大型环形正负电子对撞机土建设计浅析

姚 实 洪佳敏

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

大型环形正负电子对撞机(以下简称对撞机)建设项目，是中国高能物理学界提议建造的重大科技基础设施[1]，其科学目标是利用质心系能量250GeV附近的正负电子对撞产生大量希格斯粒子从而精确测量其性质，并通过它深入研究电弱对称性自发破缺机制和质量起源等基本问题，寻找超出标准模型的新物理的线索。

国内高能物理学界自2012年便开始进行对撞机项目的讨论。2013年9月，项目工作组正式成立。2015年初，项目工作组发布了《预备概念设计报告》[2]，2018年11月，项目工作组正式发布《概念设计报告》[3]，标志着对撞机项目初步设计的完成。

根据《概念设计报告》，对撞机项目采用环形加速器，正负电子在环中加速并相互碰撞。环形加速器周长100km，位于地下100m深度左右的岩石中(见图1)。对撞机项目具有隧道长、洞室结构复杂、探测器大厅跨度大、部件数量多、设备安装精度高、工期紧等特点，其建造规模与复杂程度显著超过了世界上已建的所有科学实验装置[4]。因此，该项目的设计、制造、施工、建设也将面临着多方面前所未有的挑战。

2 场 址

2.1 概况

对撞机项目的选址工作需要考虑多方面因素，包括地质条件、地震强度、地下水发育情况等，迄今已对六个选址地点进行了较为深入的研究，包括河北省秦皇岛、陕西省延安地区、广东省深汕特别合作区、浙江省湖州、吉林省长春、湖南省长沙。本文基于浙江省湖州备选场址，针对隧道长、洞室结构复杂、物理设备众多、工期紧等设计施工难题，从工程布置、建筑物设计、施工组织、数字化协同设计等方面进行分析，研究了对撞机项目的土建设计，并为工程建设提供合理建议。

2.2 工程地质条件

场址位于浙西中低山丘陵区，地势西南高东北低。按照《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，场址的地震基本烈度为Ⅵ度，选址区域地震动峰值加速度为0.05g，区域构造稳定性好。根据场址情况，对撞机环形隧洞群穿越中低山区和平原区，出露的基岩以层状结构的沉积岩及块状结构的熔结凝灰岩和花岗岩为主，岩体较完整。地下洞室围岩类别主要为Ⅲ～Ⅳ类，少量为Ⅱ类，工程地质条件良好，可修建大规模地下洞室群。此外，主环隧洞区域基本避开了主要的人口分布密集区，且位于地下70m以上，对地面建筑物的影响较小。

3 工程布置

3.1 地下建筑物布置

为了使正负电子得到更高的加速能量，对撞机项目设计了一条总长约100km的主环隧洞，此外还布置有5个相对集中的地下试验洞室群，即2个对撞区(IR)试验洞室群、2个高频区(RF)试验洞室群及1个直线加速段洞室群(见图2)。

图2 地下洞群布置

由图2可见，对撞区(IR)和高频区(RF)对向布置。为满足试验设备的布置需要，对撞区(IR)洞室群设置有实验大厅、配厅、双电子束隧道、增强器旁路隧道等地下建筑物，针对运输与交通需求还设置有运输竖井、交通洞、交通电缆兼通风竖井等辅助建筑物。高频区(RF)洞室群则主要包括主厅、配厅、高频区主环隧道、高频辅助隧道、运输竖井、交通洞、交通电缆兼通风竖井等建筑物。直线加速段洞室群主要包括加速器段、传输隧道、阻尼环隧洞等建筑物。

主环隧洞连接了对撞区(IR)和高频区(RF)建筑物，可划分为8个弧段和4个直线段。直线加速段与其中一个直线段连通。针对主环隧洞长、工期紧的特点，4个试验区和4个直线段共布置了8条永久交通洞与地面连通。同时沿主环隧洞每隔3km布置1个电缆兼通风竖井，并每隔1km布置1条辅助短隧洞。

3.2 地面建筑物布置

对撞机项目的正常运行依赖于大量物理设备与辅助设备，因此沿主环隧洞布置有相应的地面建筑物，主要用于摆放冷却设施、低温设施、通风设施、空气压缩设施、输变电设施、维保设施、消防设施、管理设施、试验设施等。

主要地面建筑物群共5处(见图3)，分别为对撞区地面建筑群，地点位于PA1、PA3，在地下对撞区(IR)上方；高频区地面建筑群，地点位于PA2、PA4，在地下高频区(RF)上方；直线加速器段地面建筑群，地点位于PA5，在直线加速器附近。次要地面建筑物群共28处，为通风交通竖井地面建筑群，地点位于PA6～PA33，在主环隧道侧电缆兼通风竖井上方，次要地面建筑群间距约3km。

图3 地面建筑群平面位置示意图

此外，在湖州城区配套建设科学城，用于承担科学研究、学习教育、会议交流、居住生活、相关装备制造、科研成果转化等功能。

4 主要建筑物设计

对撞机项目的实验装置主要位于地面以下，主要建筑物包括直线加速段、高频区(RF)、对撞区(IR)、主环段及附属洞室。洞室内布置了大量设备，并涉及超导磁铁、低温系统、真空系统、微波系统等多个研究方向。为满足对撞机正常运行与相应设备的布置需求，对主要建筑物进行了初步设计，本节作简要介绍。

4.1 直线加速段

直线加速段由直线加速器段和传输隧道两部分组成。直线加速器段总长1800m，分上、下两层布置，上层净断面为8m×6m(宽×高)，主要布置速调管、调制器与盘柜，下层净断面尺寸为5.5m×3.5m(宽×高)，主要布置正负电子束。传输隧道长1600m，净断面尺寸为3.5m×4.375m(宽×高)，主要布置正负电子束。传输隧洞分别通过两段转弯段同主环隧道相连，转弯段净断面尺寸为3.5m×3.5m(宽×高)(见图4)。

图4 直线输运段示意图

4.2 对撞区(IR)

对撞区沿主环隧洞对称布置，分为两段，每段主要包括实验大厅、配厅、双电子束隧道、增强器旁路隧道、运输竖井、交通洞、交通电缆兼通风竖井等(见图5)。

图5 对撞区(IR)示意图

实验大厅尺寸为52m×33.5m×32m(长×宽×高)，内部布置探测器。配厅与实验大厅平行布置，间隔40m，断面尺寸为82m×20m×19m(长×宽×高)，配厅主要布置盘柜等设备。实验大厅外侧布置两段增强器旁路隧道，断面尺寸为3.5m×3.5m(宽×高)，内部布置增强器。实验大厅两端布置双电子线束隧道，断面尺寸为(6.0～11.4)m×5m(宽×高)，主要布置正负电子束。考虑到大件实验设备的运输，在实验大厅顶拱位置布置运输竖井直通地面，断面尺寸为16m×70m(直径×高)。此外，配厅还布置一个直径9.0m的辅助竖井和一个直径6.0m的交通竖井，便于配厅的设备盘柜等运输吊装及人员交通。实验大厅两侧布置两条交通平洞与配厅连通，作为交通及逃生的通道。

4.3 高频区(RF)

高频区沿主环隧洞对称布置，分为两段，每段包括高频区主环隧道、高频辅助隧道、运输竖井、交通洞及交通、电缆兼通风竖井(见图6)。

图6 高频区(RF)示意图

高频区主环隧道尺寸为3776.9m×6m×5m(长×宽×高)，主要布置低温传输管线及正负电子束。高频辅助隧道与主环隧道平行布置，断面尺寸为8m×7m(宽×高)，分别布置主环功率源、公共设施、低温系统等。考虑后期大件运输，在配厅位置布置运输竖井直通地面，断面尺寸为15m×70m(直径×高)。

高频区两侧分别布置交通洞及交通电缆兼通风竖井，作为交通及逃生的通道。

4.4 主环隧洞

主环隧洞是正负电子在对撞机中的主要运动路径，也是对撞机项目中最主要的地下建筑物。主环隧洞包括了除对撞区(IR)、高频区(RF)以外的弧线段、直线段隧洞。

弧线段分为8段，其中4段长度为10270.44m，另外4段长为10185.70m，在弧线段之间布置4段直线段，长度均为986.84m。弧线段与直线段布置正负电子束及增强器。根据地质条件及隧洞布置，可采用钻爆法和TBM法对主环隧洞进行开挖。考虑到隧洞长、沿线经过多种地层区块、埋深变幅较大，单一的开挖方法无法满足工程施工需要，设计采用钻爆法和TBM法联合掘进施工，部分埋深较大、施工支洞布置困难和穿越既有城区附近的隧洞段拟采用TBM法，部分埋深较浅、地下水较为丰富、地质条件复杂的隧洞段拟采用钻爆法施工(见图7)。图7给出了不同开挖方式下主环隧洞的典型剖面图。

图7 主环隧洞典型剖面图(单位：m)

5 施工组织设计

作为对撞机项目的主要地下建筑物，主环隧洞的施工组织设计将直接影响整个项目的工期和费用。根据场址的工程地质条件，西北侧山地区主环隧洞沿线以凝灰岩和砂岩为主，拟采用TBM法施工，东侧主环隧洞沿线平原河网较为密集，地下水丰富，故以IP1和IP3两个对撞区为界限，轴线西北侧主环采用TBM法施工，东南侧主环采用钻爆法施工。其中，钻爆法以一条施工通道左右侧各开挖3.125km为控制性单位工程，永久交通洞长约1.2km；TBM法考虑投入5台TBM设备，单台TBM设备掘进最长距离为11.65km，施工通道长1.2km。TBM法可采用双护盾TBM联合管片衬砌的施工方案。

为满足交通运输需要，沿主环隧洞布置8条永久交通洞，作为永久交通及施工期施工的主要通道。永久交通洞断面均为城门洞形，相邻两条永久交通洞之间主环长度约12.5km。此外，沿主环隧洞每隔3km布置电缆兼通风竖井，作为通排风及电缆进出、紧急出口的主要通道。进场交通洞、竖井应尽量均匀布置，并根据实际地形、地质情况进行调整。其中，主环段每隔1km布置1条辅助短隧洞，辅助短隧洞断面尺寸为6.8m×5.4m(宽×高)，主要布置变压器、盘柜等辅助设备。

6 数字化协同设计

对撞机项目主环隧洞与主要洞室内部设备众多，涉及超导磁铁、低温系统、真空系统、微波系统等17个主要研究方向，参与合作的高等院校、科研院所、制造厂家等超过100家，且处于动态调整中。由于对撞机项目兼具复杂科研与复杂工程的双重属性，并在现有复杂度的基础上不断灵活变化更新，土建设计与各相关专业之间面临着大量的配合工作，协同设计难度巨大，因此对土建设计手段也提出了更高的要求。

采用数字化协同设计能够有效提高对撞机项目土建设计效率。通过建立土建设计三维模型与物理设备总装模型(见图8)，项目管理者能够及时地了解项目的状态；设计人员能够安全快捷地共享信息，从而适应对撞机项目参与单位众多且不断迭代更新的特点。

图8 三维数字化协同设计

此外，对撞机项目在设计、建设、运行阶段将产生海量数据，这些数据涉及众多专业、组织，具有典型的多维度属性，现有存储系统一般采用单一的目录结构，难以适应项目数据多属性管理的需求。针对这些特点，目前对撞机项目的数字化协同设计、多源数据管理系统也在相关企业和机构的合作中不断推进，设备产业化也在积极筹备之中。

7 结 语

大型环形正负电子对撞机建设项目为重大科技基础设施，工程规模庞大，兼具复杂科研与复杂工程的双重属性。本文基于浙江省湖州备选场址，在工程地质条件的基础上，根据对撞机运行与设备布置需求，对主要建筑物进行了设计，具体包括1条100km的主环隧洞，以及5个相对集中的地下试验洞室群。针对隧道长、洞室结构复杂、物理设备众多等特点，从工程布置、数字化协同设计、施工组织设计等多个角度提出了相应的设计方案，并重点分析了地下建筑物的布置形式。由于对撞机项目主要洞室内部设备众多，涉及大量专业与机构，采用数字化协同设计手段能够有效提高对撞机项目的土建设计效率。研究成果能够满足对撞机项目的现有土建设计需要，并为后续的详细技术设计提供了参考。