攻克湿陷性黄土高铁建设难题的拓荒者 西北大学王家鼎团队项目获2020年度国家科学技术进步奖二等奖
2020年度国家科技奖陕西获奖项目系列报道
我们不难想象，在湿陷性黄土地上建造高速铁路和重载铁路的艰难程度，这也曾经是国内外地质工程领域亟待解决的重大科学难题。
如今，中国高铁、重铁已经遍及华夏大地，“一带一路”战略铁路大动脉上更是奔驰着中国“黄土高铁”的新时代风姿。
可你知道，攻克湿陷性黄土高铁建设一系列世界性地质难题的“拓荒者”是谁吗？这，就是西北大学地质学系王家鼎教授团队主持完成的“重大工程黄土灾害机理、感知识别及防控关键技术”。该创新成果已成功应用在国内外20余条高铁重铁的建设中，取得了巨大的经济效益和社会效益，展现着中国“黄土高铁”的国际影响力，因此获得2020年度国家科学技术进步奖二等奖。
■ 强化了我国黄土灾害研究的国际领先地位
按照中国铁路中长期发展规划，加快高速铁路建设成为我国带动经济增长、保护生态环境、实现可持续发展的重要战略选择。发展规划提出，到2025年全国铁路网规模达到17.5万公里，其中高铁达到3.8万公里；展望2030年，铁路网规模达到20万公里，其中高铁达到4.5万公里，基本实现内外互联互通、区际多路畅通、省会高铁连通、地市快速通达、县域基本覆盖。
“中国的高铁网，自然要覆盖到黄土地区！在黄土地区尤其是湿陷性黄土地区建设高铁，对基础工程工后沉降要求很高，不能大于15毫米。2004年之前，国内外黄土地区修建高铁的基础理论和工程实践完全空白，能否攻克是关系到我国在广大黄土地区成功修建高铁的决定性技术问题，对我国成功建成快速铁路网至关重要。”近日，王家鼎教授在接受记者采访时介绍说。
资料显示，我国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，面积达64万平方公里。对铁路网建设影响巨大的湿陷性黄土主要分布在甘肃、宁夏、陕西和山西等黄土高原。
王家鼎教授解释，湿陷性黄土是指在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉的土质，特别影响建筑结构的安全性。在大面积湿陷性黄土地区修建高铁，由于黄土结构疏松，加上受机车振动、降雨等影响，很容易产生路基沉降、边坡滑塌等问题，从而威胁到列车运行安全。
聚焦国家战略需求，王家鼎教授率领团队多年来瞄准“一带一路”沿线及黄土高原重大地质灾害防控，重点解决了一系列铁路建设中新型黄土滑坡、沉降防治技术瓶颈背后的关键科学问题，强化了我国黄土灾害研究的国际领先地位，在铁路建设攻坚的实践中孕育出了丰硕成果。
创新团队在国家10多个重大科研项目支持下，创立了黄土路基振陷、深部黄土湿陷、滑坡四促效应等理论；首次研制振动促渗仪等多台先进仪器，打破了国外垄断，填补了该领域空白；突破了铁路黄土路基振陷和深部黄土湿陷感知、机载激光雷达点云灾害识别、隧道变形的精准监测技术瓶颈；创立了高铁路基抗振陷的填料改良和加筋防控、湿（振）陷性黄土改良与排水平纵横协同防控及隧道加固“气驱水浆驱气”加固技术体系；创建了我国铁路黄土灾害防控技术标准体系，主编和参编多部行业规范，研究成果获国家发明专利51项，均达到国际先进水平。
■ 解决高铁重铁系列灾害防治难题
“我印象最深的，就是2005年9月25日正式开工的郑西高铁（郑州—西安），这是我国在黄土地区建设的第一条高铁。当时没有任何前人经验和相关数据可以参考，全靠自己去研究、试验。”王家鼎告诉记者。
团队在高铁和重铁黄土灾害机理、感知识别及防控技术方面，进行了许多探索和攻关，特别是在郑西高铁、大西高铁、晋中南部重铁等建设中，解决了系列灾害防治难题。
郑西高铁修建前，王家鼎团队首先沿着规划路线开展野外勘测和试验。“规划路线上交通不便，很多地方我们只能步行，吃住在老乡家里。每一次到野外勘测，往往需要一两个月。”王家鼎说，通过大量野外调查、室内试验、计算推理等工作，我们拿出了第一份湿陷性黄土地基的动力特性与设计参数，为郑西高铁的设计和施工提供了可靠的技术支撑。
2010年郑西高铁开通运营至今，没有出现任何纰漏，经得起时间的考验，证明了王家鼎团队的科学成果创造了奇迹，开创了黄土地区修建高铁的先河，获得了很多成功经验。随后，我国在黄土地区建成的大西高铁（大同—西安）、郑太高铁（郑州-太原）和宝兰高铁（宝鸡—兰州），都记载着王家鼎教授团队不畏艰苦、克坚攻难的身影。
在大量室内外试验基础上，王家鼎团队获得不同水泥配比改良黄土的振陷特性和振陷量，破解了铁路路基因机车振动而产生沉降的科学难题；发明了水泥改良加筋黄土路基的构筑方法，抗振陷效果提升30%。这些成果直接应用于大西高铁、巴基斯坦轻轨、晋中南和蒙华重载铁路等大型工程，并纳入行业规范。
大西高铁是我国修建的第二条“黄土高铁”。与郑西高铁不同的是，大西高铁的路线主要位于山西、陕西境内，沿途经过的大多是山区，面临的问题更加复杂和艰巨。其中，黄土湿陷、振陷、边坡失稳等难题，都需要设立科研项目进行专门研究。
在建造郑太高铁时，团队通过原位大剪、原位崩解、振动促裂促崩等试验，对遇到特殊不良土体边坡的失水开裂特性、抗剪特性及遇水崩解特性，进行了深入研究，提出了柔性生态护坡工法及边开挖边防护理念，有效解决了焦太段的边坡滑塌问题。
2014年12月，连接我国东西部的重要煤炭运输通道——瓦日铁路（工程名称为山西中南部铁路通道）正式建成通车。这是我国第一条按照30吨轴重重载铁路标准建设的铁路，也是我国一次性建成的最 长重载 铁路。它的建成对优化路网结构、降低运输成本、推动区域发展和交流具有重要意义。
王家鼎介绍，瓦日铁路经过的山路多，隧道比例较大。在隧道开挖过程中，振动促使裂隙扩展，水加速渗出，软化土体，容易造成隧道变形或塌方。为此，团队首次在开挖过程中利用了特制的探头，感知前方围岩含水率和裂隙水压力的变化，以模糊信息优化处理法识别和预报围岩涌水塌方，解决了这种特殊地层隧道的灾害感知技术难题。同时，他们还研制出第一台振动促渗仪，攻克了黄土振动促渗的定量测试难题。
边坡侧移和路基沉降也是软土路基施工中的常见难题。对此，王家鼎团队也提出了独到的见解，研制出具有高精度、高采样率、安装简便、成本低廉等优点的多通道同步高速采集装置，配合多种动态传感器，解决了机车宽幅振动的多参数感知难题，提升了铁路路基（含隧道基底）黄土振陷和边坡变形的监测水平。
■率领团队行走黄土高原30余载
王家鼎，陕西蓝田县人，1983年7月本科毕业于今长安大学应用地球物理系。1986年7月，在国家地震局兰州地震研究所获工学硕士后，留所搞科研。1994年8月，调入西北大学工作至今，长期从事工程地质与灾害地质研究。
王家鼎善于从实践中发现问题，进而上升到理论上加以研究解决，提出一系列观点和方法，再返回到实践中进行检验和指导。
30多年来，王家鼎教授带领团队通过不断科技攻关，在重大工程黄土灾害方面取得的相关理论和技术越来越完善、成熟。他在黄土滑坡方面的研究，被誉为“自成体系，有独到之处”，首次提出了“灌溉诱发黄土滑坡的黄土蠕、滑动液化机理”“地震诱发黄土滑坡的土体解体、斜抛和粉尘化机理”“列车长持时振动引起黄土滑坡的长期累积应变-损伤-破坏滑移机理”，以及推导出各类型黄土滑坡的运动特征方程，并用实例加以验证。
他撰写出版的《典型高速黄土滑坡群的系统工程地质研究》专著，正如中国科学院院士、中国工程院院士张宗祜，在书序中所评述的“本书是我国有关黄土滑坡系统研究的第一部专著，有许多创新之处”。
截至目前，王家鼎教授共发表论文210余篇，SCI收录论文60余篇，授权国家发明专利11项，主持国家重大仪器专项、国家基金重点项目、国家重点研发课题、铁道部重大科研项目等20余项。获国家科技进步奖二等奖（排名第一），省部级一等奖四项（其中2项排名第一），合作的晋中南部重铁项目获国际FIDIC奖……
风景各异的黄土高原，不但见证着王家鼎教授团队行走30多年的足迹，也见证了他们为黄土地增添的一道道科技美景。而他们的不懈探索，就是黄土地上那道最美的风景！
文\本报记者 周励 图\西北大学
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