当全球地下空间开发以每年超 10% 的速度迅猛增长，当深部地质资源探索成为国家竞争力的新引擎，地下工程施工中的突涌水灾害始终是悬在建设者头顶的 "达摩克利斯之剑"。而山东大学土建与水利学院本科生赵晨及其团队，从道家 "以柔克刚" 的哲学思想中汲取灵感，创新研发出秒级封堵高压涌水的技术方案，为地下工程安全防护带来全新突破。
图1 秒级大截面封堵装置讲解
向地球深处进军
赵晨本科就读于山东大学土建与水利学院。就读期间他加入课题组进行涌水封堵方向的研究，由此积累了宝贵的实验研究经验。“老师告诉我，技术研究成果转化出来才更具社会意义。所以，本科期间我就想做那种看得见、摸得着、用得上的研究。”
随着全球经济的不断发展，当地面空间的利用率几近达到极限，“地下城”的开发与利用便成为解决城市发展中诸多问题的重要途径。据不完全统计，过去十年间，全球城市地下空间开发规模以每年超过 10% 的速度增长。而同时，除地下空间利用以外，深部地质领域开发也是我国目前重要的战略发展目标。当人类对地球科学的探索不断深入、全球资源竞争日渐激烈，深部地质资源的探索也就成为提高国家竞争力新的动力。地下空间探索的重要性毋庸置疑。可作为一名一直聚焦地下工程的研究者，赵晨非常清楚，想要构建安全完善的地下系统，还有一只拦路虎——地下突涌水。
突涌水是指在地下工程施工或运营过程中，地下水在短时间内大量涌入作业空间的现象。不仅会延误地下工程进度、造成财产损失、对周边环境造成损害，对地下工程施工人员的生命安全也构成了直接且严重的威胁。
图2 涌水灾害实景图以及治理现场
复杂的地质条件、地质勘探的局限性、尚未完善的排水系统，重重问题让突涌水的防控难上加难。
但困境没有成为赵晨研究路上的阻碍，“越是难中之难的问题，才越应该成为我们创新研究的关键核心。”他这样说。
面对地下涌流暗藏的巨大力量，赵晨发现，传统注浆方案面对大截面封堵场景似乎总是力不从心，无论研究如何展开，都好像碰到了无形的壁垒，很难突破刚性堵水的技术上限。
在他几乎走投无路快要放弃的时候，偶然看到《道德经》中的一句话：
“反者道之动，弱者道之用。以柔克刚，有容乃大。”
古代道家思想猛地在他脑海闪过一抹灵光。如果我们无法对峙自然，有没有可能还有另一条路径，能尝试化解掉地下水汹涌的力量呢？
以柔克刚
受到人造血浆这一医用高分子材料的启发，赵晨很快产生了对材料进行改性的实验设想。依托课题组研发基础并查阅大量资料，赵晨组建团队，并将目光聚焦到Janus 粒子上。这种粒子可具备超高的吸水倍率提供膨胀基体，可以实现吸水膨胀交联的特性。
图3 涌水封堵材料遇水膨胀演示图
通过对分子结构的不断改性，第一代改性材料很快落地，但从中大截面到超大截面，应用场景的变化使得一线又不断反馈新的需求。与产业、企业打交道，让他深刻意识到：研究要想真正落地，必须跳出实验室思维，打造符合工程需求和现实需要的产品。
图4 大截面巷道围岩变形情况：偏压变形、顶板下沉、底鼓变形
当截面扩展到3m*5m的超大截面后，仅仅依靠材料难以实现短时、高效的封堵。如何解决这个难题？团队又将目光投到作业方法上。结合土木所学的结构设计知识，赵晨尝试结合“机械”与“材料”两个学科，设计一种自主响应的交互物理机械结构。依靠电磁感应-重力加速装置，当大量突涌水对装置产生压力，就会迅速触发电磁铁，同时由重力引导，弹射封堵物加速自主下落，能够迅速的封堵巷道，避免突涌水的继续向外渗出。
图5 秒级大截面封堵装置作业示意图
赵晨和师兄张志朋主导团队协作，积极沟通协调，深度参与实验与模拟，工业界友人为研究提供宝贵的行业经验……赵晨坦言：“没有交流就没有火花，正是这样的碰撞推动研究稳步前进。”
历经数月的不断修正和尝试，在大量模拟实验中，灾中涌水封堵装置表现出了及其卓越的涌水封堵效果，终于为这场颠覆性的尝试画上了圆满句号。“产生了问题就解决问题，研究就是这样一步一步做下去的。”
图6 吸水膜袋吸水过程与封堵效果示意图
这项研究不只是学科融合的创新性成果，更是古人智慧哲思中的一点灵光乍现。防范地下高压涌水新思路的开辟不仅能直接提升地下工程效率、创造经济效益、避免危害和节省成本，更能在长期范围内促进地下管廊、交通等设施建设，优化城市的地下布局。
“从被动抢险到自动防御，从高成本维护到智能高效治理，我们希望每一寸地下空间都能在安全的屏障下释放更大价值。”目前，赵晨也尝试将该产品投入到应用市场中，不断完善和打磨创新成果在工程应用中最好的使用状态。
