小编语：强子对撞机是人类探索微观粒子和进一步研究高能物理学的必要实验设备，目前欧洲正在运作的大型强子对撞器设备（LHC）是一条位于地下长约27km的环形隧道。不久前，强子对撞器开始进行整体升级改造，由于升级工程的地下开挖施工是在机器运行期间进行的，因此施工团队必须将开挖施工的影响降至最小。这样艰巨的任务如何完成？本期小编就来带大家一起了解！
工程背景
本次进行的升级项目旨在提高大型强子对撞机（LHC）的性能，升级后的强子对撞机将更名为“高亮度大型强子对撞机（High Luminosity-LHC）”。
据悉，本次改造的主要任务是给强子对撞机加装使用Nb3Sn超导元件制成的新型磁铁和建造配套设施，新磁铁将会使强子对撞机的磁场强度得到显著提升，可以使粒子束更紧密地聚焦，从而导致更多的碰撞，产生更多数据。
Nb3Sn超导元件制成的新型磁铁
升级后，高亮度大型强子对撞机预计每年将产生至少1500万个希格斯玻色子；目前大型强子对撞机每年产生的希格斯玻色子约为300万个。
本次改造的地下工程施工内容包括：
■ 2个深约60m、直径约12m的竖井；
■ 2条长300m的主隧道，用于部署主要设备；
■ 2个地下洞室（直径16m，长46m），用于安装冷却和通风设备；
■ 8条长约50m的联络隧道，用于连接新建结构与旧的强子对撞机隧道。
施工位置（蓝色箭头）
对于施工团队来说，这个项目的主要挑战是限制挖掘工程中引起的振动和土体位移。振动和土体位移会对大型强子对撞机运行产生不利影响，并会干扰实验结果，所以在施工过程中，施工必须时刻保持对振动和位移数据的高精度监控。
隧道工程中的竖井
监测震动
强子对撞机内的一些设备对震动非常敏感，且竖井的开挖作业是在机器运行期间进行的，施工震动很可能干扰实验结果。最严重的情况下，还可能导致机器损坏。因此，对施工过程中产生的震动必须进行严格控制。
对撞器内部的复杂设备
为此，强子对撞机内部部署了两套不同的震动检测系统：
• 三轴地震仪 Gulap 6T
• 力平衡加速度计 EpiSensor ES-T
除此之外，施工团队还安装了两套可移动的无线三轴振动监测器，这两套检测设备会根据施工进度调整位置。
所有监测设备协同工作，组成了一个联合监测系统。系统可以提供连续的数据 ，并具备自动报警功能。以此确保施工产生的振动一直保持在可接受水平内。
监测设备
在实验过程中，一旦发生超出可接受范围的震动，监测系统就会报警。此时工人会立刻暂停施工，并采取包括改变开挖方法在内的多种措施控制震动。如果依旧无法将震动控制在可接受范围内，那么施工就需要全部停止，等待强子对撞机运行结束。
工作人员正在对撞机隧道内安装相关设备
通过精细的监测和严格的施工控制，在施工过程中测得的最大振动值几乎保持在1mm/s以下，保障了强子对撞机设备和实验过程的安全。
振动值测量记录
位移监测
除了震动外，施工造成的土体位移也会对实验中的强子对撞机造成干扰，所以施工团队在开挖工程中，使用了不同类型的仪器来测量土体的位移与受力状况，确保能第一时间发现问题，并采取缓解措施。
• 光学位移测量
光学位移测量是施工过程中主要的数据来源。每个监测段安装有3至7个光学测量靶标，施工团队还使用了高精度设备进行持续的数据采集和读取。
光学测量靶标布局
在施工过程中，虽然已经尽力控制，但依旧有少数监测段出现了移位量略微超过阈值的情况，但根据反馈，并没有给实验带来可见的重要影响。
• 伸长计
多个伸长计安装在地下洞室中，以便测量不同深度的变形位移情况。在两个测量区共安装了10个长15m的多点伸长计，每个伸长计配备了4个传感器。
伸长计布局
与光学位移测量相比，用伸长计测量精度更高，但后来由于隧道内安装了防水层，无法使用伸长计继续测量。施工过程中一旦发现测量值接近阈值，施工团队就会启动预案，实施缓解措施，直至情况稳定。目前地下工程的开挖作业已经完成，施工过程中并未报告有强子对撞机设备严重受损或者实验结果遭受严重干扰，证明了整套监控系统的有效性。
除了升级现有强子对撞机外，欧洲核子研究组织还在计划新建一台更强大的全新强子对撞机。该项目被命名为未来环形对撞机（FCC）计划。这将是一个超级地下工程，甚至有人认为以目前的地下施工技术是无法完成这个项目的，点击下方链接了解更多：
长达100公里的环形隧道——欧洲新型强子对撞机项目的挑战
结 语
目前，强子对撞机升级项目的地下开挖工作已基本完成，但完成整体的升级还需要4-5年的时间。这一项目能够顺利进行的关键在于地下工程工作者们卓越的表现，也再一次说明了地下工程技术对于人类未来发展的重要性。
内容整理自WTC2022论文集