在這紛繁忙碌的世界里，堅(jiān)持終會(huì)迎來收獲。北京科技大學(xué)土木系教授周曉敏，多年潛心教學(xué)與科研，忙忙碌碌，難有自己的時(shí)間，但在退休前，他如愿完成了教材《現(xiàn)代土木工程施工》的發(fā)行。這部教材凝聚了其20余年的教學(xué)心得與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，既系統(tǒng)梳理了施工技術(shù)理論，又融入了前沿工程案例，成為土木工程領(lǐng)域一部兼具學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)用意義的力作。

▲周曉敏

為深入了解這本教材背后的創(chuàng)作歷程，以及周曉敏數(shù)十載教書育人的心得體會(huì)，我們特別策劃了本次專訪。

約訪周曉敏并非易事。教學(xué)、科研、指導(dǎo)學(xué)生……他的日程總是排得很滿，幾經(jīng)協(xié)調(diào)，采訪才得以完成。以下為訪談內(nèi)容：

《現(xiàn)代土木工程施工》教材出書歷程

科學(xué)中國人：周老師，很高興能夠約訪到您！我們了解到您的《現(xiàn)代土木工程施工》已經(jīng)出版和使用了，能否回顧一下出書的過程？20余年磨一劍，您有何感悟和體會(huì)？

周曉敏：謝謝您的約訪。說實(shí)話，能完成這本教材是我教學(xué)生涯中非常重要的一件事，也是我今天能有點(diǎn)底氣接受采訪的原因。作為普通教授，本科教學(xué)是我們的基本職責(zé)，但考核是多維度的——既要帶研究生，又要參與工程建設(shè)科研，教學(xué)與科研相輔相成、同頻共振。

▲《現(xiàn)代土木工程施工》

說起這本教材，初始立項(xiàng)時(shí)我只是本著一種責(zé)任感——既然擔(dān)任這門課程的教學(xué)工作，就覺得應(yīng)該編寫一本能夠留存下來的教材。但我當(dāng)時(shí)并沒有意識(shí)到這個(gè)工程的難度。別人出版教材可能兩三年就能完成，我卻打了一場持久戰(zhàn)，直到臨近退休才最終完成。其中的艱辛和收獲，真是難以用言語簡單概括。

雖然工作壓力一直不小，但很欣慰我最終完成了這項(xiàng)基礎(chǔ)任務(wù)：將20多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Y(jié)成這本教材。只是轉(zhuǎn)眼已到花甲之年，只能自嘲地說一句：笨鳥不曾先飛，如今就讓我多飛幾年，申請(qǐng)延退到65歲吧。

科學(xué)中國人：是什么促使您傾注多年心力編寫這本教材的？最終完成時(shí)您的感觸是什么？

周曉敏：我是恢復(fù)高考后第五屆畢業(yè)的大學(xué)生，在科研型企業(yè)工作20年，2005年來到高校，承擔(dān)了一門施工課教學(xué)任務(wù)，盡管已有了近20年的礦山和市政工程施工經(jīng)驗(yàn)，但施工經(jīng)驗(yàn)僅限于井巷或隧道工程，是土木工程領(lǐng)域分支中的分支，所以，一開始大學(xué)本科教學(xué)壓力還是很大的。我每年科研和教學(xué)時(shí)間分別各占一半，寒暑假和周末節(jié)假日都要包括在內(nèi)。我的安排是上半年以本科教學(xué)為主，科研為輔；下半年則反之，時(shí)間安排滿滿。每學(xué)期面對(duì)一百余名本科生，從課堂授課、作業(yè)批改到命題考試、閱卷登分，一系列教學(xué)工作往往需要投入大量時(shí)間與精力。盡管研究生們能在教學(xué)輔助和作業(yè)批改方面分擔(dān)部分壓力，但每學(xué)期結(jié)束時(shí)，我對(duì)本科教學(xué)的效果總會(huì)感到些許遺憾。然而，受橫向科研合同的進(jìn)度壓力所限，我又不得不迅速將精力轉(zhuǎn)向科研工作。在教學(xué)與科研之間，既不愿辜負(fù)學(xué)生的期待，也不想違背項(xiàng)目的約定，我只能在兩者的平衡中勉力前行。

趕上我們“土木大發(fā)展”年代，在數(shù)年教學(xué)中，我發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的教材越來越不能跟進(jìn)我國土木技術(shù)發(fā)展節(jié)奏，且章節(jié)和內(nèi)容繁多，限定的課時(shí)難以完成，因此萌發(fā)了寫一本能夠適應(yīng)土木新時(shí)代發(fā)展需要的教材作為自己這輩子教學(xué)使命任務(wù)的想法。

這門專業(yè)課長期由我獨(dú)自承擔(dān)教學(xué)任務(wù)。2014年教材立項(xiàng)后，我先獨(dú)自編寫了4年，于2017年完成800多頁的初稿。心想先多點(diǎn)，別少了，有時(shí)間可以來精簡。但是土木工程施工發(fā)展也是日新月異、涉及領(lǐng)域廣，我在內(nèi)容取舍上遇到很大困難。為此，我特別邀請(qǐng)本科母校山東科技大學(xué)的林躍忠老師加入編寫團(tuán)隊(duì)，共同進(jìn)行精簡工作。轉(zhuǎn)眼到了2019年年末，恰逢新冠疫情時(shí)期，外出科研活動(dòng)減少，我們可集中精力投入教材編寫，2023年年底最終順利完成這本教材的打磨工作，我如釋重負(fù)。

科學(xué)中國人：能否談?wù)勥@本教材的特點(diǎn)？

周曉敏：《現(xiàn)代土木工程施工》的誕生，是一次對(duì)傳統(tǒng)教材體系的突破與重構(gòu)。在我國高校沿用多年的《土木工程施工》教材框架下，通過對(duì)跨行業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)研究，我們最終將教材定名為《現(xiàn)代土木工程施工》——“現(xiàn)代”二字的增補(bǔ)，不只是書名之變，更代表高標(biāo)準(zhǔn)，是貫穿全書體系的全新構(gòu)思。

新教材創(chuàng)新性地提煉出“砌筑、土石方、樁墻基、鋪設(shè)、吊裝、統(tǒng)籌”六大核心關(guān)鍵詞，并以此構(gòu)建起全新的知識(shí)框架單元和知識(shí)點(diǎn)。與以往教材相比，這本教材不是簡單地進(jìn)行內(nèi)容刪減，而是從底層共性原理入手，通過模塊化重組，實(shí)現(xiàn)了必修學(xué)時(shí)的知識(shí)點(diǎn)優(yōu)化，使研讀者更快掌握施工精華，節(jié)省時(shí)間吸收新理論新方法，進(jìn)而提高批判性學(xué)習(xí)與舉一反三的能力。

在教材內(nèi)容編排上，我們以“鋼筋混凝土”這一具有“現(xiàn)代”標(biāo)志的通用性土木工程技術(shù)為起點(diǎn)，采用“地下→地面→地上”的豎向空間發(fā)展脈絡(luò)，勾勒出完整的現(xiàn)代施工知識(shí)圖譜；同時(shí)通過“地基→基礎(chǔ)→上部建筑”的三步流程展現(xiàn)出土木工程施工基本原理，并隱示一種普適行事方法或哲理。

特別值得一提的是第七章《統(tǒng)籌與施工組織》。按我國寬口徑特色土木專業(yè)教學(xué)大綱，“土木工程施工”是土木專業(yè)六大核心知識(shí)領(lǐng)域之一，教材內(nèi)容劃分上包括兩大部分，一部分是“土木施工技術(shù)”，另一部分是“施工組織”。新教材以“統(tǒng)籌”為關(guān)鍵詞，將這些內(nèi)容統(tǒng)一設(shè)置在第七章中，章節(jié)數(shù)占比少，卻是最具挑戰(zhàn)性的。因?yàn)檫@部分內(nèi)容是不可被“工程管理”課程所替代的。這是一個(gè)既抽象又具體的理論方法，既要讓學(xué)生學(xué)習(xí)前5章以具象為主的“施工技術(shù)”原理方法，又要讓學(xué)生開悟到根植于中國文化傳統(tǒng)，并彰顯紅色基因的“統(tǒng)籌組織”的思想精髓，培養(yǎng)他們“安全風(fēng)險(xiǎn)與質(zhì)量效益”“市場競爭與工程博弈”“綠色低碳可持續(xù)發(fā)展”等職業(yè)意識(shí)和專業(yè)能力。

這一章也深度挖掘了我國數(shù)學(xué)家華羅庚先生創(chuàng)立的“統(tǒng)籌學(xué)”理論。這源于我大學(xué)時(shí)期的學(xué)習(xí)經(jīng)歷——母校山東礦院周文安教授曾傳授給我們?nèi)A羅庚統(tǒng)籌學(xué)理論和一個(gè)個(gè)大型礦山建設(shè)工程的應(yīng)用案例。作為數(shù)學(xué)家華老先生的同鄉(xiāng)，我自幼耳濡目染，也聽過不少他關(guān)愛青少年成長的科普講座，深受其“厚薄法”學(xué)習(xí)與治學(xué)思想的熏陶。華老20世紀(jì)70年代提出的“大統(tǒng)籌、理數(shù)據(jù)、建系統(tǒng)、策發(fā)展”十二字訣，其學(xué)術(shù)思想至今對(duì)土木工程發(fā)展和國家建設(shè)仍在發(fā)揮重大影響。

在新工科建設(shè)背景下，如何將建筑信息模型（BIM）與數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)新深度融入土木工程領(lǐng)域，推動(dòng)智能建造向智慧建造的轉(zhuǎn)型升級(jí)？面對(duì)大數(shù)據(jù)與AI大模型引領(lǐng)的技術(shù)革命，土木專業(yè)如何踐行“低碳綠色可持續(xù)發(fā)展”的全球理念，服務(wù)“一帶一路”倡議實(shí)施？……這些前沿議題都會(huì)在第七章系統(tǒng)探討。

巖土工程“包神支護(hù)”公式和理論的誕生始末

科學(xué)中國人：多年科研和教學(xué)的經(jīng)歷對(duì)您產(chǎn)生的影響有哪些？在解決深部工程高水壓支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)難題上，您和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了“包神支護(hù)”理論，能否回顧一下它的誕生過程？

周曉敏：在20多年的高等教育職業(yè)生涯中，我深刻體會(huì)到科研與教學(xué)兩者之間的相輔相成。長期工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)積累，寬口徑跨行業(yè)教學(xué)經(jīng)歷，拓寬了我的理論視野，提高了我的技術(shù)能力。

▲“包神支護(hù)”公式

21世紀(jì)初，隨著我國煤炭建設(shè)重心向陜甘寧蒙等西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，礦山井筒建設(shè)遇到了很多與之前在蘇魯皖冀等東部省區(qū)不一樣的新難題，如在松軟表土淺、富含水基巖厚的大西北，要建設(shè)一大批超大型煤礦，井筒凈直徑普遍超過7米，有的甚至達(dá)到12米，深度普遍達(dá)到700米以上，甚至千米以深。起初，有人認(rèn)為西部煤礦井筒建設(shè)問題不大，因?yàn)橹饕鎸?duì)基巖而非表土，即便有深埋地下水存在，采用工作面注漿法加固也不會(huì)有問題。然而，在眾多的專家討論會(huì)上，針對(duì)“成巖年輕”富含水的粉細(xì)或砂礫巖，我的主張是優(yōu)先采用凍結(jié)法施工。但在實(shí)際應(yīng)用中，照搬現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)凍結(jié)井筒井壁時(shí)，又一尖銳問題出現(xiàn)了，深埋高水壓導(dǎo)致的井壁厚度計(jì)算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出經(jīng)驗(yàn)預(yù)期，使用的混凝土等級(jí)也要超過C70以上。當(dāng)時(shí)的現(xiàn)實(shí)情況卻是工作面注漿法在鑿井過程中屢屢失敗，凍結(jié)法鑿井在實(shí)戰(zhàn)和競標(biāo)中逐漸脫穎而出，但留給設(shè)計(jì)人員一個(gè)難題，就是井壁設(shè)計(jì)理論和方法缺失。

2008年，內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)新建一家煤礦，這個(gè)礦副井、主井凈直徑分別是9.4米、6.5米，深度近700米。設(shè)計(jì)院按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范采用C50混凝土進(jìn)行井壁設(shè)計(jì)時(shí)，竟然要求襯砌厚度超8米，這在實(shí)際工程中是難以施行的。施工企業(yè)推薦我這個(gè)入職不久的教授來咨詢。我當(dāng)時(shí)主要擅長凍結(jié)工程施工，工藝研究是專長，在凍結(jié)井壁設(shè)計(jì)方面經(jīng)驗(yàn)不足。但我能挑戰(zhàn)，這個(gè)難題為我開辟了科研新方向。

針對(duì)這一問題，我們馬上投入研究，并很快找到了問題的癥結(jié)：傳統(tǒng)井壁設(shè)計(jì)理論仍未突破地面建筑荷載結(jié)構(gòu)法的思維局限，沒能考慮到圍巖和襯砌相互作用，也不能破解地下水滲流與巖體的耦合問題。我們從研究微分方程開始，基于新奧法思想，借鑒了土力學(xué)中太沙基有效應(yīng)力原理，建立了地層結(jié)構(gòu)無限域的平面應(yīng)變力學(xué)模型，推導(dǎo)出了應(yīng)力場和位移場解析表達(dá)式，并最終求得了井筒襯砌厚度的解析計(jì)算公式。理論成果在2009年9月發(fā)表于《煤炭學(xué)報(bào)》，同年就獲中國神華集團(tuán)包頭礦務(wù)局的科研經(jīng)費(fèi)支持。我們摒棄傳統(tǒng)地面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法，將圍巖與井壁一起納入試驗(yàn)，在國際巖土界率先開展了基于“流固”耦合的加載模式。試驗(yàn)結(jié)果令人喜出望外，和解析理論高度吻合。于是我們將這一解析理論研究獲得的主要表達(dá)式命名為“包神襯砌”公式。這個(gè)公式成功破解了煤礦深豎井井壁厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算瓶頸。2013年，我們將此成功應(yīng)用于我國最深煤礦豎井——河北磁西礦1342米的副立井井壁設(shè)計(jì)中一個(gè)地面預(yù)注漿施工的井筒，設(shè)計(jì)了單段掘砌的C60混凝土單層井壁，最大厚度900毫米。同期還開展了現(xiàn)場實(shí)測，實(shí)測應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值完全在解析設(shè)計(jì)計(jì)算的安全值范圍之內(nèi)。

2016年，在科技部“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)課題中，我們繼續(xù)聚焦金屬礦深豎井建設(shè)，承擔(dān)井壁設(shè)計(jì)理論研究任務(wù)。在實(shí)地調(diào)研金屬礦時(shí)，我們又發(fā)現(xiàn)一個(gè)棘手的問題：“包神襯砌”公式在金屬礦山豎井井壁厚度計(jì)算上“失效”了。原因是金屬礦山圍巖的彈性模量普遍高于人造石“混凝土”，包神公式的根號(hào)中出現(xiàn)負(fù)數(shù)，無法開方。而實(shí)際工程中有一個(gè)表象情況是：金屬礦豎井襯砌混凝土等級(jí)不超C40，井壁厚度通常在500～600毫米，這看似一個(gè)無需研究的課題；但金屬礦豎井也常有因地下水難以建造的問題，也存在破碎圍巖和高水壓等支護(hù)難題，如何構(gòu)思金屬礦山的井壁建設(shè)計(jì)理論？這一困惑又讓我想起了一個(gè)長期縈繞大家心頭的疑問：“注漿法”鑿井的井壁厚度可以很薄，而“凍結(jié)法”鑿井的井壁厚度很厚，這種差異為什么存在？合理嗎？

為解決這一難題，我們又廣泛查閱文獻(xiàn)，關(guān)注到美國明尼蘇達(dá)州立大學(xué)巖石力學(xué)教授C.卡蘭薩-托雷斯（C. Carranza-Torres）的圓洞錨桿支護(hù)解析理論，悟到了他們的研究成果與“包神襯砌”公式存在內(nèi)在聯(lián)系，于是我們又把理論研究伸向了“注漿錨桿”，又挖掘到新寶藏，由此收獲了“襯砌類、加固類、襯砌加固復(fù)合類”三大地下支護(hù)結(jié)構(gòu)分類的新思想，隨即將“包神襯砌”更名為“包神支護(hù)”。這一更名之巧，將包神支護(hù)解析計(jì)算覆蓋到全圍巖，無論是表土還是基巖，軟巖還是硬巖，無論是煤礦還是非煤礦山，無論是凍結(jié)壁臨時(shí)支護(hù)還是注漿加固永久支護(hù)，設(shè)計(jì)問題迎刃而解，從而構(gòu)建出基于“應(yīng)力承載”和“地下水流量”雙控制的高水壓地下結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)理論。在此，我要向礦山建井界同行說明一下：“井壁”就是井筒工程中“支護(hù)”的代名詞，而不僅僅是傳統(tǒng)觀念中的人工構(gòu)造物“襯砌”。

“包神支護(hù)”設(shè)計(jì)理論盡管由礦山井筒井壁設(shè)計(jì)計(jì)算問題而來，但對(duì)于深埋隧道支護(hù)也是可以借鑒和應(yīng)用的，揭示的支護(hù)原理是科學(xué)深刻的，也契合了“包神”一詞的中文詞義，希望能吸引更多學(xué)者的關(guān)注，進(jìn)一步深研相關(guān)領(lǐng)域的理論問題。

人才培養(yǎng)與未來展望

科學(xué)中國人：您在人才培養(yǎng)方面有何感悟？

周曉敏：從科研型企業(yè)研究者轉(zhuǎn)型投身高等教育事業(yè)，是我畢生之幸。在此，我要感謝我本、碩、博導(dǎo)師的悉心培養(yǎng)。近20載執(zhí)教生涯，我雖歷艱辛，卻因收獲教育公益而倍感欣慰。這些年我共培養(yǎng)碩士畢業(yè)生65名、博士畢業(yè)生7名、博士后1名，其中包括3名國外碩士留學(xué)生。目前還有7名碩士生和5名博士生在讀，其中一位是外國博士生。

與學(xué)生相處留下了一個(gè)個(gè)令人難忘的故事，我們也共同經(jīng)歷了學(xué)術(shù)探索的艱辛與收獲的喜悅，有過學(xué)術(shù)觀點(diǎn)和性格情感的碰撞，也有過課堂教學(xué)和工地實(shí)戰(zhàn)的經(jīng)歷。如今看到他們各自生活順暢和工作有成，我也感到無比欣慰和驕傲。

科學(xué)中國人：您延期退休了，對(duì)未來幾年有何憧憬？

周曉敏：當(dāng)今土木工程和其他領(lǐng)域一樣，正面臨AI時(shí)代帶來的重大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。我能在退休前趕上這波技術(shù)浪潮，倍感振奮，也希望借助AI的力量迎來自己的金秋收獲季節(jié)。恰逢北京科技大學(xué)即將在雄安新區(qū)開啟新篇章，我愿把握這個(gè)歷史機(jī)遇，以更好的成果回報(bào)這個(gè)偉大時(shí)代。