼圓筒插入地基，形成一個完整的護岸結構，鋼圓筒的穩定與否，直接關系著深中通道人工島的安全，不容有失。

研究制定試驗方案、制作鋼圓筒模型、還原現場地基土層、安裝架設各種監測傳感器等等一道道工序……

5g、50g、120g，逐級對鋼圓筒模型施加離心力；1kN、2kN、5kN……推力裝置施加荷載，鋼圓筒和地基緩慢破壞。

側向位移、土壓力、孔隙水壓力、水平推力等等各種監測數據像流水一樣不斷襲來……

“鋼圓筒的破壞主要是表現為鋼圓筒和地基的整體失穩破壞導致，試驗時破壞的最大荷載遠大于現場波浪產生的荷載，因此，試驗結果表明結構的整體穩定性是有保證的”“鋼圓筒破壞時最大應力出現在海側和中心線方向靠近筒底部位，工程中應加固這些部位”“在水中鋼圓筒的破壞模式是傾斜倒下去，不是前移傾倒，相關預案可以以此為落腳點來進行設計”……看到離心模型試驗得出的一項項數據與數值計算結果完美契合，離心機控制室內一片歡騰。

“在后來項目建設中，我們離心機試驗的結果，也是與現場監測結果基本一致。”王雪奎說道。

近期，TPEI-200土工離心機又相繼完成了超高水壩面板堆石壩項目的變形研究、連云港廢棄物筑堤工程的穩定性研究等一系列試驗任務。目前，港研院正在利用TPEI-200土工離心機，研究改進海上石油平臺設計優化。王雪奎介紹，海上石油平臺是由立柱與甲板構成的“十”字形結構，生活區、工作區、儲油區都在甲板上，平臺重心高，抗風浪能力差，為增強平臺安全性穩定性，他們正在研究把儲存油罐放在海面以下，讓石油平臺重心靠下的可行性。

“今后，我們計劃在重點開展中交集團重大工程建設項目技術支撐的同時，積極開展大型儀器設備開放共享，與相關高等院校、科研機構保持良好的互動和溝通，讓TPEI-200土工離心機成為一個開放性的科研平臺，最大限度地發揮其功能與價值。”談及下一步發展方向，王雪奎信心滿滿。

十五載建設終成器，這里承載著太多巖土工程人的過去、現在與夢想，也必將幫助越來越多的巖土人在實現理想的道路上披荊斬棘，而這一切才剛開始……

關鍵詞： 巖土工程