某核電站SC結(jié)構(gòu)施工重難點分析及控制措施

上海核工程研究設(shè)計院股份有限公司 劉 敏 劉振文 朱亞閣

1 引言

某核電項目核島土建反應(yīng)堆廠房的屏蔽墻是核電站抵抗內(nèi)外部事故最重要的構(gòu)筑物之一，具有輻射屏蔽、飛射物防護、非能動冷卻、抵抗龍卷風(fēng)和地震事件等重要功能。屏蔽墻由普通混凝土結(jié)構(gòu)（簡稱“RC結(jié)構(gòu)”）和鋼板混凝土結(jié)構(gòu)（簡稱“SC結(jié)構(gòu)”）組成，采用SC結(jié)構(gòu)作為核島的主體結(jié)構(gòu)尚屬首次[1]。該結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮混凝土與鋼材特性，另一方面由于栓釘和內(nèi)部混凝土的存在，使得鋼板剛度提高，抗彎性能得以發(fā)揮。SC結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點在于抗震性能好，承載能力高，抗沖擊性能好，可以抵御爆炸和大飛機撞擊。但受結(jié)構(gòu)特點限制，其內(nèi)部空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大，研究其施工過程中的重難點和控制措施是十分必要的。

2 工程概況

2.1 結(jié)構(gòu)特點

SC結(jié)構(gòu)是雙層鋼面板的筒體結(jié)構(gòu)，從±0.000m至17.950m為部分圓環(huán)體，從17.950m至57.246m為圓環(huán)體，外半徑為23.985m，內(nèi)半徑為22.885m，厚度為1.1m。標準鋼面板厚度為20mm，連接區(qū)域鋼面板厚度為25mm，鋼板材質(zhì)均為Q345B（進氣口區(qū)域為Q420C），鋼面板背部焊接錨釘、拉筋、加勁板。SC結(jié)構(gòu)內(nèi)部連接區(qū)和加厚區(qū)采用自密實混凝土，其他區(qū)域采用普通混凝土。SC結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SC結(jié)構(gòu)

2.2 施工特點

模塊化施工是SC結(jié)構(gòu)一大特點，通過在工廠預(yù)制子模塊，運輸?shù)浆F(xiàn)場組裝成大型結(jié)構(gòu)模塊，再整體吊裝就位，極大地壓縮了建造周期。SC結(jié)構(gòu)分為連接區(qū)（1層、7層）、非閉合區(qū)（2～7層）、閉合區(qū)（8～17層）和進氣口區(qū)段（18～19層）四部分，每層高度約3m。標準子模塊弧度為30°，弧長12.6m、高度1.5m、寬度1.1m，整個SC結(jié)構(gòu)由208塊子模塊拼裝而成。每層吊裝就位后，與下層模塊焊接連接，內(nèi)部澆筑混凝土，養(yǎng)護完成后吊裝下一層模塊。

3 SC結(jié)構(gòu)施工重難點分析及控制措施

3.1 SC與CV施工邏輯

核島鋼制安全殼（以下簡稱“CV結(jié)構(gòu)”）為上下帶橢球封頭的圓柱形鋼制容器，由底封頭、3個CV環(huán)體和頂封頭組成。由于SC結(jié)構(gòu)與鋼制安全殼墻體間距僅1.33m，兩者在吊裝時會互相干涉，總體原則為CV結(jié)構(gòu)施工標高在先，SC結(jié)構(gòu)施工標高在后，先里后外。

CV底封頭（CVBH）首先就位，隨后施工外部A～E層基礎(chǔ)，待C層基礎(chǔ)養(yǎng)護完成后，即可滿足CV1環(huán)吊裝條件，CV1環(huán)就位后，內(nèi)部混凝土繼續(xù)施工，如果此時吊裝CV2環(huán)，CV結(jié)構(gòu)的相對標高已達到35.607m，造成CV內(nèi)部混凝土澆筑困難，因此，先吊裝SC1～SC7，此時SC結(jié)構(gòu)相對標高為17.950m；若繼續(xù)吊裝SC8～9層，由于SC結(jié)構(gòu)在外，CV結(jié)構(gòu)在內(nèi)，不利于CV結(jié)構(gòu)吊裝安裝，因此先就位CV2環(huán)，此時相對標高為36.600m；如果繼續(xù)就位CV3環(huán)，相對標高達到47.300m，影響SC8～9層就位，因此先吊裝SC8～9層，此時相對標高為23.950m，如果后續(xù)就位SC10～15層，不利于SC結(jié)構(gòu)與CV結(jié)構(gòu)間掛架的搭設(shè)與拆除，故先就位CV3環(huán)；隨后吊裝SC10～15層，考慮CV頂封頭（CVTH）焊接操作空間，先就位CVTH，后吊裝SC16～19層[2]。SC結(jié)構(gòu)與CV結(jié)構(gòu)安裝邏輯如圖2所示。

圖2 SC結(jié)構(gòu)與CV結(jié)構(gòu)安裝邏輯

3.2 整圈吊裝難度大

SC結(jié)構(gòu)雙層整圈模塊是一種大直徑環(huán)形柔性雙層鋼面板結(jié)構(gòu)，直徑47.97m，高度6m，鋼面板間設(shè)有φ20mm拉結(jié)鋼筋，模塊本體最大重量約406.7t，國內(nèi)外尚無成熟經(jīng)驗可借鑒，吊裝難度大。

一是吊裝工裝設(shè)計：SC結(jié)構(gòu)雙層整圈模塊分為高應(yīng)力區(qū)和低應(yīng)力區(qū)，模塊質(zhì)量分布不均勻，重心與形心不重合，吊索具連接復(fù)雜，吊裝工裝上吊點多，模塊調(diào)平難度大。對此可采用有限元分析軟件，對吊裝工裝的吊點布置、強度、穩(wěn)定性及變形進行系統(tǒng)地分析，確定吊裝工裝的合理性和吊點選擇，提前布置好調(diào)平配重；同時開展吊裝工裝荷載試驗，確保吊裝過程萬無一失。

二是變形控制：SC結(jié)構(gòu)安裝精度要求高，連接區(qū)域尺寸偏差為±3mm，非閉合區(qū)尺寸偏差為6mm。SC結(jié)構(gòu)整體剛度小，吊裝過程中容易發(fā)生變形，精度控制難度大。針對此問題可采用有限元分析軟件，對吊點受力不均勻、地面不平整、吊索偏斜等初始缺陷進行模擬，對吊裝過程中容易出現(xiàn)塑性變形的位置，制定加固措施或調(diào)整吊點位置，選用合理的吊裝方法來控制模塊變形；在組對時通過設(shè)置合理工裝，采用千斤頂、倒鏈等工機具對模塊進行校正，使模塊精度達到設(shè)計要求。

三是吊裝就位難度大：SC結(jié)構(gòu)雙層整圈模塊共24個子模塊，每個子模塊均有就位基準線，就位基準線需要與核島位置相對應(yīng)，模塊就位基準線數(shù)量多，同時SC結(jié)構(gòu)與CV結(jié)構(gòu)間距小，容易與CV結(jié)構(gòu)相碰，SC結(jié)構(gòu)就位困難。對此可在SC結(jié)構(gòu)吊裝前，在模塊本體安裝徑向、環(huán)向限位裝置及防擠碰裝置輔助SC結(jié)構(gòu)模塊就位。徑向限位裝置成對布置，環(huán)向間距6°，環(huán)向限位裝置布置在0°和180°方位，防擠碰裝置設(shè)置在下層模塊外側(cè)鋼面板上，布置在0°、90°、180°、270°附近，采用全站儀定位，保證SC結(jié)構(gòu)模塊精準就位。

3.3 連接區(qū)域施工

SC結(jié)構(gòu)與RC結(jié)構(gòu)連接區(qū)域通過錨固鋼筋連接，SC結(jié)構(gòu)支撐板上開錨固孔，錨固鋼筋穿過孔洞與RC結(jié)構(gòu)豎向鋼筋通過套筒連接，連接區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下部RC結(jié)構(gòu)鋼筋密集，錨固鋼筋數(shù)量多，錨固擰緊后錨固鋼筋無法與錨固孔逐一對應(yīng)，SC結(jié)構(gòu)無法吊裝就位。

為解決此類問題，采用逆作法施工，即先施工上部SC結(jié)構(gòu)，再施工下部RC結(jié)構(gòu)。具體步驟為：工裝預(yù)埋件位置放線→工裝預(yù)埋件安裝→工裝預(yù)埋件部位混凝土澆筑→支撐工裝位置放線→RC結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎→支撐工裝安裝→支撐工裝檢查→SC結(jié)構(gòu)安裝位置放線→SC結(jié)構(gòu)吊裝就位→SC結(jié)構(gòu)組對→SC結(jié)構(gòu)焊接→無損檢測→錨固鋼筋安裝→RC結(jié)構(gòu)模板安裝→混凝土澆筑。采用逆作施工方法，至少縮短工期45d，減少3840個機械套筒，在確保質(zhì)量安全的前提下，極大地提高施工效率，節(jié)約成本。

3.4 混凝土澆筑

3.4.1 SC鋼板變形控制

自密實混凝土在澆筑過程中會產(chǎn)生較大的側(cè)壓力，設(shè)計文件要求鋼板承受澆筑靜壓力不得超過100kPa，若混凝土澆筑速度控制不當，將導(dǎo)致SC結(jié)構(gòu)鋼板產(chǎn)生變形?；炷翝仓陂g在原SC安裝公差基礎(chǔ)上，以±6mm為預(yù)警值，當變形超過預(yù)警值時，須放慢澆筑速度，并加密觀察頻率。

針對鋼板變形問題，SC吊裝就位后，出具測量報告，對于變形較大的部位，在混凝土澆筑時應(yīng)予以重點關(guān)注；根據(jù)測量報告，監(jiān)測點設(shè)置在變形較大處，豎向每2m設(shè)置一個。

利用SC內(nèi)側(cè)的走道平臺，采用掉線墜的方法進行監(jiān)測，也可在SC外側(cè)面貼反光片，利用全站儀進行監(jiān)測，監(jiān)測共分3個階段。

一是混凝土澆筑前對各個監(jiān)測點進行測量，記錄初始數(shù)據(jù)；二是混凝土澆筑過程中對各測點進行實時監(jiān)測，每澆筑完成2m高對澆筑區(qū)域測點進行一次測量；三是澆筑完成后至所有混凝土終凝，對全部測點進行一次完整觀測，并與澆筑前數(shù)據(jù)進行對比，形成變形監(jiān)測報告。

如果在混凝土澆筑過程中，發(fā)現(xiàn)變形監(jiān)測異常，如數(shù)據(jù)發(fā)生突變、變形過大等，需減緩混凝土澆筑速度，必要時暫?；炷翝仓?。

3.4.2 澆筑質(zhì)量難以保障

SC內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、物項多、拉筋間距小，混凝土澆筑存在很大困難[3]。以SC19層為例，其頂部呈三角形，內(nèi)部設(shè)有上下兩層水平隔板，內(nèi)側(cè)斜面鋼板設(shè)置有下灰孔，該斜板下灰孔與內(nèi)部水平隔板下灰孔不在一條直線上，下灰難度較大，同時也很難通過下灰孔觀察到內(nèi)部混凝土的流動情況，存在混凝土填充不密實的風(fēng)險；并且內(nèi)部沿環(huán)向布置有橫向加勁板，加勁板阻礙混凝土流動，三角形頂部及相鄰兩塊加勁板之間存在澆筑不密實的風(fēng)險；底部和頂部隔板在兩個布料點之間的區(qū)域易出現(xiàn)空鼓。

針對上述施工難點，為保證澆筑質(zhì)量，采取以下控制措施。

一是開展模擬試驗：開展三次試驗驗證澆筑措施的可行性。第一次試驗驗證自密實混凝土在下料時對結(jié)構(gòu)填充的密實性、不同層間覆蓋時間下兩層混凝土之間的結(jié)合性、自密實混凝土在不同形式下料管中的流動性；第二次試驗驗證自密實混凝土對隔板底板填充的密實性、測定混凝土流動的距離和坡度；第三次試驗驗證自密實混凝土對頂部三角區(qū)填充的密實性。通過三次模擬試驗，收集了關(guān)鍵施工參數(shù)，驗證了施工措施的可行性。二是外部輔助敲擊：在施工前，對自密實混凝土難以填充的貫穿件、預(yù)埋件及鋼筋密集區(qū)域進行標識，施工時由專人重點監(jiān)控該區(qū)域，通過橡皮錘輔助敲擊鋼板外側(cè)，提高混凝土流動性，避免內(nèi)部結(jié)構(gòu)空鼓。三是頂部設(shè)置下灰槽：頂部三角區(qū)無法利用原設(shè)計圖紙中的下灰孔將該區(qū)域澆筑密實，根據(jù)驗證試驗結(jié)果，在頂部重新開設(shè)下灰孔，安裝下灰槽。四是布料管設(shè)置：SC19層設(shè)置64根下料管，采用軟管+PVC管的形式，在吊裝前安裝到位。五是借助內(nèi)窺鏡觀察內(nèi)部混凝土流動情況。

3.5 成品保護和防異物管理

3.5.1 成品保護

在澆筑過程中，混凝土灰漿將會對SC結(jié)構(gòu)表面造成污染。在現(xiàn)場施工過程中，需要采取措施對SC和CV表面進行保護，可在SC內(nèi)外兩側(cè)鋼板頂部沿鋼板外側(cè)立面覆蓋油布，油布覆蓋至操作平臺頂部，并在操作平臺上做水平延伸，保證澆筑前對SC局部區(qū)域進行覆蓋防護，防止表面污染。

3.5.2 防異物管理

SC結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)拉筋間距僅為150mm，人員無法進入，若存在雜物和積水，清理難度較大。針對此問題，可對高應(yīng)力區(qū)臨時覆蓋，防止雜物掉入內(nèi)部；混凝土頂面由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)放坡，將積水排至低應(yīng)力區(qū)，便于積水清理。在澆筑前，使用吸塵器對高應(yīng)力區(qū)的鐵屑、碎渣進行清理，低應(yīng)力區(qū)進行人工清理。

4 結(jié)語

SC結(jié)構(gòu)是近年來隨著科學(xué)技術(shù)進步與發(fā)展所提出的建筑結(jié)構(gòu)類型，現(xiàn)階段已被有效用于某核電站，本文從SC與CV施工邏輯、整圈吊裝、連接區(qū)域施工、混凝土澆筑、成品保護和防異物管理五個方面，分析了施工過程中存在的重難點，并制定出針對性的解決措施，在很大程度上可以提高施工質(zhì)量，節(jié)約資源投入，提高施工效率，縮短施工工期，為SC結(jié)構(gòu)在后續(xù)核電站中的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)。