劉燁華 楊玉鋒 趙子杰

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048)

1 工程背景

2022年冬奧會(huì)延慶賽區(qū)位于北京市延慶區(qū)西北約18km的海坨山，覆蓋張山營(yíng)鎮(zhèn)西大莊科村及其周邊地區(qū)，該賽區(qū)計(jì)劃舉辦高山滑雪、有舵雪橇、無(wú)舵雪橇和俯式冰橇等項(xiàng)目，計(jì)劃建設(shè)國(guó)家高山滑雪中心、國(guó)家雪車(chē)雪橇中心、奧運(yùn)村和媒體中心等場(chǎng)館。

根據(jù)《北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)延慶賽區(qū)水資源與水環(huán)境保障規(guī)劃》，從外部至延慶賽區(qū)，需建設(shè)冬奧會(huì)延慶賽區(qū)造雪引水及集中供水工程等，保障延慶賽區(qū)造雪、生活用水需求及中水排放需求。而同期北京市規(guī)劃和國(guó)土資源管理委員會(huì)等編制的《2022年冬奧會(huì)延慶賽區(qū)外部市政專項(xiàng)規(guī)劃》，延慶賽區(qū)周邊現(xiàn)有市政基礎(chǔ)設(shè)施沒(méi)有考慮冬奧會(huì)舉辦的需求，需要增強(qiáng)賽區(qū)及關(guān)聯(lián)區(qū)域市政基礎(chǔ)設(shè)施保障能力。

綜合管廊將電力、通信、燃?xì)?、給水、熱力、排水等多種管線集約化地集合鋪設(shè)在隧道空間中，是目前較先進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施管網(wǎng)布置形式，可提高城市管線建設(shè)安全與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)有限空間的綜合利用效率。故綜合各類(lèi)市政管線從外部到奧運(yùn)村的共同需求，佛峪口水庫(kù)至賽區(qū)新建塘壩段采用綜合管廊形式，除水務(wù)管線外，擬入廊管線還包括2～4條110kV電力管線、2～4條10kV電力管線，12孔電信管道，4孔有線電視管道，線路全長(zhǎng)約7km。

2 工程條件

冬奧會(huì)延慶賽區(qū)外圍配套綜合管廊地處山嶺，路線的選定受縱坡、地形地質(zhì)和生態(tài)環(huán)保要求等多方面影響，結(jié)合不同的線路走向擬定了東線、西線和松閆路三條線路，依據(jù)《中華人民共和國(guó)森林法》《中華人民共和國(guó)自然保護(hù)區(qū)條例》及《北京松山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)總體規(guī)劃》等規(guī)定，松山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)、緩沖區(qū)內(nèi)施工活動(dòng)被嚴(yán)格禁止，且在山體中開(kāi)挖形成管廊，與松閆路明挖法比較，可以極大地減少對(duì)地面交通和生產(chǎn)活動(dòng)的影響，避免大量的拆遷拆除。因此，確定佛峪口水庫(kù)西側(cè)開(kāi)挖隧洞構(gòu)成綜合管廊的西線為推薦的實(shí)施方案，見(jiàn)圖1。

圖1 綜合管廊路由示意 (西線為推薦方案)

隧洞穿越松山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的試驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)，其中佛峪口水庫(kù)至西大莊科村段沿線有松閆路通行，沿線具備設(shè)支洞條件處與松閆路相交或相鄰。進(jìn)口段海拔550m，出口段海拔1100m，高差達(dá)550m，除進(jìn)出口共320m淺埋深段為碎石土，屬于白云質(zhì)灰?guī)r、石英巖接觸帶，間有斷層破碎帶外，上部主要巖性為燕山晚期花崗巖，石英含量25%～45%，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖合計(jì)約1034m，占比29%，基本無(wú)集中地下涌水區(qū)段。在山體間溝谷地帶分布有第四系松散覆蓋層。

本工程地處海坨山山區(qū)及山前區(qū)域，屬于松山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，佛峪口水庫(kù)至西大莊科村段沿線有松閆公路通行，現(xiàn)狀為雙車(chē)道約7m寬的瀝青路面。起點(diǎn)處位于佛峪口水庫(kù)管理處院內(nèi)果園，場(chǎng)地較為平整開(kāi)闊，通過(guò)寬4～5m的縣鄉(xiāng)道路與古龍路相接，可設(shè)支洞處均鄰近松閆公路或奧運(yùn)場(chǎng)館臨時(shí)道路，隧洞沿線其他段現(xiàn)狀均無(wú)路通行，設(shè)備、材料運(yùn)輸困難。佛峪口水庫(kù)水質(zhì)、水量條件滿足施工生產(chǎn)和生活用水要求。沿松閆公路、佛峪口水庫(kù)和西大莊科村具備供電條件，除進(jìn)口處外，其他用電點(diǎn)需考慮與冬奧賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施用電結(jié)合使用。

根據(jù)冬奧組委及重大辦關(guān)于2019年底舉辦遠(yuǎn)東測(cè)試賽的要求，造雪引水工程需在2019年10月前完成，按2017年10月開(kāi)工考慮，總工期為25個(gè)月，外圍配套管廊工程需在2019年4月前具備管線入廊安裝條件，工期目標(biāo)為19個(gè)月。

3 工程實(shí)施情況

考慮水文地質(zhì)地形和各類(lèi)施工條件，工程所在區(qū)域整體縱坡為5%～10%，其中以延崇高速為界，受限于首、末端設(shè)計(jì)高程，上下游區(qū)域縱坡分別為5%和10%，延崇高速以北段2.7km長(zhǎng)隧洞縱坡9.8%，設(shè)兩處出支線用于施工期分段作業(yè)，采用鉆爆法施工。

延崇高速以南段隧洞，長(zhǎng)約3.5km，縱坡4.6%，埋深10～140m，設(shè)計(jì)斷面等效直徑不大于10m，巖性以中?；◢弾r為主，最大平均抗壓強(qiáng)度為150～200MPa，基本上無(wú)斷裂帶、涌水及大比例的軟弱巖層，結(jié)合施工條件、設(shè)備條件、環(huán)保生態(tài)和相關(guān)方需求，隧洞采用TBM工法逆坡單向掘進(jìn)，為首次采用TBM施工的地下綜合管廊，同時(shí)也是TBM工法在北京的首次應(yīng)用，于2017年9月中旬開(kāi)工建設(shè)，經(jīng)過(guò)4個(gè)月的進(jìn)口施工及設(shè)備組裝調(diào)試，TBM自2018年2月底始發(fā)，TBM施工開(kāi)始后，所處地層處于破碎帶需要處理，仍需1號(hào)支洞上馬；受?chē)鷰r條件不利、設(shè)備適用性和協(xié)調(diào)性差等因素影響，掘進(jìn)出現(xiàn)困難致使施工停滯近3個(gè)月，截至7月實(shí)際工作時(shí)間不足3個(gè)月，總進(jìn)尺約300m，掌子面塌方、刀盤(pán)被卡及設(shè)備故障次數(shù)達(dá)到7次，每次影響工期最多達(dá)到半個(gè)月，施工進(jìn)度嚴(yán)重滯后，遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期，且前方地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，2018年7月通過(guò)地勘資料和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析，前方仍剩余10m左右不良地質(zhì)及110mⅣ類(lèi)圍巖，工期存在極大的不確定性。

隧洞與多項(xiàng)冬奧基礎(chǔ)設(shè)施同期交叉作業(yè)，環(huán)境要求高、實(shí)施難度大、社會(huì)關(guān)注度高、工程風(fēng)險(xiǎn)高，在地質(zhì)條件沒(méi)有較大改善的情況下，如仍采用TBM繼續(xù)施工將會(huì)延長(zhǎng)工期，影響襯砌施工從而影響整體工期。而同期閆崇高速終點(diǎn)鉆爆法段進(jìn)展順利、工期可控，襯砌臺(tái)車(chē)可跟進(jìn)同步作業(yè)，工期仍留有一定的富余。根據(jù)施工條件并結(jié)合工程實(shí)施情況，對(duì)TBM工法和鉆爆法進(jìn)行了全面的分析比選。

4 工法分析及比選

4.1 TBM工法

4.1.1 經(jīng)濟(jì)合理性分析

目前世界上已有30多個(gè)國(guó)家使用TBM開(kāi)挖隧洞，可實(shí)現(xiàn)水平和小角度的長(zhǎng)距離大直徑隧洞施工，但從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度考慮，隨著區(qū)間長(zhǎng)度增加，進(jìn)出口基坑和豎井，TBM運(yùn)輸、組裝及調(diào)試等攤銷(xiāo)費(fèi)用逐漸減少，而洞內(nèi)物料運(yùn)距增加和降效窩工等導(dǎo)致的施工費(fèi)用逐漸增加，理論上對(duì)同一區(qū)段存在著經(jīng)濟(jì)合理長(zhǎng)度的最小區(qū)間范圍。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外已有設(shè)備的不完全統(tǒng)計(jì)，斷面大于4m時(shí)，隧洞長(zhǎng)度以在2km以上或者大于600倍直徑較為經(jīng)濟(jì)合理，隧洞長(zhǎng)度為3～6km時(shí)，成本下降最快，本工程屬于典型的山區(qū)隧洞，其經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度最小需保證在3km以上，在經(jīng)濟(jì)性上本段隧洞采用TBM施工不占優(yōu)勢(shì)。

4.1.2 縱橫斷面布置條件

TBM隧洞斷面以圓形斷面最為常見(jiàn)，根據(jù)洞內(nèi)各類(lèi)管線設(shè)施安裝及運(yùn)行需求，二次襯砌后成洞斷面直徑為8.8m，根據(jù)凈空需求和襯砌厚度確定TBM尺寸，TBM工法施工的隧洞直徑為10m。一般的圓形斷面利用率也相對(duì)較低，單延米鉆爆法標(biāo)準(zhǔn)橫斷面開(kāi)挖量67.52m2，單延米TBM工法標(biāo)準(zhǔn)橫斷面開(kāi)挖量78.54m2，單延米標(biāo)準(zhǔn)斷面開(kāi)挖量增加約16%。TBM工法施工的綜合管廊橫斷面見(jiàn)圖2。從便于施工角度出發(fā)，TBM隧洞平面線型需以直線和大曲率半徑的曲線為宜?？v坡除應(yīng)滿足運(yùn)行期功能性和施工期通行要求，施工期間的施工廢水和巖壁滲水能自流排出外，還要保證皮帶機(jī)出渣和運(yùn)輸效率，最佳縱坡范圍不宜大于2%～3%。本段隧洞計(jì)算縱坡為4.56%，TBM斷面布置和施工較為困難。

圖2 TBM工法施工的綜合管廊橫斷面 (單位：mm)

4.1.3 施工工序及工期分析

TBM隧洞施工的關(guān)鍵線路為施工準(zhǔn)備、TBM組裝調(diào)試、TBM掘進(jìn)、二襯施工等，結(jié)合秦嶺隧道、中天山隧道等長(zhǎng)距離隧洞工程，TBM掘進(jìn)與二襯施工可以同步交叉進(jìn)行，但互相干擾效率降低。

TBM工法所需工期受眾多因素影響，施工組織調(diào)整受限，工期保證率較低。經(jīng)調(diào)研，遼寧大伙房水庫(kù)輸水工程TBM在塌方段卡機(jī)事故處理時(shí)間約為7個(gè)月，TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)及更換主軸承約需4個(gè)月；云南上公山隧洞掘進(jìn)4個(gè)月卡機(jī)11次，被迫放棄調(diào)整施工方法。本工程Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖合計(jì)約1034m，占比29.5%，且石英含量25%～45%，斷層、石英含量等地質(zhì)情況均可能對(duì)TBM施工工期造成較大影響。

4.2 鉆爆法

鉆爆法適用于各種地質(zhì)條件和地下水條件，通過(guò)分部開(kāi)挖和輔助工法可有效控制地表下沉和坍塌，從綜合效益出發(fā)是比較經(jīng)濟(jì)的一種方法。與TBM工法相比，鉆爆法對(duì)圍巖勻質(zhì)性無(wú)要求，具有適合各種斷面形式和斷面變化的高度靈活性，有利于綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計(jì)和管廊內(nèi)管線優(yōu)化布置。在較短的開(kāi)挖區(qū)段使用，也較為經(jīng)濟(jì)。采用鉆爆法時(shí)斷面為城門(mén)洞形，隧洞開(kāi)挖跨徑8.6m，高8.6m，成洞高度7m。鉆爆法施工的綜合管廊橫斷面見(jiàn)圖3。

圖3 鉆爆法施工的綜合管廊橫斷面 (單位：mm)

鉆爆法技術(shù)成熟，施工及布置調(diào)整比較靈活，工期保證率較高。采用鉆爆法施工隧洞，含隧洞開(kāi)挖、初襯及二襯的施工總工期為19個(gè)月，按現(xiàn)有兩處支洞條件考慮，在采取增加資源投入、壓縮循環(huán)作業(yè)時(shí)間后，可在6個(gè)月內(nèi)完成全部隧洞項(xiàng)目施工，滿足工期要求，并且在施工順利的情況下，可為管廊內(nèi)入廊管線安裝調(diào)試提供一定的工期裕度。

鉆爆法施工需在進(jìn)口及施工支洞口布置施工區(qū)，占地面積約3.1萬(wàn)m2，其中起點(diǎn)處施工區(qū)洞臉施工占地、明挖管線施工占地等共1.5萬(wàn)m2；施工支洞2處，出口工作面1處，每處布置施工生產(chǎn)區(qū)占地面積各5000～5500m2，共計(jì)約1.6萬(wàn)m2。起點(diǎn)處施工區(qū)設(shè)10/0.4kV、容量2000kVA變壓器，出口處的施工作業(yè)面設(shè)10/0.4kV、容量1250kVA變壓器，2處施工支洞處各設(shè)10/0.4kV、容量2000kVA變壓器，可滿足施工用電需求。

隧洞采用鉆爆法施工，使用大量炸藥，炸藥按有關(guān)規(guī)定嚴(yán)格管理，建設(shè)符合標(biāo)準(zhǔn)的專用庫(kù)房用于炸藥集中存放，嚴(yán)控各種爆破器材與居民區(qū)和公路的距離，保證工程施工安全。

兩種工法的全面分析對(duì)比見(jiàn)表1?？紤]到受工期緊張、地質(zhì)條件不確定等外部條件制約，基于本項(xiàng)目隧洞較短，斷層、溝谷等占比較大，巖石內(nèi)石英含量較高，且TBM工法投資較高，在當(dāng)前工程實(shí)施中應(yīng)用分段鉆爆法施工較為合理、穩(wěn)妥。

表1 不同工法的全面分析比選

5 施工中的工法應(yīng)用

根據(jù)管廊內(nèi)穿線路的永久功能及施工需要，在山前臺(tái)地或埡口溝谷區(qū)域布置2個(gè)施工支洞及出口作業(yè)面分段平行作業(yè)，開(kāi)工時(shí)同期進(jìn)行支洞開(kāi)挖及襯砌，盡可能提供一定的回轉(zhuǎn)余地以確保工程按期完工，并為洞內(nèi)管線預(yù)留適合的工期和較好的工作條件。

考慮TBM再向前掘進(jìn)至1號(hào)支洞處出洞，余下1+570～出口段隧洞開(kāi)挖方法由TBM法改為鉆爆法，斷面型式由圓形調(diào)整為城門(mén)洞形。1號(hào)支洞兼做主洞1+570～2+440開(kāi)挖支護(hù)和二襯的施工通道，斷面型式由5.5m×6.1m加大至7m×6.5m。2號(hào)支洞增開(kāi)作業(yè)面以保障工期，用于2+440～3+060開(kāi)挖支護(hù)和二襯的施工通道。通過(guò)支洞的補(bǔ)充勘察、征占地、伐移及施工等工作的加速推進(jìn)，兩個(gè)施工支洞分別于8月和10月中旬具備進(jìn)洞分段作業(yè)條件，TBM在10月中旬掘進(jìn)至1號(hào)支洞處開(kāi)始拆卸出洞。綜合管廊隧洞施工平面總體布置見(jiàn)圖4。

圖4 綜合管廊施工平面總體布置

工程于2019年1月實(shí)現(xiàn)管廊全線隧洞貫通，4月完成管廊主體工程施工，總體上實(shí)現(xiàn)了各方預(yù)期的工期目標(biāo)，為2019年9月完成廊內(nèi)各類(lèi)管線敷設(shè)、設(shè)施安裝提供了保障，最終在2019年11月成功實(shí)現(xiàn)通水運(yùn)行。

6 結(jié) 語(yǔ)

冬奧外圍配套綜合管廊工程于2017年9月開(kāi)工建設(shè)，2019年11月成功實(shí)現(xiàn)通水運(yùn)行，為北京市奧運(yùn)供水安全和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了有力保障，這是北京市首次在山區(qū)建設(shè)綜合管廊，也是國(guó)內(nèi)首例山嶺綜合管廊隧道工程。鉆爆法適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、可靠性高、工程風(fēng)險(xiǎn)可控，可以在保證施工安全兼顧經(jīng)濟(jì)合理的前提下實(shí)現(xiàn)預(yù)定工期目標(biāo)。