长达100公里的环形隧道——欧洲新型强子对撞机项目的挑战

小编语

目前，欧洲核子研究中心（CERN）正在规划建造位于日内瓦盆地的新型强子对撞机，这一项目被命名为未来环形对撞机（FCC）。项目需要建造一条100km长、直径6m的环形隧道、20个大型竖井、几十个埋深跨度高达30m的洞室以及几十条联络通道。毫无疑问，这将是一个浩大的地下工程，本期就让小编带大家一起了解一下这个巨型工程的项目布局，规划和所面临的挑战！

项目背景

强子对撞机是人类探索微观粒子和进一步研究高能物理学的必要实验设备，其工作原理是通过接近绝对零度的超导电磁体产生的超强磁场，将两道质子束在环形隧道内加速到接近光速，然后引发它们发生碰撞，以收集相关数据。

目前已在运行的大型强子对撞器（LHC）是一条位于欧洲地下的长约27公里的环形隧道，虽然这台强子对撞机已取得了许多研究成果（发现了希格斯粒子和夸克奇异重子），但科学家们认为想要进一步获得探索发现，需要进一步增加质子束携带的能量，这意味着需要更大更强的强子对撞机，这便是长达100km的未来环形对撞机（FCC）项目的由来。

现有的大型强子对撞器（LHC）内景

然而，最深处位于650m，主结构长达100km的环形隧道和繁多的地下附属结构也对地下工程施工提出了巨大的挑战。

项目的具体设计

目前，欧洲核子研究中心 (CERN) 的土木工程部门已经完成了项目隧道工程布局的基本设计。容纳强子对撞机需要的地下结构包括：

■ 一条长97.75km、直径6m、深度大约在50m和650m之间变化的近圆形隧道；

■ 数条直径6m的连接隧道、总长15.2km，负责连接主隧道与配套地下设施；

■ 两条长2km、直径6m的隧道用于容纳束流收集器；

■ 8个直径为12m的竖井和4个直径为18m的竖井，深度在50m和560m之间，连接地下设施与地面；

■ 十二根直径为2m的竖井，连接主隧道与地面，用于直接观测实验进程；

■ 48条直径3m的联络隧道；

■ 两条直径为6m的隧道，长度分别为4.7km和7.1km，连接旧对撞机（LHC）的地下设施群；

■ 42个大型洞室用于放置相关设备。

除了用于容纳对撞机的环形隧道和附属结构外，项目还需要在环形隧道附近建设地下实验室和附属结构，这些结构包括：

■ 4个高35m、宽30m、长66m的实验室洞室；

■ 8个直径3m的隧道将实验室连接到主隧道；

■ 8个直径为10m和15m的竖井将地下实验设施连接到地表，深度在120m和260m之间；

■ 除此之外，还需要建造数百个环绕着主隧道的小型洞室。

整个项目的3D示意图

研究部门的人员还希望在上图的A点到G点之间额外建立一条隧道，用于容纳轻子对撞机，这意味着额外9km的隧道和一系列配套地下设施，但这一计划还未确定。

地质状况

该项目位于日内瓦盆地，该盆地包含渐新世和中新世时期的可变砂岩层沉积物，部分被第四纪的冰碛覆盖并被石灰岩侵入。

冰碛是河流-冰川沉积物和河流冲击沉积物，这种材料显示出了明显的异质性，其物理性质无法通过钻探完全了解。冰碛通常具有可变的渗透率、压实度和刚度，内部可能包含沙子、砾石、粘土和粉砂，甚至可能还有未发现的大石块。根据以前的项目经验，冰碛在抗剪强度和刚度方面变化很大，刚度值一般在8MPa和200MPa之间变化。

在这一地层的挖掘过程中，可能会出现大量的水，开挖时需要地面冻结、注浆等手段。

地质剖面图，深灰色为冰碛土

地质剖面图中米白色的为石灰石层，棕色和浅棕色的为可变砂岩层，在这些地层中泥灰岩和砂岩交替出现的。一般来说，石灰石强度较高，但过去在该地区施工的经验表明：施工过程中仍然有可能会遇到高度溶解的岩体，从而导致空腔，极易出现较高的水渗透率（岩溶）。根据从现有地质报告和钻探记录中获得的地质信息，预计属于可变砂岩层的泥灰岩和砂岩的UCS强度将在5MPa和40MPa之间变化，这些材料可能具有紧密的节理和低岩体渗透性，所以预计可变砂岩层中会有相对干燥的开挖条件；相比之下，石灰石层中开挖时水会成为一个严重问题，需要采取一系列的地下水控制措施。

此外，预计在开挖中会遇到受碳氢化合物污染的地层，虽然预计其浓度不会很高，施工期间不需要特殊措施，然而隧道的防水系统（即垫圈和防水膜）的耐久性则可能会受到碳氢化合物的影响，需要进行对应改良。

竖井施工

大小不等，深度不一的几十个竖井是项目难点之一。欧洲的地下工程承包商有丰富的使用矿山法结合喷射混凝土和岩石锚杆在可变砂岩层施工竖井的经验，他们相信对于直径在10m和18m之间的竖井，这套方法依旧有效。

但在部分地区，冰碛土的存在不允许在地表附近使用这种方法，所以计划使用沉箱、连续墙或咬合桩，同时配合灌浆和地面冻结等额外的控水措施结合使用；此外，较为新颖的VSM设备也纳入考虑。欧洲核子研究中心 (CERN) 的土木工程部门总结了三种工艺在这个项目中的优劣：

■ 钻孔咬合桩

优势：安装速度快，竖井不深的情况下，成本低；

劣势：深度越深，误差越大；处理地下水难度大。

■ 地下连续墙

优势：可施工深度足够深；大深度下依然可以有效控制误差；

劣势：消耗大量混凝土，施工过程长，需要处理地下水。

■ VSM

优势：受地下水影响小，无需人员在井下，没有安全问题。软土中开挖速度比其他两种快；一台机器可以施工多种直径的竖井，可以一边开挖，一边安装永久衬砌；

劣势：成本太高，一台机器的交货等待时间太久。

实际施工时，将会根据成本和降低风险两个方面来选择工艺。预计主要会用钻孔咬合桩和地下连续墙，在c到f段之间的部分竖井会使用VSM。

此外，项目中还包括有大量2m直径的小型竖井，这些竖井是用于从地面观测对撞机轨道情况的，有较高的误差控制要求，预计会使用石油工业中的导向钻孔技术进行施工。

隧道和洞室的施工

整个项目有超过140公里的隧道，直径在5m到7m之间，需要使用多种施工方法，当然其中大部分将使用隧道掘进机 (TBM) 建造，其余部分将主要使用矿山法施工。

红色部分计划使用TBM施工

蓝色部分计划使用矿山法施工

隧道的仰拱需要使用特别设计，帮助固定对撞机轨道中的超导磁铁，确保超导磁铁不会因为长期地质蠕变而产生细微的移动。尽管隧道的尺寸与地铁项目中的相似，但仍然需要建立一套专门的工作系统，以满足项目的特殊要求。隧道和洞室中的未来将会安装的设备对位移和位置极其敏感，这意味着项目施工的精度要求极高，并且为未来的运维也提出了很高等待要求。

结语

看完了小编的介绍，不知道大家觉得这项工程的难度如何呢？未来环形对撞机（FCC）的隧道施工原本计划于2040年，旧强子对撞机退役前完工，但由于疫情，方案变动和成本增加，整个项目暂时被搁置，预计的开工时间被延后到至少2027年后。

然而，未来环形对撞机（FCC）项目对物理学发展的重要性无容置疑，这一项目能否成功的决定性因素在于地下工程的施工能否成功，这再一次说明了地下工程技术对于人类未来发展的重要性。