大型環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)土建設(shè)計(jì)淺析

姚 實(shí) 洪佳敏

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

大型環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(以下簡(jiǎn)稱對(duì)撞機(jī))建設(shè)項(xiàng)目，是中國(guó)高能物理學(xué)界提議建造的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施[1]，其科學(xué)目標(biāo)是利用質(zhì)心系能量250GeV附近的正負(fù)電子對(duì)撞產(chǎn)生大量希格斯粒子從而精確測(cè)量其性質(zhì)，并通過它深入研究電弱對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制和質(zhì)量起源等基本問題，尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的線索。

國(guó)內(nèi)高能物理學(xué)界自2012年便開始進(jìn)行對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的討論。2013年9月，項(xiàng)目工作組正式成立。2015年初，項(xiàng)目工作組發(fā)布了《預(yù)備概念設(shè)計(jì)報(bào)告》[2]，2018年11月，項(xiàng)目工作組正式發(fā)布《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》[3]，標(biāo)志著對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)的完成。

根據(jù)《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》，對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目采用環(huán)形加速器，正負(fù)電子在環(huán)中加速并相互碰撞。環(huán)形加速器周長(zhǎng)100km，位于地下100m深度左右的巖石中(見圖1)。對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目具有隧道長(zhǎng)、洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜、探測(cè)器大廳跨度大、部件數(shù)量多、設(shè)備安裝精度高、工期緊等特點(diǎn)，其建造規(guī)模與復(fù)雜程度顯著超過了世界上已建的所有科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置[4]。因此，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制造、施工、建設(shè)也將面臨著多方面前所未有的挑戰(zhàn)。

2 場(chǎng) 址

2.1 概況

對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的選址工作需要考慮多方面因素，包括地質(zhì)條件、地震強(qiáng)度、地下水發(fā)育情況等，迄今已對(duì)六個(gè)選址地點(diǎn)進(jìn)行了較為深入的研究，包括河北省秦皇島、陜西省延安地區(qū)、廣東省深汕特別合作區(qū)、浙江省湖州、吉林省長(zhǎng)春、湖南省長(zhǎng)沙。本文基于浙江省湖州備選場(chǎng)址，針對(duì)隧道長(zhǎng)、洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜、物理設(shè)備眾多、工期緊等設(shè)計(jì)施工難題，從工程布置、建筑物設(shè)計(jì)、施工組織、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析，研究了對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的土建設(shè)計(jì)，并為工程建設(shè)提供合理建議。

2.2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)址位于浙西中低山丘陵區(qū)，地勢(shì)西南高東北低。按照《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，場(chǎng)址的地震基本烈度為Ⅵ度，選址區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好。根據(jù)場(chǎng)址情況，對(duì)撞機(jī)環(huán)形隧洞群穿越中低山區(qū)和平原區(qū)，出露的基巖以層狀結(jié)構(gòu)的沉積巖及塊狀結(jié)構(gòu)的熔結(jié)凝灰?guī)r和花崗巖為主，巖體較完整。地下洞室圍巖類別主要為Ⅲ～Ⅳ類，少量為Ⅱ類，工程地質(zhì)條件良好，可修建大規(guī)模地下洞室群。此外，主環(huán)隧洞區(qū)域基本避開了主要的人口分布密集區(qū)，且位于地下70m以上，對(duì)地面建筑物的影響較小。

3 工程布置

3.1 地下建筑物布置

為了使正負(fù)電子得到更高的加速能量，對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一條總長(zhǎng)約100km的主環(huán)隧洞，此外還布置有5個(gè)相對(duì)集中的地下試驗(yàn)洞室群，即2個(gè)對(duì)撞區(qū)(IR)試驗(yàn)洞室群、2個(gè)高頻區(qū)(RF)試驗(yàn)洞室群及1個(gè)直線加速段洞室群(見圖2)。

圖2 地下洞群布置

由圖2可見，對(duì)撞區(qū)(IR)和高頻區(qū)(RF)對(duì)向布置。為滿足試驗(yàn)設(shè)備的布置需要，對(duì)撞區(qū)(IR)洞室群設(shè)置有實(shí)驗(yàn)大廳、配廳、雙電子束隧道、增強(qiáng)器旁路隧道等地下建筑物，針對(duì)運(yùn)輸與交通需求還設(shè)置有運(yùn)輸豎井、交通洞、交通電纜兼通風(fēng)豎井等輔助建筑物。高頻區(qū)(RF)洞室群則主要包括主廳、配廳、高頻區(qū)主環(huán)隧道、高頻輔助隧道、運(yùn)輸豎井、交通洞、交通電纜兼通風(fēng)豎井等建筑物。直線加速段洞室群主要包括加速器段、傳輸隧道、阻尼環(huán)隧洞等建筑物。

主環(huán)隧洞連接了對(duì)撞區(qū)(IR)和高頻區(qū)(RF)建筑物，可劃分為8個(gè)弧段和4個(gè)直線段。直線加速段與其中一個(gè)直線段連通。針對(duì)主環(huán)隧洞長(zhǎng)、工期緊的特點(diǎn)，4個(gè)試驗(yàn)區(qū)和4個(gè)直線段共布置了8條永久交通洞與地面連通。同時(shí)沿主環(huán)隧洞每隔3km布置1個(gè)電纜兼通風(fēng)豎井，并每隔1km布置1條輔助短隧洞。

3.2 地面建筑物布置

對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的正常運(yùn)行依賴于大量物理設(shè)備與輔助設(shè)備，因此沿主環(huán)隧洞布置有相應(yīng)的地面建筑物，主要用于擺放冷卻設(shè)施、低溫設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、空氣壓縮設(shè)施、輸變電設(shè)施、維保設(shè)施、消防設(shè)施、管理設(shè)施、試驗(yàn)設(shè)施等。

主要地面建筑物群共5處(見圖3)，分別為對(duì)撞區(qū)地面建筑群，地點(diǎn)位于PA1、PA3，在地下對(duì)撞區(qū)(IR)上方；高頻區(qū)地面建筑群，地點(diǎn)位于PA2、PA4，在地下高頻區(qū)(RF)上方；直線加速器段地面建筑群，地點(diǎn)位于PA5，在直線加速器附近。次要地面建筑物群共28處，為通風(fēng)交通豎井地面建筑群，地點(diǎn)位于PA6～PA33，在主環(huán)隧道側(cè)電纜兼通風(fēng)豎井上方，次要地面建筑群間距約3km。

圖3 地面建筑群平面位置示意圖

此外，在湖州城區(qū)配套建設(shè)科學(xué)城，用于承擔(dān)科學(xué)研究、學(xué)習(xí)教育、會(huì)議交流、居住生活、相關(guān)裝備制造、科研成果轉(zhuǎn)化等功能。

4 主要建筑物設(shè)計(jì)

對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)裝置主要位于地面以下，主要建筑物包括直線加速段、高頻區(qū)(RF)、對(duì)撞區(qū)(IR)、主環(huán)段及附屬洞室。洞室內(nèi)布置了大量設(shè)備，并涉及超導(dǎo)磁鐵、低溫系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、微波系統(tǒng)等多個(gè)研究方向。為滿足對(duì)撞機(jī)正常運(yùn)行與相應(yīng)設(shè)備的布置需求，對(duì)主要建筑物進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，本節(jié)作簡(jiǎn)要介紹。

4.1 直線加速段

直線加速段由直線加速器段和傳輸隧道兩部分組成。直線加速器段總長(zhǎng)1800m，分上、下兩層布置，上層凈斷面為8m×6m(寬×高)，主要布置速調(diào)管、調(diào)制器與盤柜，下層凈斷面尺寸為5.5m×3.5m(寬×高)，主要布置正負(fù)電子束。傳輸隧道長(zhǎng)1600m，凈斷面尺寸為3.5m×4.375m(寬×高)，主要布置正負(fù)電子束。傳輸隧洞分別通過兩段轉(zhuǎn)彎段同主環(huán)隧道相連，轉(zhuǎn)彎段凈斷面尺寸為3.5m×3.5m(寬×高)(見圖4)。

圖4 直線輸運(yùn)段示意圖

4.2 對(duì)撞區(qū)(IR)

對(duì)撞區(qū)沿主環(huán)隧洞對(duì)稱布置，分為兩段，每段主要包括實(shí)驗(yàn)大廳、配廳、雙電子束隧道、增強(qiáng)器旁路隧道、運(yùn)輸豎井、交通洞、交通電纜兼通風(fēng)豎井等(見圖5)。

圖5 對(duì)撞區(qū)(IR)示意圖

實(shí)驗(yàn)大廳尺寸為52m×33.5m×32m(長(zhǎng)×寬×高)，內(nèi)部布置探測(cè)器。配廳與實(shí)驗(yàn)大廳平行布置，間隔40m，斷面尺寸為82m×20m×19m(長(zhǎng)×寬×高)，配廳主要布置盤柜等設(shè)備。實(shí)驗(yàn)大廳外側(cè)布置兩段增強(qiáng)器旁路隧道，斷面尺寸為3.5m×3.5m(寬×高)，內(nèi)部布置增強(qiáng)器。實(shí)驗(yàn)大廳兩端布置雙電子線束隧道，斷面尺寸為(6.0～11.4)m×5m(寬×高)，主要布置正負(fù)電子束。考慮到大件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)輸，在實(shí)驗(yàn)大廳頂拱位置布置運(yùn)輸豎井直通地面，斷面尺寸為16m×70m(直徑×高)。此外，配廳還布置一個(gè)直徑9.0m的輔助豎井和一個(gè)直徑6.0m的交通豎井，便于配廳的設(shè)備盤柜等運(yùn)輸?shù)跹b及人員交通。實(shí)驗(yàn)大廳兩側(cè)布置兩條交通平洞與配廳連通，作為交通及逃生的通道。

4.3 高頻區(qū)(RF)

高頻區(qū)沿主環(huán)隧洞對(duì)稱布置，分為兩段，每段包括高頻區(qū)主環(huán)隧道、高頻輔助隧道、運(yùn)輸豎井、交通洞及交通、電纜兼通風(fēng)豎井(見圖6)。

圖6 高頻區(qū)(RF)示意圖

高頻區(qū)主環(huán)隧道尺寸為3776.9m×6m×5m(長(zhǎng)×寬×高)，主要布置低溫傳輸管線及正負(fù)電子束。高頻輔助隧道與主環(huán)隧道平行布置，斷面尺寸為8m×7m(寬×高)，分別布置主環(huán)功率源、公共設(shè)施、低溫系統(tǒng)等?？紤]后期大件運(yùn)輸，在配廳位置布置運(yùn)輸豎井直通地面，斷面尺寸為15m×70m(直徑×高)。

高頻區(qū)兩側(cè)分別布置交通洞及交通電纜兼通風(fēng)豎井，作為交通及逃生的通道。

4.4 主環(huán)隧洞

主環(huán)隧洞是正負(fù)電子在對(duì)撞機(jī)中的主要運(yùn)動(dòng)路徑，也是對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目中最主要的地下建筑物。主環(huán)隧洞包括了除對(duì)撞區(qū)(IR)、高頻區(qū)(RF)以外的弧線段、直線段隧洞。

弧線段分為8段，其中4段長(zhǎng)度為10270.44m，另外4段長(zhǎng)為10185.70m，在弧線段之間布置4段直線段，長(zhǎng)度均為986.84m?；【€段與直線段布置正負(fù)電子束及增強(qiáng)器。根據(jù)地質(zhì)條件及隧洞布置，可采用鉆爆法和TBM法對(duì)主環(huán)隧洞進(jìn)行開挖?？紤]到隧洞長(zhǎng)、沿線經(jīng)過多種地層區(qū)塊、埋深變幅較大，單一的開挖方法無(wú)法滿足工程施工需要，設(shè)計(jì)采用鉆爆法和TBM法聯(lián)合掘進(jìn)施工，部分埋深較大、施工支洞布置困難和穿越既有城區(qū)附近的隧洞段擬采用TBM法，部分埋深較淺、地下水較為豐富、地質(zhì)條件復(fù)雜的隧洞段擬采用鉆爆法施工(見圖7)。圖7給出了不同開挖方式下主環(huán)隧洞的典型剖面圖。

圖7 主環(huán)隧洞典型剖面圖(單位：m)

5 施工組織設(shè)計(jì)

作為對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的主要地下建筑物，主環(huán)隧洞的施工組織設(shè)計(jì)將直接影響整個(gè)項(xiàng)目的工期和費(fèi)用。根據(jù)場(chǎng)址的工程地質(zhì)條件，西北側(cè)山地區(qū)主環(huán)隧洞沿線以凝灰?guī)r和砂巖為主，擬采用TBM法施工，東側(cè)主環(huán)隧洞沿線平原河網(wǎng)較為密集，地下水豐富，故以IP1和IP3兩個(gè)對(duì)撞區(qū)為界限，軸線西北側(cè)主環(huán)采用TBM法施工，東南側(cè)主環(huán)采用鉆爆法施工。其中，鉆爆法以一條施工通道左右側(cè)各開挖3.125km為控制性單位工程，永久交通洞長(zhǎng)約1.2km；TBM法考慮投入5臺(tái)TBM設(shè)備，單臺(tái)TBM設(shè)備掘進(jìn)最長(zhǎng)距離為11.65km，施工通道長(zhǎng)1.2km。TBM法可采用雙護(hù)盾TBM聯(lián)合管片襯砌的施工方案。

為滿足交通運(yùn)輸需要，沿主環(huán)隧洞布置8條永久交通洞，作為永久交通及施工期施工的主要通道。永久交通洞斷面均為城門洞形，相鄰兩條永久交通洞之間主環(huán)長(zhǎng)度約12.5km。此外，沿主環(huán)隧洞每隔3km布置電纜兼通風(fēng)豎井，作為通排風(fēng)及電纜進(jìn)出、緊急出口的主要通道。進(jìn)場(chǎng)交通洞、豎井應(yīng)盡量均勻布置，并根據(jù)實(shí)際地形、地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整。其中，主環(huán)段每隔1km布置1條輔助短隧洞，輔助短隧洞斷面尺寸為6.8m×5.4m(寬×高)，主要布置變壓器、盤柜等輔助設(shè)備。

6 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)

對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目主環(huán)隧洞與主要洞室內(nèi)部設(shè)備眾多，涉及超導(dǎo)磁鐵、低溫系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、微波系統(tǒng)等17個(gè)主要研究方向，參與合作的高等院校、科研院所、制造廠家等超過100家，且處于動(dòng)態(tài)調(diào)整中。由于對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目兼具復(fù)雜科研與復(fù)雜工程的雙重屬性，并在現(xiàn)有復(fù)雜度的基礎(chǔ)上不斷靈活變化更新，土建設(shè)計(jì)與各相關(guān)專業(yè)之間面臨著大量的配合工作，協(xié)同設(shè)計(jì)難度巨大，因此對(duì)土建設(shè)計(jì)手段也提出了更高的要求。

采用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)能夠有效提高對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目土建設(shè)計(jì)效率。通過建立土建設(shè)計(jì)三維模型與物理設(shè)備總裝模型(見圖8)，項(xiàng)目管理者能夠及時(shí)地了解項(xiàng)目的狀態(tài)；設(shè)計(jì)人員能夠安全快捷地共享信息，從而適應(yīng)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目參與單位眾多且不斷迭代更新的特點(diǎn)。

圖8 三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)

此外，對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行階段將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)涉及眾多專業(yè)、組織，具有典型的多維度屬性，現(xiàn)有存儲(chǔ)系統(tǒng)一般采用單一的目錄結(jié)構(gòu)，難以適應(yīng)項(xiàng)目數(shù)據(jù)多屬性管理的需求。針對(duì)這些特點(diǎn)，目前對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、多源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也在相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)的合作中不斷推進(jìn)，設(shè)備產(chǎn)業(yè)化也在積極籌備之中。

7 結(jié) 語(yǔ)

大型環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建設(shè)項(xiàng)目為重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，工程規(guī)模龐大，兼具復(fù)雜科研與復(fù)雜工程的雙重屬性。本文基于浙江省湖州備選場(chǎng)址，在工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)撞機(jī)運(yùn)行與設(shè)備布置需求，對(duì)主要建筑物進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體包括1條100km的主環(huán)隧洞，以及5個(gè)相對(duì)集中的地下試驗(yàn)洞室群。針對(duì)隧道長(zhǎng)、洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜、物理設(shè)備眾多等特點(diǎn)，從工程布置、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)等多個(gè)角度提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)分析了地下建筑物的布置形式。由于對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目主要洞室內(nèi)部設(shè)備眾多，涉及大量專業(yè)與機(jī)構(gòu)，采用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)手段能夠有效提高對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的土建設(shè)計(jì)效率。研究成果能夠滿足對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的現(xiàn)有土建設(shè)計(jì)需要，并為后續(xù)的詳細(xì)技術(shù)設(shè)計(jì)提供了參考。