冬奧會外圍配套綜合管廊工程工法分析及應用

劉燁華 楊玉鋒 趙子杰

(北京市水利規劃設計研究院，北京 100048)

1 工程背景

2022年冬奧會延慶賽區位于北京市延慶區西北約18km的海坨山，覆蓋張山營鎮西大莊科村及其周邊地區，該賽區計劃舉辦高山滑雪、有舵雪橇、無舵雪橇和俯式冰橇等項目，計劃建設國家高山滑雪中心、國家雪車雪橇中心、奧運村和媒體中心等場館。

根據《北京2022年冬奧會和冬殘奧會延慶賽區水資源與水環境保障規劃》，從外部至延慶賽區，需建設冬奧會延慶賽區造雪引水及集中供水工程等，保障延慶賽區造雪、生活用水需求及中水排放需求。而同期北京市規劃和國土資源管理委員會等編制的《2022年冬奧會延慶賽區外部市政專項規劃》，延慶賽區周邊現有市政基礎設施沒有考慮冬奧會舉辦的需求，需要增強賽區及關聯區域市政基礎設施保障能力。

綜合管廊將電力、通信、燃氣、給水、熱力、排水等多種管線集約化地集合鋪設在隧道空間中，是目前較先進的基礎設施管網布置形式，可提高城市管線建設安全與標準，實現有限空間的綜合利用效率。故綜合各類市政管線從外部到奧運村的共同需求，佛峪口水庫至賽區新建塘壩段采用綜合管廊形式，除水務管線外，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，線路全長約7km。

2 工程條件

冬奧會延慶賽區外圍配套綜合管廊地處山嶺，路線的選定受縱坡、地形地質和生態環保要求等多方面影響，結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《中華人民共和國森林法》《中華人民共和國自然保護區條例》及《北京松山國家級自然保護區總體規劃》等規定，松山自然保護區核心區、緩沖區內施工活動被嚴格禁止，且在山體中開挖形成管廊，與松閆路明挖法比較，可以極大地減少對地面交通和生產活動的影響，避免大量的拆遷拆除。因此，確定佛峪口水庫西側開挖隧洞構成綜合管廊的西線為推薦的實施方案，見圖1。

圖1 綜合管廊路由示意 (西線為推薦方案)

隧洞穿越松山國家級自然保護區的試驗區和緩沖區，其中佛峪口水庫至西大莊科村段沿線有松閆路通行，沿線具備設支洞條件處與松閆路相交或相鄰。進口段海拔550m，出口段海拔1100m，高差達550m，除進出口共320m淺埋深段為碎石土，屬于白云質灰巖、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類圍巖合計約1034m，占比29%，基本無集中地下涌水區段。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及山前區域，屬于松山國家級自然保護區，佛峪口水庫至西大莊科村段沿線有松閆公路通行，現狀為雙車道約7m寬的瀝青路面。起點處位于佛峪口水庫管理處院內果園，場地較為平整開闊，通過寬4～5m的縣鄉道路與古龍路相接，可設支洞處均鄰近松閆公路或奧運場館臨時道路，隧洞沿線其他段現狀均無路通行，設備、材料運輸困難。佛峪口水庫水質、水量條件滿足施工生產和生活用水要求。沿松閆公路、佛峪口水庫和西大莊科村具備供電條件，除進口處外，其他用電點需考慮與冬奧賽區基礎設施用電結合使用。

根據冬奧組委及重大辦關于2019年底舉辦遠東測試賽的要求，造雪引水工程需在2019年10月前完成，按2017年10月開工考慮，總工期為25個月，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，工期目標為19個月。

3 工程實施情況

考慮水文地質地形和各類施工條件，工程所在區域整體縱坡為5%～10%，其中以延崇高速為界，受限于首、末端設計高程，上下游區域縱坡分別為5%和10%，延崇高速以北段2.7km長隧洞縱坡9.8%，設兩處出支線用于施工期分段作業，采用鉆爆法施工。

延崇高速以南段隧洞，長約3.5km，縱坡4.6%，埋深10～140m，設計斷面等效直徑不大于10m，巖性以中粒花崗巖為主，最大平均抗壓強度為150～200MPa，基本上無斷裂帶、涌水及大比例的軟弱巖層，結合施工條件、設備條件、環保生態和相關方需求，隧洞采用TBM工法逆坡單向掘進，為首次采用TBM施工的地下綜合管廊，同時也是TBM工法在北京的首次應用，于2017年9月中旬開工建設，經過4個月的進口施工及設備組裝調試，TBM自2018年2月底始發，TBM施工開始后，所處地層處于破碎帶需要處理，仍需1號支洞上馬；受圍巖條件不利、設備適用性和協調性差等因素影響，掘進出現困難致使施工停滯近3個月，截至7月實際工作時間不足3個月，總進尺約300m，掌子面塌方、刀盤被卡及設備故障次數達到7次，每次影響工期最多達到半個月，施工進度嚴重滯后，遠未達到預期，且前方地質構造復雜，2018年7月通過地勘資料和超前地質預報分析，前方仍剩余10m左右不良地質及110mⅣ類圍巖，工期存在極大的不確定性。

隧洞與多項冬奧基礎設施同期交叉作業，環境要求高、實施難度大、社會關注度高、工程風險高，在地質條件沒有較大改善的情況下，如仍采用TBM繼續施工將會延長工期，影響襯砌施工從而影響整體工期。而同期閆崇高速終點鉆爆法段進展順利、工期可控，襯砌臺車可跟進同步作業，工期仍留有一定的富余。根據施工條件并結合工程實施情況，對TBM工法和鉆爆法進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 經濟合理性分析

目前世界上已有30多個國家使用TBM開挖隧洞，可實現水平和小角度的長距離大直徑隧洞施工，但從經濟和技術角度考慮，隨著區間長度增加，進出口基坑和豎井，TBM運輸、組裝及調試等攤銷費用逐漸減少，而洞內物料運距增加和降效窩工等導致的施工費用逐漸增加，理論上對同一區段存在著經濟合理長度的最小區間范圍。根據目前國內外已有設備的不完全統計，斷面大于4m時，隧洞長度以在2km以上或者大于600倍直徑較為經濟合理，隧洞長度為3～6km時，成本下降最快，本工程屬于典型的山區隧洞，其經濟長度最小需保證在3km以上，在經濟性上本段隧洞采用TBM施工不占優勢。

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，根據洞內各類管線設施安裝及運行需求，二次襯砌后成洞斷面直徑為8.8m，根據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較低，單延米鉆爆法標準橫斷面開挖量67.52m2，單延米TBM工法標準橫斷面開挖量78.54m2，單延米標準斷面開挖量增加約16%。TBM工法施工的綜合管廊橫斷面見圖2。從便于施工角度出發，TBM隧洞平面線型需以直線和大曲率半徑的曲線為宜。縱坡除應滿足運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，還要保證皮帶機出渣和運輸效率，最佳縱坡范圍不宜大于2%～3%。本段隧洞計算縱坡為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隧洞施工的關鍵線路為施工準備、TBM組裝調試、TBM掘進、二襯施工等，結合秦嶺隧道、中天山隧道等長距離隧洞工程，TBM掘進與二襯施工可以同步交叉進行，但互相干擾效率降低。

TBM工法所需工期受眾多因素影響，施工組織調整受限，工期保證率較低。經調研，遼寧大伙房水庫輸水工程TBM在塌方段卡機事故處理時間約為7個月，TBM轉場及更換主軸承約需4個月；云南上公山隧洞掘進4個月卡機11次，被迫放棄調整施工方法。本工程Ⅳ、Ⅴ類圍巖合計約1034m，占比29.5%，且石英含量25%～45%，斷層、石英含量等地質情況均可能對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條件和地下水條件，通過分部開挖和輔助工法可有效控制地表下沉和坍塌，從綜合效益出發是比較經濟的一種方法。與TBM工法相比，鉆爆法對圍巖勻質性無要求，具有適合各種斷面形式和斷面變化的高度靈活性，有利于綜合管廊標準橫斷面設計和管廊內管線優化布置。在較短的開挖區段使用，也較為經濟。采用鉆爆法時斷面為城門洞形，隧洞開挖跨徑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)

鉆爆法技術成熟，施工及布置調整比較靈活，工期保證率較高。采用鉆爆法施工隧洞，含隧洞開挖、初襯及二襯的施工總工期為19個月，按現有兩處支洞條件考慮，在采取增加資源投入、壓縮循環作業時間后，可在6個月內完成全部隧洞項目施工，滿足工期要求，并且在施工順利的情況下，可為管廊內入廊管線安裝調試提供一定的工期裕度。

鉆爆法施工需在進口及施工支洞口布置施工區，占地面積約3.1萬m2，其中起點處施工區洞臉施工占地、明挖管線施工占地等共1.5萬m2；施工支洞2處，出口工作面1處，每處布置施工生產區占地面積各5000～5500m2，共計約1.6萬m2。起點處施工區設10/0.4kV、容量2000kVA變壓器，出口處的施工作業面設10/0.4kV、容量1250kVA變壓器，2處施工支洞處各設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，炸藥按有關規定嚴格管理，建設符合標準的專用庫房用于炸藥集中存放，嚴控各種爆破器材與居民區和公路的距離，保證工程施工安全。

兩種工法的全面分析對比見表1。考慮到受工期緊張、地質條件不確定等外部條件制約，基于本項目隧洞較短，斷層、溝谷等占比較大，巖石內石英含量較高，且TBM工法投資較高，在當前工程實施中應用分段鉆爆法施工較為合理、穩妥。

表1 不同工法的全面分析比選

5 施工中的工法應用

根據管廊內穿線路的永久功能及施工需要，在山前臺地或埡口溝谷區域布置2個施工支洞及出口作業面分段平行作業，開工時同期進行支洞開挖及襯砌，盡可能提供一定的回轉余地以確保工程按期完工，并為洞內管線預留適合的工期和較好的工作條件。

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

圖4 綜合管廊施工平面總體布置

工程于2019年1月實現管廊全線隧洞貫通，4月完成管廊主體工程施工，總體上實現了各方預期的工期目標，為2019年9月完成廊內各類管線敷設、設施安裝提供了保障，最終在2019年11月成功實現通水運行。

6 結 語

冬奧外圍配套綜合管廊工程于2017年9月開工建設，2019年11月成功實現通水運行，為北京市奧運供水安全和基礎設施建設提供了有力保障，這是北京市首次在山區建設綜合管廊，也是國內首例山嶺綜合管廊隧道工程。鉆爆法適應性和經濟性強、可靠性高、工程風險可控，可以在保證施工安全兼顧經濟合理的前提下實現預定工期目標。