陈建勋:解决工程实际问题是科研工作的出发点和落脚点

发布时间:2017-04-19作者:冯秋香来源:校报编辑部字体: 设置

    自1988年进入原西安公路学院(长安大学前身)公路隧道工程专业学习,陈建勋的命运就和隧道紧紧地联系在一起,四年本科、二年硕士、五年博士的学习生涯,为他夯实专业基础,并且对自己的研究方向有了明确的定位;在20多年的工作中,陈建勋从未停止过对西部复杂环境公路隧道工程理论基础及应用技术的研究,在黄土隧道支护理论与技术、寒冷地区隧道冻害机理与防治理论、隧道施工监控量测方法与技术等方面取得了一系列创新性成果,为西部复杂环境下的隧道工程建设提供了实实在在的技术支撑。

  20多年孜孜不倦的科学研究工作,令陈建勋及其团队拥有了一批优秀科研成果,也为陈建勋本人带来了一系列的荣誉:国家创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、交通运输部交通青年科技英才、首届全国公路优秀科技工作者、陕西省重点科技创新团队带头人、享受国务院政府特殊津贴专家,并于今年入选教育部长江学者奖励计划特聘教授。在这些纷至沓来的荣誉面前,陈建勋有点惶恐,头脑却始终清醒。他说:“做了这么多年科研项目,我始终把解决工程建设中的问题作为我科研工作的出发点和落脚点,解决问题也是我做科研项目的最大推动力。把项目做好了,问题解决了,成果、论文、专著、荣誉等等,就会水到渠成。”

构建完善的公路隧道工程专业教学体系

  1980年代,随着国家交通建设事业的发展,对公路隧道工程专业技术人员的需求大大增加,敏锐意识到这一大趋势的原西安公路学院在1988年率先在全国开设了公路隧道工程专业,培养从事公路隧道设计、施工、管理和科研方面的专门人才。陈建勋成为这个专业的第一批学生,他所在的隧8801班也成为全国第一个公路隧道班。率先意味着没有先例可循,一切都在摸索中前进。面对开设课程有限、专业书籍不齐全、工程案例稀缺的现状,陈建勋毕业留校后,一心想完善隧道专业教学体系,于1995年到西南交通大学专门进修学习,1996年回到母校任教,参与制定了相对科学完善的教学计划、编写教材、拟定实习教学环节,在他和同事们的共同努力下,我校公路隧道工程专业教学体系渐渐完善起来,实力逐渐强大。长期以来,陈建勋承担了研究生、本科生的《岩体力学》、《隧道施工》、隧道施工控制技术》等课程教学工作,并积极开展教学教育研究工作,主持完成的教学研究项目《隧道施工课程教学内容和方法改革的研究与实践》成果荣获2009年国家级教学成果二等奖。

  桥梁与隧道工程学科是我校重点建设学科之一。近年来,在公路隧道工程领域取得了丰硕的研究成果,学术水平和学术成果被国内外同行广为认知。已被列为学校“985工程优势学科创新平台”、“211工程”重点建设的学科方向。本学科拥有交通运输行业特殊地区公路建设与养护技术协同创新平台、公路大型结构安全教育部工程研究中心和陕西省桥梁与隧道重点实验室。通过多年的建设,桥梁与隧道工程学科隧道工程方向形成了公路隧道结构设计理论及特殊区域公路隧道建设技术、公路隧道运营环境改善及防灾减灾技术等稳定的研究方向。近年来,承担各类科研项目150余项,在核心期刊发表科技论文224篇,其中SCIEI收录100余篇,出版专著及教材10余部,参编规范8部。获得国家专利28项。获得省部级以上奖励30余项,其中国家科技进步一等奖1项、二等奖2项,国家教学成果二等奖1项,省部级科学技术特等奖1项、一等奖5项、二等奖8项。为我国公路建设事业做出了应有的贡献。通过多年的科研和教学实践,桥梁与隧道工程学科隧道工程方向长期立足西部,造就和培养了一批中青年学术骨干,已形成了年龄结构合理,整体实力雄厚,发展势头强劲的教学科研队伍。

黄土隧道支护理论与技术的革新

  我国黄土分布面积达64km2,占国土面积的6.6%,主要分布在西北五省。黄土工程性质典型,垂直节理发育,多孔、结构疏松、密度低,遇水易崩解、剥落。黄土隧道修建时,经常会出现地表开裂、拱部沉降、衬砌变形,甚至塌方等工程问题。在以往的隧道工程建设中,锚喷支护技术是应用比较广泛、受到普遍认可的技术,但这项成功应用于岩石隧道修建的技术,在面对黄土隧道施工的时候,又表现出一定的不适应性,其中黄土隧道中系统锚杆的支护作用一直是隧道工程界争论的热点学术问题。

  200412月,国家高速公路网青岛至银川线陕西境内的吴堡至子洲高速公路开工建设,全线共设隧道33个单洞,总长18524米,为典型的黄土隧道群。以这一工程为依托,陕西省交建集团公司和长安大学联合开展了“黄土隧道支护设计与关键施工技术研究”项目。陈建勋和他的科研团队以该工程为依托,在刘家坪隧道群进行了大量工程调研、现场试验、数值模拟和理论分析。在此基础上他大胆提出:在钢架支护条件下,黄土隧道中系统锚杆的作用不显著,可以取消。同时依据现场测试发现的黄土隧道变形规律,提出了“快挖、快支、快封闭,二次衬砌仰拱与边墙基础紧跟,二次衬砌适时施作”的黄土隧道施工原则,成功解决了黄土隧道易变形、塌方、二次衬砌早期开裂问题。

  尽管争议重重,实践却是检验真理的唯一标准。在之后的郑州至西安铁路客运专线、西安市地铁工程、哈尔滨绕城高速公路天恒山隧道等工程建设中,陈建勋的这一技术得到了相继应用,有效解决了施工过程中出现的问题,加快了施工进度,节省了工程费用,保证了工程的按期完成。2007年,吴堡至子洲高速公路建成通车之后,陈建勋又利用远程监测系统对隧道围岩稳定性和支护效果进行了后续跟踪测试,结果表明,经多年运营,隧道结构稳定,未发生衬砌渗漏、开裂等病害。

  这一研究方向又先后获得国家自然科学基金、教育部博士点基金等资助,在《岩土工程学报》等重要期刊上发表论文41篇,科学出版社出版专著1部,成果被纳入行业标准《公路隧道设计细则》、《公路隧道设计手册》、《公路施工手册—隧道》和《铁路黄土隧道技术规范》。在西部地区公路、铁路、地铁行业67座黄土隧道中获得应用,节省工程费用2.06亿元。获得省部级科学技术一等奖2项、二等奖1项、三等奖1项。

  以上理论和技术被陈建勋团队提炼总结,形成“黄土隧道支护理论与技术”研究成果。这一成果突破了国内外以往软弱地层隧道以锚喷为主体的柔性支护岩承理论,解决了长期以来学术界关于黄土隧道系统锚杆作用问题的争论。总体上达到国际领先水平,对隧道工程学科的发展和技术进步作出了重要贡献。中国工程院王梦恕院士认为:“该项成果是近年来我国在隧道初期支护理论研究、设计及工程实践等方面的一项新突破。”中国工程院梁文灏院士评价认为:成果应用于隧道洞口段设计与施工,“对提升我国山岭公路隧道洞口段设计施工整体水平有推动作用。”

为隧道穿棉衣的隧道冻害防治理论与技术

  寒冷地区隧道极易产生衬砌漏水挂冰、路面溢水结冰、衬砌开裂剥落等冻害现象,严重危及行车安全、极大弱化了隧道使用功能、大幅增加了隧道养护费用。如何避免冻害的发生属世界性难题。陈建勋及其团队成员历时16年,通过工程调查、室内试验、现场测试和理论分析,开展了系统全面的科学技术研究,突破了传统冻害防治思路,开辟了寒区隧道冻害防治新理念,形成了冻害防治设计与施工成套技术体系。

  陈建勋带领团队成员率先在国内开展冻融循环条件下隧道喷射混凝土单轴压缩试验、内部微观构造试验及CT扫描试验,提出了喷射混凝土冻融环境下的损伤率演化方程,揭示了喷射混凝土冻融微观构造损伤及其冻融破坏机理;综合考虑气候条件和地下水对隧道冻害程度的影响,以最冷月平均气温、冻结深度、地下水的赋存与补给、地下水渗入隧道情况为评价指标,采用加权平均法进行综合评判,首次提出了新建隧道防冻等级标准,并制定了相应的防冻措施,为寒区隧道防冻设计提供了理论依据。

  在隧道冻害防治技术方面,陈建勋团队一改以往被动抵抗冻胀力的隧道抗冻传统理念,从提前干预、预防冻胀力入手,提出了隧道防冻结构构造型式,依据绝热等效厚度原理,建立了隧道防冻隔温层厚度计算公式;首次在国内将防冻隔温层中间铺设法和表面喷涂法应用于隧道冻害防治,提出了相应的施工工艺,并对防冻效果进行了测试,结果表明两种铺设方法防冻效果显著。

  该项研究获得国家自然科学基金、国家科技支撑计划、教育部新世纪优秀人才支持计划等资助。在《Construction and Building Materials》等重要期刊上发表论文16篇,授权发明专利2项、实用新型专利3项,编制了《公路隧道加固技术规范》(总校稿),整体成果被系统纳入《公路工程抗冻设计与施工技术细则》(总校稿)。成果在西北、东北、华北和西南高海拔寒冷地区50多座隧道工程中得到应用,取得了显著的经济、社会和环境效益。研究成果获得省部级科学技术三等奖1项。

  “寒冷地区隧道冻害机理与防治理论”研究成果总体上达到国际先进水平,其中隧道冻害程度等级划分、隧道防冻隔温技术达到国际领先水平。对寒冷地区隧道工程学科的发展和技术进步具有引领作用。中国科学院孙钧院士评价认为:“该项研究将我国寒区隧道的防冻害技术提高到一个新的层次,它填补了国内在该领域的空白,其理论意义和工程应用价值都是很显著的”。中国工程院王梦恕院士认为该成果“为新建隧道和病害冻裂隧道设计、施工开辟了一条新路,对补充、推动该领域学科的发展具有积极的作用。”

  除此之外,陈建勋还以秦岭终南山公路隧道工程为依托,开展了隧道围岩稳定性及支护效果监控量测技术研究,经过7年的探索与实践,创建了一套系统完善的公路隧道施工监控量测技术体系,研发了相关测试仪器和监测系统,研究成果授权发明专利3项、实用新型专利4项、软件著作权1项,主编教材2部,被纳入行业标准《公路水运工程试验检测机构等级标准》和《公路隧道设计手册》,并被纳入教材《隧道工程试验检测技术》,由人民交通出版社发行10万余册,被交通运输部指定为公路工程试验检测人员资格考试用书。成果在公路、铁路行业100余座国家重点隧道工程中得到应用。 该研究方向的研究成果荣获省部级科学技术特等奖1项、一等奖1项、三等奖1项。

科研心得谈:解决问题是科学研究的出发点和落脚点

  综观陈建勋的科研历程可以发现,他做科研项目的出发点和落脚点都是工程实践,为了解决工程实践中遇到的问题而展开调查和研究,形成的研究成果和技术最终也会应用到工程实践中去,问题得到解决,科学研究才算实现了其价值。在长江学者聘任仪式上,他总结了20多年来做科研工作的感悟:“交通事业的蓬勃发展为我们提供了前所未有的实践平台和科学探索机遇,历史赋予我们年轻一代新的责任和担当。我们要紧密依托重大工程建设,深入工程一线,发现问题,迎难而上,持之以恒,敢于创新,勇于突破,解决工程实践中的重大技术难题。”

  他的另外一条感悟就是:“读万卷书不如行万里路,行万里路不如阅人无数,阅人无数不如名师指路。我很有幸遇到了我国隧道学科奠基人之一的西南交大关宝树教授、王梦恕院士、梁文灏院士、岩土工程专家顾安全教授,有他们高瓴建屋的指导,使科研工作从立项阶段就有高的起点,少走了很多弯路。”

  重视“名师指路”这一点在陈建勋的团队建设中也得到了充分的体现。以他为带头人的“公路隧道建养理论与技术创新团队” 于2014年入选陕西省重点科技创新团队。团队目前有21人,副高级职称以上核心成员12人,以国家“211工程”、“985工程优势学科创新平台”的建设为契机,立足陕西省,面向全国,服务行业,在公路隧道结构理论、黄土公路隧道工程、复杂环境特长隧道修建技术以及寒冷地区隧道冻害机理与防治技术等诸多领域开展了广泛而深入的研究,取得了一系列丰硕的成果。谈起他的团队,陈建勋说:“团队目前成员构成合理,充分做到了老中青教师结合。院士和老教授们充分发挥了‘名师指路’作用,在科研项目申报和开展研究过程中给予了重要的指导;中年教师负责项目整体的规划和实施,是团队的中坚力量;而青年教师则充分发挥思维活跃、精力旺盛、行动力强的特点,为团队增加了不少活力。”

  罗彦斌是陈建勋团队中的一名教师,他在1999年考入长安大学沿途与隧道工程专业。陈建勋讲授的《隧道工程试验检测技术》专业课注重理论联系实践,结合工程现场,复杂问题简单化,深入浅出,令罗彦斌对隧道工程产生了浓厚的兴趣;2004年他考取了长安大学硕士研究生,成为陈老师的第一届硕士研究生;20107月,从北京交通大学土建学院地下工程专业毕业后,他进入长安大学公路学院任教,加入了陈老师的团队,主要负责国家级和省部级课题的研究和团队日常科研工作。

  在罗彦斌眼里,陈建勋教授是他尊敬的恩师,也是人生道路上的益友。“陈老师是一个对待生活和工作都非常认真的人,他办公室里的书本和材料总是摆放得井井有条,对研究报告和材料的内容经常反复考证、仔细斟酌,精益求精。”陈建勋对待科研工作的忘我与肯吃苦,也让罗彦斌和同事们感触颇深:“2008年我们承担了陕西省交通厅的科技项目《秦岭终南山公路隧道通风竖井设计与施工关键技术的研究》,需要在660米深的井底埋设测试元件,井筒的地下水全部流下来,就和下雨一样,10多个小时里,陈老师穿着雨衣,和我们一起在井底安装元件;我们承担的黑龙江省交通厅的科技项目《土质隧道中不设系统锚杆的试验研究》课题鉴定定好了在哈尔滨召开,可是不凑巧的是陈老师的右脚腕骨折,本可以推迟鉴定,可他却坚持坐着轮椅去汇报,这件事让我印象很深。与陈老师的长期接触,使我从内心深处感受到陈老师的真诚正派、求真务实、严谨踏实。我从他那里学到了如何做学问,更懂得了如何做事和做人。”

陈建勋说,今后他将会结合工程实践深入开展基础理论研究,尤其是对于现有成果和技术的理论总结和升华。他说:“高校的科研人员不仅要通过科学研究解决工程实践中的技术问题,不能只做工程师,而且要将技术成果提炼、上升到理论层面,那就是科学家该做的事。我现在要做的,就是对我目前取得的成果和技术进行提炼和总结,形成相对完善的理论,从而指导更多的工程实践。其实这是一件很有难度的事情,但我还是要做下去,因为觉得它很有意义。”

(原载于《长安大学报》2015531日第239期)