2021年11月3日，2020年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重召开。武汉大学主持完成的4项科技成果获奖。开云手机在线登陆入口（中国）集团有限公司刘泉声教授主持的科研项目“深部复合地层隧（巷）道TBM安全高效掘进控制关键技术”获国家科技进步二等奖。

TBM是Tunnel Boring Machine的简称，实现掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，越来越广泛地应用于深长隧洞工程掘进。TBM设备昂贵，长期受制于国外进口限制，成本居高不下，极大制约了在我国的推广使用，不能满足我国大规模基础设施建设需求。刘泉声教授带领研究团队，践行习近平总书记2014年视察中铁装备提出的“三个转变”重要论述，即“推动中国制造向中国创造转变，中国速度向中国质量转变，中国产品向中国品牌转变”，推动TBM安全高效掘进，为国产TBM的高质量品牌提升提供关键技术支撑。

跟跑、并跑、领跑：引领TBM智能化掘进

早在2007年，刘泉声教授以敏锐的学术嗅觉，觉察到TBM全断面隧道掘进机在国家重大基础设施建设中的重要作用，带领团队围绕这一国家重大需求，开展科研攻关，为推动我国独立进行TBM设计、制造和隧道施工而不懈努力。10年时间，实现了TBM掘进关键技术从跟跑、并跑到领跑的跨越。研究团队研发的TBM智能化掘进成套关键技术已占领TBM研究的前沿和制高点，是未来TBM智能化掘进的核心技术。

时隔四年，开云手机在线登陆入口（中国）集团有限公司刘泉声教授继2010、2016年带领研究团队获国家科技进步奖之后，再次受到国家表彰：《深部复合地层隧（巷）道TBM安全高效掘进控制关键技术》荣获国家科技进步二等奖。

2014年，刘泉声教授担任首席科学家的国家973计划项目

在推动该项研究进程中，刘泉声教授作为首席科学家，承担了国家973计划项目《深部复合地层围岩与TBM的相互作用机理及安全控制》（2014-2018）；作为岩-机互馈作用智能化核心研究团队，承担了973项目《TBM安全高效掘进全过程信息化智能控制与支撑软件基础研究》的关键课题《岩-机作用信息实时感知融合与互馈方法》（2015-2019）。并在多项工程中开展应用，服务于重大工程建设，成果纷呈：

针对TBM掘进的狭窄空间条件和复杂噪声环境，提出了TBM破岩震源地震远程宏观识别与跨孔雷达近程精细刻画互补的岩体结构超前探测方法，发展了基于联合滤波有效反射信息提取及绕射叠加地震成像技术和基于Laplace域初始模型优化和地质信息不等式约束的雷达全波形反演技术，实现了掌子面前方岩体结构 100m 远程宏观识别和 30 米近程分米级精细分辨；

发明了基于软岩流变应力恢复特性和硬岩小孔厚壁应力解除的深部岩体地应力测试方法，实现了深部复杂地层初始应力场准确测试及扰动应力场跟踪监测。揭示了地应力水平、岩石强度、控制模式、滚刀位置等因素对TBM破岩效率和破岩模式的影响规律，提出了深部复合地层TBM 掘进性能预测模型、高磨蚀性地层滚刀寿命预测模型及可掘性评价方法，为深部复合地层TBM刀盘刀具选型配置和适应性设计奠定了理论基础。揭示了深部复合地层TBM掘进过程挤压变形卡机、岩爆和突涌水灾害的孕育发生机理，发展了挤压变形卡机灾害孕育演化及控制过程预测模拟的FDEM方法，研发了卡机灾害监测预警系统；

揭示了多重支护系统对深部复合地层稳定性的控制作用机理，提出了TBM掘进过程卡机、岩爆和突涌水灾害成套控制技术，实现了深部复合地层TBM掘进过程的安全控制。建立了针对深部复合地层高效破岩、刀具磨损、模式转换和灾害控制的 TBM 系统适应性选型与设计理论，提出了 TBM 掘进适应性评价的指标体系、方法与适应性评价模型，开发了深部复合地层 TBM 选型及掘进适应性评价专家系统。

成果入编国家标准5 部、行业标准 2 部和省部级工法 4 项，成功应用于水利、交通、矿山等10多个国家级重点工程，避免了工程灾害发生，显著提高了掘进效率，保障了工期和施工安全，突破了深部复合地层TBM安全高效掘进控制关键技术，整体提升了我国TBM装备制造、掘进控制的技术水平及国际竞争力，社会效益显著。

坚持、坚守、坚韧：把论文写在祖国大地上

哪里有TBM掘进技术难题，哪里就有研究团队的身影，刘泉声教授及团队成员足迹遍及祖国大地。东北的LXB、引松工程，西北的兰州水源地工程、祖国边陲的ABH跨天山引水工程、引汉济渭跨秦岭引水工程，西南边陲高黎贡山铁路隧道和川藏铁路等一批国家级已建和在建工程，刘泉声教授都亲自带领研究团队，深入现场一线，安排研究人员常驻现场，系统采集科研数据，及时解决施工中遇到的各种难题。

刘泉声教授在引汉济渭TBM施工现场

ABH隧洞内恶劣的工作环境和极寒的项目现场

TBM工程现场常处于偏远山区，交通不便，条件艰苦，研究团队克服常人难以克服的困难，在深埋隧洞内开展研究工作。TBM工程现场全年无休，一天24小时连续施工。为了保证研究工作的连续性，5+2、白+黑地开展科研工作是常态。以新疆ABH引水隧洞工程为例，该工程处于新疆边远地区，将北天山南麓水资源穿越天山引入精河奎屯一带严重缺水地区，改善周边水资源生态环境，是一项惠及边疆群众的民生工程。在TBM掘进时，遭遇大埋深、大断层、大变形、大涌水、高地应力、高地温、强岩爆、有毒有害气体闪爆等多项世界级难题。课题组与中国水利水电三局密切合作，开展系统研究，着力解决工程中出现的一系列难题。2019年春节期间，地表温度已降至零下二十余度、隧洞内温度却高达近四十度，课题组研究人员依然坚守在工程一线，在项目部度过春节，收集监测数据，提供岩爆预警，为TBM安全高效掘进保驾护航。在项目部坚守期间，经常清晨天蒙蒙亮进入隧洞，夜晚22点出来，全天无法见到太阳，自备干粮、饮水，忍受近40度的高温高湿作业环境，等出隧洞时，全身已被汗水湿透。尽管如此，团队科研人员无怨无悔，从不抱怨，默默付出，以顽强的毅力坚持工作，及时发现问题、解决问题，创造了在最大埋深2268米复杂地质条件下、无检修洞室、独头掘进施工里程世界最长纪录，提前半年完成掘进任务。

育德、育人、育才：躬耕土木勤育英才

依托TBM安全高效掘进控制关键技术研究方向，刘泉声教授团队共培养硕士、博士研究生30多人，培养博士后10人，一批毕业生成长为科研单位的骨干，成为长江勘测设计研究院、中国电建华东勘测设计研究院、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中铁十一局集团有限公司等大型工程建设单位TBM技术领域的关键力量。

刘泉声教授和毕业生合影

武汉大学副研究员潘玉丛博士一直跟随团队一路前行。他说，2012年自己作为硕士新生开始接触TBM课题，还觉得外国人都没解决的问题我们中国人也解决不了，机械人解决不了的问题我们岩土人也做不通、做不透，一直盲无目标，畏畏缩缩，展不开手脚。刘老师每次都不厌其烦地勉励我说世界基建在中国，未来我国肯定需要大量应用TBM，现在不做深入研究，未来肯定要被卡脖子，这可是关乎国计民生的大问题，我们岩土人责无旁贷地要做出自己贡献。在一次次的深入交流中，刘老师鼓励我不要有畏难怯懦心理，要勇于挑战科技前沿，打好专业基础，瞄准工程实际需要，找好研究思路，脚踏实地做好科研，在TBM领域做出来新东西，为实现TBM国产化、智能化做出贡献。这让我逐渐端正了态度，拾起了信心，找到了思路。十年之间和刘老师朝夕相处，我曾因为刘老师的殷切鼓励和赞许而高兴过，也曾因为刘老师的严厉要求和批评而伤心过，刘老师对教育工作的孜孜不倦、毫不懈怠和对培养学生的高标准、严要求始终激励着我在求学和育人的道路上前进。我们曾经多次在大山里面顶风冒雪、长途跋涉去施工现场，曾经多次在午夜和凌晨顶着沉沉睡意一字一句讨论科研项目。十年前的我还是一个负笈求学的懵懂研究生。经过十年的言传身教和砥砺磨练，如今的我成为了和刘老师一样的教育和科研工作者。

武汉大学博士后邓鹏海2015年博士考入武汉大学、师从刘泉声教授。他说，自己深深被导师勤奋、严谨的治学态度所折服，刘老师时常教育我们，做科学研究基础要扎实，要学好数学、力学，我们岩土工程的绝大部分问题其根源均是力学问题，不要有畏难情绪，不怕困难，敢于挑战自己、挑战前沿，要深入科研一线，契合时代发展，紧密围绕国家重大战略需求开展研究，不为发表文章做科研，而是要切实解决我国工程建设面临的难题，不断创新发展，开发新的理论、模型和方法。在对我个人科研指导方面，刘老师敏锐意识到有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)将是解决岩土工程问题的一项切实有效的前沿方法，但是我们课题组以前没有研究基础，一切要从零开始，他鼓励我不要害怕，要敢于向深水区、无人区前进，外国人能把方法发明出来、把程序写出来，我们站在他们的肩膀上肯定能更上一层楼，将其发展创新，运用到工程领域中来。在他的鼓励和指导下，我们课题组在FDEM研究领域已站在最新研究前沿，成为国际上FDEM的四大研究团队之一，能够有效模拟复杂地质条件下软岩隧道米级剧烈大变形灾变过程，成功预测ABH引水隧洞工程典型TBM卡机灾害事故、揭示卡机机理，实现TBM卡机灾害有效控制，为TBM安全高效掘进提供有效指导，并即将为我国川藏铁路为代表的国家重大工程建设做出贡献。

伯音同学是2017年硕士进入团队，2020年师从刘泉声教授攻读博士学位。他说，每当我松散懒倦之时，身旁层出不穷的优秀武大学者具有的严谨的治学态度和对科研的坚守，不断抚平我年轻躁动的科研心境。我很庆幸在科研之初就能遇到刘泉声教授，一声声关怀备至的温暖问候，一次次意味深长的课题讨论，一幕幕工地现场的细致指导，逐渐消除了我科研之初存在的诸多不适，并不断端正了我勇攀高峰、脚踏实地的科研态度。老师常说，“做科研一定有报效国家的愿望，这不是一句口号，做科研的目的就是为了提高我们国家的科技实力、为国家的经济建设服务，为国家的国防科技服务”。在这样的信念下，我们团队主动瞄准国家战略需求、聚焦科技成果转化，努力破解发展“卡脖子”问题，自主研制传感器对刀盘刀具振动、受力、磨损等监测研究。在现场经历了两次隧洞工程卡机灾害之后，我深刻体会到了将要进行的‘卡机灾害智能化监测预警’课题的重要工程意义，并创新性地引入人工智能方法，最后我选择在现场监测大数据背景下进行混合优化机器学习方法智能预警TBM卡机灾害的研究方向，为智能化掘进技术贡献自己的力量。