冬奥会外围配套综合管廊工程工法分析及应用

刘烨华 杨玉锋 赵子杰

(北京市水利规划设计研究院，北京 100048)

1 工程背景

2022年冬奥会延庆赛区位于北京市延庆区西北约18km的海坨山，覆盖张山营镇西大庄科村及其周边地区，该赛区计划举办高山滑雪、有舵雪橇、无舵雪橇和俯式冰橇等项目，计划建设国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心、奥运村和媒体中心等场馆。

根据《北京2022年冬奥会和冬残奥会延庆赛区水资源与水环境保障规划》，从外部至延庆赛区，需建设冬奥会延庆赛区造雪引水及集中供水工程等，保障延庆赛区造雪、生活用水需求及中水排放需求。而同期北京市规划和国土资源管理委员会等编制的《2022年冬奥会延庆赛区外部市政专项规划》，延庆赛区周边现有市政基础设施没有考虑冬奥会举办的需求，需要增强赛区及关联区域市政基础设施保障能力。

综合管廊将电力、通信、燃气、给水、热力、排水等多种管线集约化地集合铺设在隧道空间中，是目前较先进的基础设施管网布置形式，可提高城市管线建设安全与标准，实现有限空间的综合利用效率。故综合各类市政管线从外部到奥运村的共同需求，佛峪口水库至赛区新建塘坝段采用综合管廊形式，除水务管线外，拟入廊管线还包括2～4条110kV电力管线、2～4条10kV电力管线，12孔电信管道，4孔有线电视管道，线路全长约7km。

2 工程条件

冬奥会延庆赛区外围配套综合管廊地处山岭，路线的选定受纵坡、地形地质和生态环保要求等多方面影响，结合不同的线路走向拟定了东线、西线和松闫路三条线路，依据《中华人民共和国森林法》《中华人民共和国自然保护区条例》及《北京松山国家级自然保护区总体规划》等规定，松山自然保护区核心区、缓冲区内施工活动被严格禁止，且在山体中开挖形成管廊，与松闫路明挖法比较，可以极大地减少对地面交通和生产活动的影响，避免大量的拆迁拆除。因此，确定佛峪口水库西侧开挖隧洞构成综合管廊的西线为推荐的实施方案，见图1。

图1 综合管廊路由示意 (西线为推荐方案)

隧洞穿越松山国家级自然保护区的试验区和缓冲区，其中佛峪口水库至西大庄科村段沿线有松闫路通行，沿线具备设支洞条件处与松闫路相交或相邻。进口段海拔550m，出口段海拔1100m，高差达550m，除进出口共320m浅埋深段为碎石土，属于白云质灰岩、石英岩接触带，间有断层破碎带外，上部主要岩性为燕山晚期花岗岩，石英含量25%～45%，Ⅳ、Ⅴ类围岩合计约1034m，占比29%，基本无集中地下涌水区段。在山体间沟谷地带分布有第四系松散覆盖层。

本工程地处海坨山山区及山前区域，属于松山国家级自然保护区，佛峪口水库至西大庄科村段沿线有松闫公路通行，现状为双车道约7m宽的沥青路面。起点处位于佛峪口水库管理处院内果园，场地较为平整开阔，通过宽4～5m的县乡道路与古龙路相接，可设支洞处均邻近松闫公路或奥运场馆临时道路，隧洞沿线其他段现状均无路通行，设备、材料运输困难。佛峪口水库水质、水量条件满足施工生产和生活用水要求。沿松闫公路、佛峪口水库和西大庄科村具备供电条件，除进口处外，其他用电点需考虑与冬奥赛区基础设施用电结合使用。

根据冬奥组委及重大办关于2019年底举办远东测试赛的要求，造雪引水工程需在2019年10月前完成，按2017年10月开工考虑，总工期为25个月，外围配套管廊工程需在2019年4月前具备管线入廊安装条件，工期目标为19个月。

3 工程实施情况

考虑水文地质地形和各类施工条件，工程所在区域整体纵坡为5%～10%，其中以延崇高速为界，受限于首、末端设计高程，上下游区域纵坡分别为5%和10%，延崇高速以北段2.7km长隧洞纵坡9.8%，设两处出支线用于施工期分段作业，采用钻爆法施工。

延崇高速以南段隧洞，长约3.5km，纵坡4.6%，埋深10～140m，设计断面等效直径不大于10m，岩性以中粒花岗岩为主，最大平均抗压强度为150～200MPa，基本上无断裂带、涌水及大比例的软弱岩层，结合施工条件、设备条件、环保生态和相关方需求，隧洞采用TBM工法逆坡单向掘进，为首次采用TBM施工的地下综合管廊，同时也是TBM工法在北京的首次应用，于2017年9月中旬开工建设，经过4个月的进口施工及设备组装调试，TBM自2018年2月底始发，TBM施工开始后，所处地层处于破碎带需要处理，仍需1号支洞上马；受围岩条件不利、设备适用性和协调性差等因素影响，掘进出现困难致使施工停滞近3个月，截至7月实际工作时间不足3个月，总进尺约300m，掌子面塌方、刀盘被卡及设备故障次数达到7次，每次影响工期最多达到半个月，施工进度严重滞后，远未达到预期，且前方地质构造复杂，2018年7月通过地勘资料和超前地质预报分析，前方仍剩余10m左右不良地质及110mⅣ类围岩，工期存在极大的不确定性。

隧洞与多项冬奥基础设施同期交叉作业，环境要求高、实施难度大、社会关注度高、工程风险高，在地质条件没有较大改善的情况下，如仍采用TBM继续施工将会延长工期，影响衬砌施工从而影响整体工期。而同期闫崇高速终点钻爆法段进展顺利、工期可控，衬砌台车可跟进同步作业，工期仍留有一定的富余。根据施工条件并结合工程实施情况，对TBM工法和钻爆法进行了全面的分析比选。

4 工法分析及比选

4.1 TBM工法

4.1.1 经济合理性分析

目前世界上已有30多个国家使用TBM开挖隧洞，可实现水平和小角度的长距离大直径隧洞施工，但从经济和技术角度考虑，随着区间长度增加，进出口基坑和竖井，TBM运输、组装及调试等摊销费用逐渐减少，而洞内物料运距增加和降效窝工等导致的施工费用逐渐增加，理论上对同一区段存在着经济合理长度的最小区间范围。根据目前国内外已有设备的不完全统计，断面大于4m时，隧洞长度以在2km以上或者大于600倍直径较为经济合理，隧洞长度为3～6km时，成本下降最快，本工程属于典型的山区隧洞，其经济长度最小需保证在3km以上，在经济性上本段隧洞采用TBM施工不占优势。

4.1.2 纵横断面布置条件

TBM隧洞断面以圆形断面最为常见，根据洞内各类管线设施安装及运行需求，二次衬砌后成洞断面直径为8.8m，根据净空需求和衬砌厚度确定TBM尺寸，TBM工法施工的隧洞直径为10m。一般的圆形断面利用率也相对较低，单延米钻爆法标准横断面开挖量67.52m2，单延米TBM工法标准横断面开挖量78.54m2，单延米标准断面开挖量增加约16%。TBM工法施工的综合管廊横断面见图2。从便于施工角度出发，TBM隧洞平面线型需以直线和大曲率半径的曲线为宜。纵坡除应满足运行期功能性和施工期通行要求，施工期间的施工废水和岩壁渗水能自流排出外，还要保证皮带机出渣和运输效率，最佳纵坡范围不宜大于2%～3%。本段隧洞计算纵坡为4.56%，TBM断面布置和施工较为困难。

图2 TBM工法施工的综合管廊横断面 (单位：mm)

4.1.3 施工工序及工期分析

TBM隧洞施工的关键线路为施工准备、TBM组装调试、TBM掘进、二衬施工等，结合秦岭隧道、中天山隧道等长距离隧洞工程，TBM掘进与二衬施工可以同步交叉进行，但互相干扰效率降低。

TBM工法所需工期受众多因素影响，施工组织调整受限，工期保证率较低。经调研，辽宁大伙房水库输水工程TBM在塌方段卡机事故处理时间约为7个月，TBM转场及更换主轴承约需4个月；云南上公山隧洞掘进4个月卡机11次，被迫放弃调整施工方法。本工程Ⅳ、Ⅴ类围岩合计约1034m，占比29.5%，且石英含量25%～45%，断层、石英含量等地质情况均可能对TBM施工工期造成较大影响。

4.2 钻爆法

钻爆法适用于各种地质条件和地下水条件，通过分部开挖和辅助工法可有效控制地表下沉和坍塌，从综合效益出发是比较经济的一种方法。与TBM工法相比，钻爆法对围岩匀质性无要求，具有适合各种断面形式和断面变化的高度灵活性，有利于综合管廊标准横断面设计和管廊内管线优化布置。在较短的开挖区段使用，也较为经济。采用钻爆法时断面为城门洞形，隧洞开挖跨径8.6m，高8.6m，成洞高度7m。钻爆法施工的综合管廊横断面见图3。

图3 钻爆法施工的综合管廊横断面 (单位：mm)

钻爆法技术成熟，施工及布置调整比较灵活，工期保证率较高。采用钻爆法施工隧洞，含隧洞开挖、初衬及二衬的施工总工期为19个月，按现有两处支洞条件考虑，在采取增加资源投入、压缩循环作业时间后，可在6个月内完成全部隧洞项目施工，满足工期要求，并且在施工顺利的情况下，可为管廊内入廊管线安装调试提供一定的工期裕度。

钻爆法施工需在进口及施工支洞口布置施工区，占地面积约3.1万m2，其中起点处施工区洞脸施工占地、明挖管线施工占地等共1.5万m2；施工支洞2处，出口工作面1处，每处布置施工生产区占地面积各5000～5500m2，共计约1.6万m2。起点处施工区设10/0.4kV、容量2000kVA变压器，出口处的施工作业面设10/0.4kV、容量1250kVA变压器，2处施工支洞处各设10/0.4kV、容量2000kVA变压器，可满足施工用电需求。

隧洞采用钻爆法施工，使用大量炸药，炸药按有关规定严格管理，建设符合标准的专用库房用于炸药集中存放，严控各种爆破器材与居民区和公路的距离，保证工程施工安全。

两种工法的全面分析对比见表1。考虑到受工期紧张、地质条件不确定等外部条件制约，基于本项目隧洞较短，断层、沟谷等占比较大，岩石内石英含量较高，且TBM工法投资较高，在当前工程实施中应用分段钻爆法施工较为合理、稳妥。

表1 不同工法的全面分析比选

5 施工中的工法应用

根据管廊内穿线路的永久功能及施工需要，在山前台地或垭口沟谷区域布置2个施工支洞及出口作业面分段平行作业，开工时同期进行支洞开挖及衬砌，尽可能提供一定的回转余地以确保工程按期完工，并为洞内管线预留适合的工期和较好的工作条件。

考虑TBM再向前掘进至1号支洞处出洞，余下1+570～出口段隧洞开挖方法由TBM法改为钻爆法，断面型式由圆形调整为城门洞形。1号支洞兼做主洞1+570～2+440开挖支护和二衬的施工通道，断面型式由5.5m×6.1m加大至7m×6.5m。2号支洞增开作业面以保障工期，用于2+440～3+060开挖支护和二衬的施工通道。通过支洞的补充勘察、征占地、伐移及施工等工作的加速推进，两个施工支洞分别于8月和10月中旬具备进洞分段作业条件，TBM在10月中旬掘进至1号支洞处开始拆卸出洞。综合管廊隧洞施工平面总体布置见图4。

图4 综合管廊施工平面总体布置

工程于2019年1月实现管廊全线隧洞贯通，4月完成管廊主体工程施工，总体上实现了各方预期的工期目标，为2019年9月完成廊内各类管线敷设、设施安装提供了保障，最终在2019年11月成功实现通水运行。

6 结 语

冬奥外围配套综合管廊工程于2017年9月开工建设，2019年11月成功实现通水运行，为北京市奥运供水安全和基础设施建设提供了有力保障，这是北京市首次在山区建设综合管廊，也是国内首例山岭综合管廊隧道工程。钻爆法适应性和经济性强、可靠性高、工程风险可控，可以在保证施工安全兼顾经济合理的前提下实现预定工期目标。