“華龍一號”內層安全殼穹頂土建施工關鍵技術

汪 虎 鄒少俊 張海方

中國核工業(yè)二四建設有限公司 河北 廊坊 065201

“華龍一號”作為我國自主研發(fā)的第三代核反應堆，是我國后續(xù)核電發(fā)展的重點選擇之一。核電站安全殼是保護核反應堆的最后一道屏障，而穹頂區(qū)域又是安全殼施工過程中的難點，且半球形結構的穹頂在國內外屬于首次設計。因此，科學、合理地對穹頂區(qū)域施工過程各工序進行優(yōu)化總結，是保證穹頂區(qū)域有條不紊地按計劃施工，提高效率、降低成本、保證施工質量的重要前提條件。同時，通過攻克技術難題，固化相關施工工藝，高標準實現(xiàn)全球首堆示范工程的建造，促進我國核電建造行業(yè)技術的大幅進步，逐步形成具有完全自主知識產(chǎn)權的核心技術[1-4]。

1 工程概況及施工難點

1.1 結構概況

“華龍一號”內層安全殼穹頂位于筒體頂部，結構形狀呈半球形，標高從＋45.13 m至＋70.48 m，內部為鋼襯里支撐，鋼襯里半徑23.4 m，混凝土厚度為1 050 mm，在100°和280°方向設置有錨固水平預應力鋼束扶壁柱，整個穹頂采用C60混凝土澆筑。穹頂大致樣式如圖1所示。

圖1 安全殼穹頂三維效果圖

1.2 工程難點

1）內穹頂施工是整個“華龍一號”建設的關鍵路徑，是后續(xù)一系列工序順利開展的先決條件，施工工序銜接緊湊。

2）穹頂鋼筋種類形狀繁雜，共計約850 t，且涉及交叉作業(yè)（預應力導管及承壓板安裝），保證鋼筋工序施工順暢有序，需要考慮的問題較多；施工邏輯順序安排、施工質量的保證是施工的重點和難點。

3）穹頂為半球形結構，原模板體系已無法滿足施工需求，模板體系及其配套的掛架系統(tǒng)均需要重新設計，且球形模板支設難度較大。

4）“華龍一號”穹頂為球形結構，如何控制雙殼結構混凝土裂縫的產(chǎn)生，保證混凝土的防輻射性，是施工控制的重點和難點。針對上述難點開展研究，優(yōu)化施工方案，使工程質量、安全生產(chǎn)、施工進度和經(jīng)濟效益等方面均有良好的保證。

2 分層分段優(yōu)化研究

穹頂施工處于核電站建造的關鍵路徑，其施工效率直接影響“華龍一號”核反應堆的冷試和熱試。為了保證穹頂施工不制約后續(xù)一系列工作的順利開展，在保證施工質量的前提下對穹頂分層分段進行優(yōu)化。對穹頂分層分段進行優(yōu)化主要考慮以下3個方面：

1）穹頂結構內布置有預應力導管和其配套的錨固系統(tǒng)，施工縫的位置要盡量避開這些特殊構件的位置。

2）內殼穹頂下部為厚6 mm的永久性鋼襯里支撐，為保證混凝土側壓力不對鋼襯里造成不利影響，需要控制混凝土的分層高度。

3）考慮現(xiàn)場施工進度，提高模板周轉使用率，盡量使施工段高度方向的模板長度一致。

綜上所述，將穹頂分為10層澆筑，分段如圖2所示。

圖2 安全殼穹頂分段

3 鋼筋工程研究

穹頂鋼筋主要由內層鋼筋、外層鋼筋和拉鉤組成。穹頂鋼筋可以以標高62.51 m為分界線分為上下2個部分，標高62.51 m以下部分類似于墻體鋼筋綁扎，標高62.51 m以上類似于樓板鋼筋綁扎，具體樣式如圖3所示。

圖3 鋼筋形式示意

3.1 BIM技術應用

利用BIM技術對穹頂區(qū)域鋼筋進行三維放樣，提前發(fā)現(xiàn)技術難點，檢查鋼筋是否存在沖突點，做好技術策劃，達到提高工作效率和降低施工風險的目的。經(jīng)過放樣發(fā)現(xiàn)，穹頂外層鋼筋網(wǎng)片與水平預應力導管之間的理論縫隙不足10 mm，施工過程中應嚴格控制外層鋼筋網(wǎng)片的位置，避免后期水平預應力導管無法就位的情況出現(xiàn)。由于水平預應力導管的直徑約為165 mm，而上下2道水平鋼筋之間的凈間距為190 mm，會出現(xiàn)鋼筋拉鉤位置被水平預應力導管遮擋無法綁扎的情況，為保證拉鉤能夠順利就位，水平預應力導管附近的水平鋼筋應適當調整，以鋼筋避讓水平預應力導管為原則。

3.2 鋼筋施工順序確認

穹頂鋼筋綁扎總體順序為：先綁扎內層鋼筋網(wǎng)片，再綁扎外層鋼筋網(wǎng)片，最后綁扎拉鉤，在此期間穿插完成預應力錨固系統(tǒng)區(qū)域鋼筋綁扎。為了提高效率，結合穹頂鋼筋形式以及安全因素，考慮在穹頂1至5層施工過程中，將內層鋼筋多綁扎1層，即在穹頂1層施工過程中就將穹頂2層的內層鋼筋綁扎完成，在穹頂1層混凝土澆筑完成后可以立即啟動預應力導管的安裝工作，為預應力導管安裝的提前介入創(chuàng)造條件。在6層施工過程中，由于穹頂?shù)钠露纫呀?jīng)變緩，將穹頂內層鋼筋全部綁扎完成，這樣就為穹頂后續(xù)工序施工創(chuàng)造了極其有利的條件。

4 模板體系研究及應用

穹頂混凝土面的坡度由下至上逐漸變緩，環(huán)向長度逐漸變短，施工工況發(fā)生改變，模板體系也發(fā)生改變。為保證混凝土振搗到位，混凝土表觀質量符合規(guī)范要求，模板配置方式綜合考慮施工層段和角度。根據(jù)半球形穹頂?shù)慕Y構特點，將穹頂模板分為3個階段，第1階段為1至5層，由于1至5層坡度較大，這5層的模板體系設計參考直墻模板體系；第2階段為6至9層，將這4層的模板體系設計為“西瓜皮”式模板；第3階段為10層，由于10層形式類似于樓板，在這層不支設外側模板。

4.1 第1階段模板體系

第1階段穹頂坡度較陡，故模板體系與直墻模板體系類似。將穹頂1至5層的模板分為2種，即A型和B型。在施工過程中，A型為固定樣式，周轉5次使用，B型為變量，B型模板5次的尺寸均不一樣。在模板支設過程中，A型模板和B型模板交替布置，利用B型尺寸的逐漸變化使穹頂模板體系達到設計效果，第1階段模板體系樣式如圖4所示。

圖4 穹頂?shù)?階段模板示意

4.2 第2階段模板體系

第2階段穹頂坡度逐漸變緩，混凝土中的氣泡會貼在模板表面無法排出，采用“西瓜皮”式模板體系?！拔鞴掀ぁ蹦０宸譃镸1型和M2型2種配合使用，M2型模板跨越整個施工段，M1型模板為2個M2型模板間的填充模板，M2型模板一次性支設到位，M1型模板支設在2塊M2型模板中間，隨著混凝土澆筑標高不斷向上伸延向上排列安裝，直至澆筑完畢，第2階段模板體系樣式如圖5所示。

圖5 穹頂?shù)?階段模板示意

在穹頂9層混凝土澆筑過程中，隨著混凝土流動性的喪失，在混凝土初凝后對“西瓜皮”模板進行拆除，并用抹子對混凝土面進行壓光，以保證混凝土的外觀質量。在模板拆除過程中應掌握好拆除時間。拆得過早，混凝土會存在隨著重力作用下墜的情況，容易產(chǎn)生水平方向的裂縫，嚴重影響混凝土施工質量。

如果拆除時間較晚，則混凝土已經(jīng)凝固，無法消除混凝土表面的氣泡，達不到預期目的?，F(xiàn)場可通過模擬試驗的方式確定“西瓜皮”模板的最佳拆模時間，從而保證施工質量。

4.3 第3階段模板體系

穹頂?shù)?階段類似于樓板體系，因此混凝土上表面不需要支設模板，但穹頂為球形結構，控制混凝土的澆筑標高為關鍵點。先通過全站儀在穹頂已綁扎成形的鋼筋上以穹頂中心坐標點為圓心投測出幾個圓圈，再用水準儀抄測這幾個圓上對應的理論標高，最后用木條沿著穹頂半徑方向將這些標高點連接起來形成的弧線即為穹頂結構外邊線。第3階段模板體系如圖6所示。

圖6 穹頂?shù)?階段模板示意

4.4 與模板配套的操作平臺設計

由于穹頂為半球形結構，每一段的傾斜角度均不一樣，為保證作業(yè)的安全性和可操作性，需要對與模板體系配套的操作平臺進行設計。操作平臺分為2部分：一部分是與模板相連的上層操作平臺，此操作平臺主要滿足鋼筋綁扎、預應力導管安裝、混凝土澆筑等施工需求；另一部分是掛架操作平臺，此操作平臺主要滿足模板支設及混凝土外觀處理等施工需求。

4.4.1 與模板相連的上層操作平臺設計

經(jīng)研究統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，若采用普通掛架體系，隨著穹頂高度的增加，上層操作平臺的傾斜角度會越來越大。在穹頂4段施工時，操作平臺內外高差達491 mm，已影響人員的通行。因此，從穹頂4段開始需要對操作平臺進行修改，減少操作平臺的內外側高差。

考慮到每一段的高差均不一樣，需設計一種可調節(jié)角度的操作平臺才能滿足現(xiàn)場需求。通過對現(xiàn)場剩余的三角架進行改裝，將三角架的剛性連接點改為用螺栓連接，這樣就能對三角架的角度進行調節(jié)，保證操作平臺的滿足施工需求。為保證掛架體系在修改后承載力滿足要求，先改裝一塊模板，進行模擬試驗后再批量改裝，降低安全和成本風險。三角架改裝如圖7所示。

圖7 三角架改裝示意

4.4.2 掛架體系設計

由于掛架操作平臺為輔助操作平臺，直接采用安全殼筒體配套的掛架體系，但隨著高度的增高，其平臺坡度也在逐漸增加，現(xiàn)場采用鋼管架支撐，鋪設跳板的方式進行找平。大致樣式如圖8所示。

圖8 掛架體系平臺找平

掛架體系需要預埋與之配套的掛架錐體，由于穹頂區(qū)域隨著高度的增加，水平方向的半徑逐漸變小，導致掛架錐體的預埋位置也存在不確定性。根據(jù)模板體系的特點，制定了2套預埋方案，一種方法是在每段模板支設后用測量儀器定出錐體的位置，保證錐體相對位置的準確性；另一種方法是利用A型模板周轉使用的特點，將掛架與A型模板一一對應，這樣能夠確保掛架錐體只要定一次位置，就能周轉使用5次，不需要重復定位。但A型掛架之間的縫隙要用跳板及時封堵，減小安全隱患。2種方法均能夠滿足現(xiàn)場施工需求，但方法2更具備可操作性。掛架體系布置如圖9所示。

圖9 掛架體系布置示意

5 混凝土施工技術研究

根據(jù)穹頂模板體系的設計，將穹頂混凝土澆筑分為3個階段，1至5層為第1階段；6至9層為第2階段；10層為第3階段。穹頂混凝土施工的關鍵點就是氣泡的排出，根據(jù)3個階段穹頂傾斜的角度以及模板體系的不同，制定控制措施保證穹頂混凝土的施工質量。

5.1 第1階段混凝土澆筑

第1階段混凝土施工類似于直墻墻體混凝土施工。在對混凝土進行二次振搗時，受球形結構影響，振搗棒無法直接振搗底部靠模板邊緣的區(qū)域，只能利用振搗棒的振搗影響范圍來保證此區(qū)域混凝土的密實性。但混凝土中的氣泡在上升過程中會粘在圓弧形模板表面，難以排出，現(xiàn)場可以采用在圓弧形模板下部開設小孔的方式來盡可能多地排出混凝土中的氣泡。在混凝土澆筑過程中，待小孔中有砂漿流出時用“模板堵頭”進行封堵。另外，將模板表面清理干凈，增加模板的光潔度，減少氣泡上升過程中的摩擦阻力，也是保證混凝土施工質量的重要方法。

5.2 第2階段混凝土澆筑

第2階段采用“西瓜皮”式模板，6層和8層采取邊澆筑混凝土，邊支設模板的方式進行施工。這樣能夠將混凝土中的氣泡盡可能多地排出，同時也便于混凝土的振搗，保證混凝土的施工質量。

為了保證混凝土的外觀質量，根據(jù)穹頂?shù)钠露?，在?階段的第9層混凝土施工過程中，對“西瓜皮”模板施工工藝進行優(yōu)化。當已澆筑混凝土初凝后，就對“西瓜皮”模板進行拆除，用抹子將混凝土面壓光，這樣就能保證混凝土表面絕對光滑，完全沒有氣泡，形成“邊支模、邊澆筑、邊拆?！钡氖┕すに嚵鞒?。

工藝優(yōu)化后施工重點注意事項如下：

1）嚴格控制模板拆除時間，若拆除時間過早，混凝土會由于重力的作用產(chǎn)生下墜，形成環(huán)向裂縫；若拆除時間過晚，混凝土已經(jīng)凝結硬化，達不到壓光效果。

2）合理安排工人進行流水作業(yè)，模板支設、混凝土澆筑、模板拆除、混凝土壓光等工序環(huán)環(huán)相扣，必須有條不紊地組織施工。

3）壓光完成后及時對混凝土進行覆蓋養(yǎng)護，避免混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫。

5.3 第3階段混凝土澆筑

第3階段類似于樓板施工，不支設外模，只用“手榴彈＋木條”的方式控制混凝土澆筑標高。第3階段混凝土施工過程中，應嚴格控制混凝土的坍落度，坍落度過大會導致混凝土向下流墜，坍落度過小則會造成堵泵。暫定2種施工方法來解決此問題：一是將混凝土水平分層，下部混凝土用布料機澆筑，上部混凝土采用“塔吊＋料斗”的方式澆筑坍落度較小混凝土；二是采用圓弧形模板對流動性較大的混凝土進行阻擋，支設簡易木板，待混凝土初凝后將模板拆除，再對混凝土進行二次振搗及壓光處理。

5.4 混凝土布料方式

穹頂頂部標高超過70 m，因此混凝土的布料方式也是施工過程中的難點?，F(xiàn)場布置有2臺塔式布料機（1#和2#）作為主要的澆筑設備，由于這2臺設備無法交圈，存在一定的盲區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在廠房屋面板增設1臺28 m布料機（3#）輔助澆筑混凝土。為保證這臺布料機能夠覆蓋足夠大的區(qū)域，布料機安裝位置對應的廠房屋面板應在穹頂5段澆筑前施工完成，確保不制約穹頂混凝土澆筑。為保證穹頂混凝土澆筑的連續(xù)性，避免機械設備損壞而影響混凝土澆筑，所有布料設備布置雙管線的同時，在屋面增設布料機作為應急設備（備用1和備用2）。由于備用設備所在廠房屋面標高為22.00 m和27.00 m，布料機高度太低導致覆蓋面積不足，采取增加布料機立柱高度的方式來保證其布料范圍。布料機布置位置如圖10所示。

圖10 穹頂布料設備位置

5.5 混凝土養(yǎng)護

混凝土采用保濕保溫養(yǎng)護，養(yǎng)護時間原則上不得少于14 d，具體時間可根據(jù)現(xiàn)場實際情況調整。水平施工縫區(qū)域的養(yǎng)護：表面上覆蓋2層麻袋片或無紡布，麻袋片或無紡布縱橫布置，麻袋片或無紡布搭接均不小于5 cm。將穹頂混凝土養(yǎng)護根據(jù)工期長短分為4個階段：1至5層為第1階段，6層和7層為第2階段，8層和9層為第3階段，10層為第4階段。

第1階段養(yǎng)護措施主要是側面帶模養(yǎng)護，上表面覆蓋灑水養(yǎng)護。加強保溫及保濕措施。

在第2階段，由于工作量的減少，以及部分工作的平行施工，施工工期明顯縮短，混凝土需要提前拆?！，F(xiàn)場采用涂刷養(yǎng)護劑以及覆蓋無紡布的方法來對側面進行養(yǎng)護。

在第2階段施工完成后，第3階段只剩下外層拉鉤綁扎和埋件安裝等少量工作未完成，施工工期為3 d左右。為了降低混凝土的養(yǎng)護風險，第3階段采用帶模養(yǎng)護。因此，此階段穹頂需要準備2套模板。

由于穹頂?shù)?階段不支設模板，第4階段的養(yǎng)護方式與樓板的養(yǎng)護方法相同，采用灑水覆蓋的養(yǎng)護方法。

6 結語

安全殼半球形結構穹頂施工難度大，施工前根據(jù)現(xiàn)場情況和結構特點分析施工的重點和難點，再針對難點制定專項解決措施，并在施工過程中進行論證和優(yōu)化，達到保證工程進度、提高工作效率、確保工程質量、降低施工成本的最終目的，為同類型工程建設提供了可復制、推廣的成功經(jīng)驗。