CAP1000核島CV底封頭A層鋼筋模塊化施工技術(shù)

王建，夏光照，石立影，蘇昭財，周開健

（中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司海陽核電項目部，山東 海陽 265100）

0 引言

CAP1000 核島作為三代非能動大型壓水堆核電站，秉承了世界先進的核電設(shè)計理念，屬于先進的核電項目建造工程；該項目異形鋼筋較多，集成化程度高，多采用36 mm 和40 mm 的大直徑鋼筋，并且鋼筋密集，施工難度較大。隨著建筑行業(yè)人口紅利逐漸消失，勞動力緊缺，人工費上漲是未來核電建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)。此外，為提高CAP1000 的國際競爭力和整體經(jīng)濟性，必須提高鋼筋施工效率，縮短建造工期。因此需要優(yōu)化CAP1000 鋼筋施工工藝以應對這些挑戰(zhàn)。以往，核電工程CV 底封頭下部A 層鋼筋施工時，鋼筋直接在現(xiàn)場綁扎，存在以下弊端：球曲面結(jié)構(gòu)的鋼筋難以精準就位，標高控制困難；現(xiàn)場作業(yè)量大，鋼筋綁扎效率低，在土建施工中占用時間較長，需投入大量人力資源；現(xiàn)場安全文明施工控制難度大。針對鋼筋施工問題，業(yè)內(nèi)人士進行了大量的研究。例如，王振興等［1］對超高層鋼筋綁扎施工技術(shù)進行研究，提出成品鋼筋焊接網(wǎng)片代替散裝人工綁扎；鄒少俊等［2］對鋼筋施工技術(shù)進行優(yōu)化研究，提出鋼筋綁扎可由機器人代替人工完成部分工序；王然［3］研究“華龍一號”核電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的SG2 鋼筋施工技術(shù)，提出鋼筋籠模塊化施工方法。

本文通過對CAP1000 核島A 層鋼筋綁扎的研究實踐，提出采用鋼筋模塊化工廠預制［4］和現(xiàn)場吊裝建造技術(shù)實現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)鋼筋模塊化施工［5］，形成一套適用于球曲面鋼筋安裝工程的模塊化施工工藝，填補了CV底封頭下部A層鋼筋模塊化施工的空白。

1 工程概況

CAP1000 核島A 層鋼筋作為CV 底封頭下方的主要支撐結(jié)構(gòu)，受CV 底封頭形狀影響，鋼筋模塊整體呈球曲面，高約1.6 m，直徑約18.4 m，鋼筋主要為直徑為36 mm 的HRB500E 鋼筋，每根鋼筋對應的標高均不相同，并且鋼筋整體重量較大，約36.5 t，傳統(tǒng)的鋼筋支架對現(xiàn)場鋼筋標高控制較困難。A層鋼筋位于核島正中心，周圍是CR10 鋼結(jié)構(gòu)組合模塊，作業(yè)空間受到限制，導致A層鋼筋施工的難度較大。

2 鋼筋模塊化施工方案確定

2.1 常規(guī)施工方案的弊端

傳統(tǒng)的常規(guī)施工流程如下：鋼筋加工→鋼筋運輸→鋼筋支架現(xiàn)場焊接→鋼筋綁扎→模板支設(shè)→混凝土澆筑。然而，采用常規(guī)施工方式除了工程周期長、不利于現(xiàn)場施工整體進度控制，還存在以下幾個弊端。

（1）現(xiàn)場球面支架焊接作業(yè)量大，施工環(huán)境復雜，交叉施工多，作業(yè)空間??；鋼筋綁扎效率低，施工進度緩慢；鋼筋難以精準就位，標高控制困難。

（2）鋼筋直徑大，導致單根鋼筋重量大，在一定程度上增大了施工安全風險。

（3）現(xiàn)場作業(yè)量大，需投入大量人力資源，而隨著人口紅利的逐漸消失，工藝熟練的鋼筋工人越來越少，在一定程度上制約了傳統(tǒng)鋼筋施工工藝的使用。

（4）施工現(xiàn)場需設(shè)置大量臨時堆場堆放鋼筋，鋼筋綁扎過程會產(chǎn)生較多的建筑垃圾，導致現(xiàn)場安全文明施工控制難度大。

2.2 鋼筋模塊化施工方案

鋼筋模塊化施工是指在場外提前加工預制工裝，然后將鋼筋安裝至預制工裝，形成鋼筋模塊，再將鋼筋模塊整體吊裝就位的施工工藝。模塊化施工方案可解決現(xiàn)場施工環(huán)境復雜、作業(yè)空間小、鋼筋施工效率低等問題；同時，因為是提前預制整體鋼筋模塊，所以減少了交叉作業(yè)的影響，加快了施工進程。模塊化施工存在模塊變形、就位控制等技術(shù)難題需要解決，并且對工裝設(shè)計的可靠度和有效性要求較高。海陽二期4號機組通過以下方面進行創(chuàng)新優(yōu)化。

（1）利用BIM 繪制A 層鋼筋的三維模型，展示各層鋼筋整體形狀及位置關(guān)系，為A 層鋼筋支撐工裝的設(shè)計提供支持。

（2）優(yōu)化A 層鋼筋支撐，采用彎曲成型的“H”形鋼作為支撐，增強支架整體剛度，對鋼筋整體形狀及標高進行更精準的控制。

3 鋼筋模塊化施工工藝流程及操作要點

A層鋼筋模塊化施工主要流程如下：測量定位放線→預制工裝設(shè)計制作→鋼筋加工及運輸→鋼筋模塊預制→鋼筋模塊吊裝→吊裝就位。

3.1 測量定位放線

通過測量控制網(wǎng)采用全站儀進行主要軸線的測量定位工作；放線工根據(jù)所定出的軸線進行細部尺寸的放線工作；測放隊在現(xiàn)場及預制場地分別建立水平微網(wǎng)和標高控制點，采用全站儀按照施工圖放出鋼筋控制線。鋼筋位置通過現(xiàn)場的相對位置反投在預制場地上并采用多種測量方法復核。預制工裝的標高采用水準儀進行復核，確保測量結(jié)果無誤。

3.2 預制工裝設(shè)計制作

鋼筋模塊的預制工裝根據(jù)CV 底封頭形狀及鋼筋就位位置進行設(shè)計，采用彎曲成型的“H”形鋼作為主體材料，工裝整體剛度增強，有利于吊裝過程中的變形控制。預制工裝部件直接在加工廠制作完成，根據(jù)運輸能力可選擇是否在加工廠進行組裝焊接。預制工裝組裝件運輸至鋼筋模塊預制場地進行整體拼裝焊接，拼裝完成后，進行鋼筋綁扎。預制工裝制作時，需按設(shè)計要求進行檢查，檢查合格后方能運輸至現(xiàn)場。鋼筋模塊預制工裝模型如圖1所示。

圖1 鋼筋模塊預制工裝模型圖

3.3 鋼筋加工及運輸

進場的鋼筋必須有出廠合格證、質(zhì)量證明文件，并經(jīng)有關(guān)部門復檢合格，鋼筋的各種性能須滿足設(shè)計及規(guī)范要求，鋼筋表面清潔無損傷，不允許帶有顆粒狀或片狀鐵銹、裂紋、結(jié)疤、油漬、漆污等，鋼筋斷頭應平直無彎曲。所有鋼筋進場時，應按國家現(xiàn)行標準《鋼筋混凝土用鋼第2 部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2）及設(shè)計要求進行材料報驗、復檢；具體要求如下。

（1）所有鋼筋在鋼筋加工廠完成加工后由技術(shù)員根據(jù)設(shè)計圖紙和施工方案編制鋼筋料表。

（2）成型鋼筋的品種、根數(shù)、長度、彎曲位置、彎折角度及彎鉤平直段的長度都應控制在允許范圍內(nèi)。鋼筋的長度偏差在±10 mm 以內(nèi)，保持鋼筋平直無扭曲，表面無裂紋、油污、顆?；蚱瑺罾箱P現(xiàn)象。

（3）每份料單加工完成后，為便于區(qū)分并防止錯用，經(jīng)自檢合格后，掛牌分類標識，標識內(nèi)容注明使用子項、部位、規(guī)格型號、數(shù)量等，以方便查找和核對。

（4）鋼筋的運輸主要是從鋼筋加工廠運至指定堆場，鋼筋運輸應按施工計劃隨用隨運。運輸前，加工廠發(fā)料人與施工隊點料人共同對所運輸鋼筋的施工子項、部位、型號、數(shù)量等進行確認，無誤后移交施工隊。運至指定堆場的鋼筋應堆放整齊，鋼筋不能直接放在地面上，以免鋼筋銹蝕。鋼筋水平運輸工具采用平板拖車，垂直運輸采用現(xiàn)場塔吊。

3.4 鋼筋模塊預制

3.4.1 鋼筋綁扎

鋼筋預制工裝安裝合格后，按圖紙進行鋼筋綁扎，并且需要與提前投放的控制點對應。預制鋼筋模塊時，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，定出每層第1 根鋼筋的位置，根據(jù)鋼筋設(shè)計的間距排布并標識出其他鋼筋的位置，在鋼筋中心線下部20 mm 處的支架上點焊鋼筋短頭或小鋼板，保證鋼筋安裝后不會出現(xiàn)滑移。第4 層鋼筋以7 軸為控制軸線（如圖2 所示），按圖紙中要求的水平間距由7 軸向兩邊進行綁扎就位；第5層鋼筋以N 軸線為控制軸線（如圖3所示），按圖紙中要求的水平筋間距由N軸向兩邊進行綁扎就位［6］。接著進行第9a層（9a-00～9a-04）鋼筋綁扎，9a層鋼筋為環(huán)向布置，封圈時可采用錐套鎖緊套筒進行連接。鋼筋間距均為鋼筋中心距離的間距。所有鋼筋交叉點均采用扎絲逐扣滿綁，綁扎方法采用“八”字綁法，以加強網(wǎng)片的穩(wěn)定性［7］。鋼筋綁扎完成的三維模型圖和俯視模型圖如圖4、圖5所示。

圖2 第4層鋼筋平面示意圖

圖3 第5層鋼筋平面示意圖

圖4 鋼筋綁扎完成三維模型圖

圖5 鋼筋綁扎完成俯視模型圖

3.4.2 成品保護

鋼筋機械接頭的帶螺紋端，必須有塑料保護帽保護，避免螺紋損傷和污染。對綁扎好的鋼筋骨架應注意保護其成品，防止重物堆壓而變形，尤其在支設(shè)模板時，不允許用電、氣焊隨意將主筋割斷。此外，為防止鋼筋被污染，混凝土澆筑面以上的部分需要用塑料保護帽對絲頭進行保護；伸出澆筑面的鋼筋在剛完成混凝土澆筑時，需及時清理和扶正。

3.5 鋼筋模塊吊裝

鋼筋模塊吊裝的流程如下：鋼筋模塊吊裝準備→模塊試吊→模塊正式吊裝→鋼筋模塊就位→吊鉤摘鉤。

3.5.1 鋼筋模塊吊裝準備

采用650 t 履帶式起重機進行吊裝，吊車站位中心坐標為X=4 064 229.039，Y=489 553.502。模塊吊裝過程中，周邊障礙物根據(jù)現(xiàn)場情況避讓。吊裝高度約為12 m，吊裝半徑為42 m，超起平衡重50 t 時，額定吊裝重量為78.9 t，吊裝重量滿足吊車性能參數(shù)表中的要求；鋼筋模塊底部設(shè)置溜繩；鋼筋模塊單個吊點共16 個，最大拉力標準值為65 kN；吊裝采用額定載荷為100 kN 和250 kN 的吊裝帶，吊裝調(diào)平采用10 t倒鏈調(diào)整，采用5.8 m 的50 t 平衡梁，下部掛16 根額定載荷為100 kN 的吊裝帶，頂部采用4 根額定載荷為250 kN 的主吊裝帶與吊車掛鉤連接；鋼梁圓弧頂面最低點至上吊點垂直距離為20 m?，F(xiàn)場使用的吊具、機具經(jīng)檢驗安全合格方可使用。具體的負荷率計算見表1。

表1 負荷率計算表

吊裝前的注意事項如下。

（1）對吊裝帶、卸扣等吊裝設(shè)備進行檢查，合格后才可吊裝，不符合要求的物品應及時進行更換退庫，嚴禁強制吊裝。

（2）進行風速測量，只有當風速≤5級（8.0～10.7 m/s）時，才可以進行鋼筋模塊吊裝作業(yè)。

（3）檢查鋼筋模塊鋼筋綁扎的牢固程度，避免吊裝時鋼筋掉落。

（4）對模塊就位點應采用厚度不同的鋼板進行標高調(diào)整，保證就位點標高在89.200 m，在7 軸線附近預埋模塊定位鋼筋。

（5）檢查吊裝路徑及回轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)是否有影響吊裝的物項，設(shè)置安全警戒線，保證障礙物與吊裝區(qū)域安全距離大于1.5 m。設(shè)專人監(jiān)護，嚴禁非作業(yè)人員入內(nèi)，作業(yè)人員嚴禁站在吊裝物正下方，吊裝過程必須安排專職安全員旁站。

（6）吊索具通過連接吊車吊鉤與模塊吊耳組成吊裝系統(tǒng)。吊裝系統(tǒng)需嚴格按照順序進行連接，吊裝系統(tǒng)連接分2個階段進行，第一階段為預制工裝吊耳與吊索具連接；第二階段為吊車吊鉤與吊索具連接。

3.5.2 模塊吊裝

（1）模塊正式吊裝前，先進行試吊。確認各種吊索具無誤后進行試吊，鋼筋模塊吊裝應緩慢平穩(wěn)，在起吊后，將鋼筋模塊吊離地面200～500 mm，并在原地靜止3 min，觀察鋼筋模塊是否有變形情況，如果出現(xiàn)變形或不穩(wěn)定的情況應及時加固調(diào)整。

（2）模塊正式吊裝時，吊運鋼筋模塊達到離預定區(qū)域上方約3 m 處停止，鋼筋工人拉好溜繩，調(diào)整鋼筋模塊方向，使之緩慢下降。吊裝作業(yè)時，須有專人指揮，使用同一指揮信號或手勢，凡參加吊裝作業(yè)的人員必須熟悉吊裝方案和工作內(nèi)容，按照方案要求施工，并嚴格執(zhí)行規(guī)程規(guī)范，在整個吊裝過程中遵守現(xiàn)場秩序，不允許擅自離開工作崗位。

3.5.3 鋼筋模塊就位與摘鉤

（1）起吊開始后，作業(yè)人員牽引鋼筋模塊上的纜風繩進行控制，嚴禁直接手扶鋼筋模塊。在鋼筋模塊就位前先對28 個鋼柱就位點標高進行復核，確保就位點標高位于89.200 m。在現(xiàn)場7 軸線附近預埋定位鋼筋，當鋼筋模塊距離現(xiàn)場就位點約1 000 mm 時，穩(wěn)定模塊，沿定位鋼筋下落，確保模塊準確就位。

（2）吊車摘鉤條件：①鋼筋模塊已完全就位，吊機荷載釋放完成，主吊索處于松弛狀態(tài)；②模塊吊耳與吊索具連接裝置拆除。

4 施工難點和關(guān)鍵點

綜上所述，鋼筋模塊化施工技術(shù)的難點及施工關(guān)鍵點總結(jié)如下：①鋼筋與CV 底封頭形狀匹配，呈球形布置，對支架形狀、標高精度及弧形鋼筋加工精度要求都較高。②環(huán)向鋼筋采用機械套筒方式連接，封圈位置采用錐套鎖緊套筒連接，鋼筋直徑大，對鋼筋工人的技能要求高。③模塊吊裝就位過程中需注意與CR10 鋼結(jié)構(gòu)模塊之間的距離，避免發(fā)生沖突。④模塊就位精度要求高，鋼筋要求與CR10 鋼結(jié)構(gòu)上部鋼筋及CV 底封頭相互匹配，就位標高精度要求為±5 mm，就位精度平面內(nèi)要求為±10 mm。⑤模塊體積、重量大，施工過程中變形控制困難。⑥模塊化施工過程中會產(chǎn)生大量測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性很強，直接影響模塊就位，保證控制線及過程數(shù)據(jù)的準確性是模塊安裝就位的關(guān)鍵。

5 結(jié)語

本文通過對CAP1000 核島CV 底封頭A 層鋼筋模塊化施工技術(shù)的研究實踐，解決了傳統(tǒng)人工綁扎方法施工難度大、費工費時、安全風險較大、機械利用率低等問題。經(jīng)驗收檢驗和質(zhì)量評定，鋼筋施工質(zhì)量達到設(shè)計要求。此項技術(shù)的應用與創(chuàng)新，取得了一定的社會效益與經(jīng)濟效益，有利于提高核電站建造質(zhì)量和環(huán)境管理目標的實現(xiàn)，具有良好的推廣應用價值，為后續(xù)三代非能動壓水堆核電站的建造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。