在碳達峯、碳中和的大背景下，氫能被譽爲“21世紀的終極能源”。然而，如何安全、高效地儲存氫氣，一直是制約氫能產業發展的關鍵瓶頸。近日，一個令人振奮的消息從湖北大冶傳來：國內首座巖洞儲氫項目成功應用了一項革命性的噴射超高性能混凝土技術，這不僅標誌着我國在巖洞儲氫工程關鍵結構技術領域取得突破性進展，更爲氫能產業基礎設施的規模化開發提供了珍貴的技術範本。這項由中交第二航務工程局有限公司與中國科學院武漢岩土力學研究所聯合研發的創新技術，正在重新定義地下儲氫的安全標準。

藏氫於地下：巖洞儲氫的工程挑戰

氫氣的儲存一直是一個世界性難題。作爲宇宙中最輕的元素，氫氣具有極強的滲透性和擴散性，傳統的儲存方式往往成本高昂且存在安全隱患。地下儲氫技術作爲一種新興的大規模儲氫技術，因其儲量大、成本低、安全性高等優勢而備受關注。

地下儲氫技術作爲大規模氫能儲存的重要解決方案，主要包括三種技術路線。

第一種，枯竭氣藏儲氫是利用已開採完畢的天然氣藏或油田進行氫氣儲存。這種方式，具有儲量大、成本相對較低的優勢，但需要考慮氫氣與殘留烴類的相容性問題。

第二種，鹽穴儲氫通過通過水溶開採方式在地下鹽層中形成密閉空間。鹽巖具有良好的密封性和穩定性，是理想的儲氫的介質。這項技術在國外已有多個成功案例。

第三種，襯砌巖洞儲氫則是在穩定的岩石地層中開挖洞室，並採用高性能材料進行防滲襯砌。這種技術對地質條件要求相對寬鬆，適用範圍更廣。

每種技術都有其適用條件和特，需根據地質條件、儲氫規模、經濟性等因素綜合選擇，共同構成了地下儲氫技術的完整體系。

典型的地下儲氫技術，從左至右分別是枯竭氣藏儲氣、鹽穴儲氣、襯砌巖洞儲氣

（圖片來源：中國科學院武漢岩土力學研究所）

然而，將氫氣儲存在地下巖洞中並非易事。氫氣分子極小，僅有2埃（相當於0.2納米）的直徑，具有極強的滲透能力，能夠穿透大多數常規材料。更爲嚴峻的是，儲氫隧洞作爲高內壓承載體，其內部壓力往往高達數十個大氣壓，這就要求支護結構必須具備極高的強度、耐久性與抗滲性。任何微小的裂縫或滲漏都可能導致氫氣泄漏，帶來安全隱患。

傳統的噴射混凝土由於其材料特性限制，難以滿足這些苛刻條件。普通混凝土的強度通常在30-50兆帕之間，而且存在孔隙率高、抗滲性能差等問題，根本無法滿足儲氫隧洞的技術要求。這就像用普通的網兜去盛裝水銀一樣，註定是徒勞的。

正是在這樣的背景下，噴射超高性能混凝土技術的出現顯得格外珍貴。這種被簡稱爲SUHPC的新材料，就像是爲巖洞儲氫量身定製的“鎧甲”，能夠在極端環境下提供可靠的防護。

材料科學的突破：21世紀的混凝土

超高性能混凝土（UHPC）被譽爲“21世紀的混凝土”，它的出現代表了混凝土材料科學的一次重大飛躍。UHPC的抗壓強度可達150兆帕以上，相當於普通混凝土的3-5倍。更重要的是，它的孔隙率極低，幾乎達到了“密不透風”的程度，這對於儲氫應用來說至關重要。

然而，將UHPC應用於隧洞噴射作業卻面臨着新的技術難題。傳統的UHPC雖然性能優異，但凝結時間較長，難以滿足隧洞快速施工的要求。同時，噴射作業對材料的流變性能、黏結性能都有特殊要求，這需要對UHPC的配方進行重新設計。

爲此，中交第二航務工程局與中國科學院武漢岩土力學研究所的聯合攻關團隊，正是瞄準了這一技術難點。他們通過精心調配膠凝材料體系，優化骨料級配，添加高效減水劑和早強劑，成功研發出兼具超高性能與快速凝結特性的薄層噴射UHPC材料。這種新材料不僅保持了UHPC的優異性能，還能在噴射後快速凝結，顯著提高了施工效率。

這項技術突破的意義不僅體現在材料性能的提升，更在於其系統性的解決方案。研發團隊從工程實際需求出發，不是簡單地把實驗室的UHPC搬到工地上，而是針對具體應用場景，完成了從材料配方到施工工藝的全流程創新，爲地下儲氫設施建設提供了可靠的技術支持。

智能裝備加持：機械臂的精準噴射

材料的突破只是成功的一半，如何將這種高性能材料精確、均勻地噴射到隧洞壁面上，同樣面臨重大技術挑戰。傳統的人工噴射作業不僅勞動強度大，施工質量也難以保持穩定，特別是在複雜的隧洞環境中更爲明顯。

項目團隊敏銳地意識到，要實現SUHPC技術的規模化應用，必須同步推進施工裝備的創新。爲此，他們研發了專用機械臂噴射系統，實現了“材料創新+裝備升級”的協同創新。

這種專用機械臂就像是一位技藝精湛的“機器工匠”，它能夠根據隧洞的幾何形態自動調節噴射角度和距離，確保混凝土均勻覆蓋。機械臂配備的智能控制系統能夠可實時監測噴射壓力、流量和厚度等關鍵參數，並能根據監測數據自動進行調整。這種精準控制不僅提高了施工質量，也顯著減少了材料浪費。

更重要的是，機械臂的應用降低了人員在危險環境下的作業風險。在儲氫隧洞這樣的特殊環境中，減少人工人工直接操作不僅提高了安全性，也爲未來實現全自動化施工積累了重要經驗。

技術優勢的全面展現

在湖北大冶巖洞儲氫項目的實際應用中，SUHPC技術展現出多方面的重要優勢。該技術一舉攻克了傳統噴射混凝土初支結構“強度不足、耐久性欠佳、抗滲性薄弱”等痛點，爲儲氫隧洞提供了可靠的安全保障。

在工程應用方面，SUHPC技術顯著提升了施工效率。由於其超高的強度，支護層厚度可以大幅減少，這不僅節省了材料用量，也縮短了施工週期。與傳統噴射混凝土需要數十釐米厚度相比，而使用SUHPC技術後，僅需幾釐米的厚度就能達到相同甚至更好的支護效果。

從經濟效益角度來看，雖然SUHPC材料的單價相對較高，但其綜合成本效益卻十分突出。更薄的支護層意味着更大的儲氫空間，更好的耐久性意味着更低的維護成本，更高的可靠性意味着更少的安全風險。這些因素綜合起來，使得SUHPC技術在全生命週期內具有明顯的經濟優勢。

跨領域應用的無限可能

此次技術在巖洞儲氫領域的成功應用，標誌着噴射UHPC技術的應用範圍實現了重要拓展。專家指出，這一成功實踐不僅爲氫能產業提供了技術支撐，也爲其他極端環境下的工程應用開闢了新路徑。

在海洋工程領域，SUHPC技術可以用於海上風電基礎、跨海大橋墩柱等結構的防護，其優異的抗腐蝕性能和耐久性能夠有效抵禦海洋環境的侵蝕。在覈工程領域，這種技術可以用於核廢料儲存設施的建設，其密實的結構能夠有效阻止放射性物質的泄漏。

在城市基礎設施建設中，SUHPC技術也有廣闊的應用前景。老舊建築的加固改造、地下空間的開發利用、綜合管廊的建設等，都可以從這一技術中受益。特別是在地震多發地區，SUHPC優異的韌性和抗震性能能夠爲建築物提供更好的安全保障。

各儲氫場景下資本支出成本（CAPEX）組成，其中DGR（depleted gas reservoir）爲枯竭氣藏；SC（salt cavern）爲鹽穴；LRC（Lined rock cavern）爲襯砌硐室

（圖片來源：中國科學院武漢岩土力學研究所）

產業化前景與技術示範意義

湖北大冶巖洞儲氫項目的成功，不僅是一個工程技術的突破，更是一個產業化發展的重要里程碑。這個項目爲SUHPC技術的規模化推廣與產業化落地積累了寶貴的工程經驗，形成了從材料研發、裝備製造到施工應用的完整技術鏈條。

從技術示範的角度來看，這個項目的成功具有重要的引領作用。它向業界證明了，通過科學的技術路線和系統的工程實踐，完全可以解決氫能儲存這一世界性難題。這種技術信心的建立，對於推動整個氫能產業的發展具有不可估量的價值。

更重要的是，這個項目展示了產學研合作的巨大威力。中交第二航務工程局的工程實踐能力與中國科學院武漢岩土力學研究所的科研創新能力相結合，形成了從基礎研究到工程應用的完整創新鏈條。這種合作模式爲其他技術創新提供了有益借鑑。

隨着技術的不斷成熟和應用經驗的積累，我們有理由相信，SUHPC技術將在更多領域發揮重要作用。從地下空間的開發到極端環境的工程建設，從傳統基礎設施的改造到新興產業的支撐，這一技術正在重新定義混凝土材料的應用邊界。而在這個過程中，中國的科技創新正在爲全球氫能產業的發展貢獻着獨特的智慧和力量。

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學）

監製：中國科普博覽