袁 斌

廣東省建筑工程機(jī)械施工有限公司 廣東 廣州 510500

1 工程概況

中國散裂中子源是世界四大脈沖式中子源之一，屬于大型射線裝置。其質(zhì)子束流線在經(jīng)過充分加速轟擊重金屬鎢靶產(chǎn)生中子的過程中，瞬發(fā)的高劑量輻射會污染靶心內(nèi)部的所有部件和物質(zhì)。當(dāng)這些部件需要進(jìn)行必要的維護(hù)、調(diào)整、清潔等作業(yè)時(shí)，如靶體更換、慢化器反射體插件（M-R插件）轉(zhuǎn)運(yùn)和廢管剪切縮容等均必須在熱室內(nèi)部進(jìn)行，在采取去污、包裝和相關(guān)屏蔽等措施，使部件或物質(zhì)的輻射劑量達(dá)到清潔解控標(biāo)準(zhǔn)后，才能夠轉(zhuǎn)運(yùn)出熱室。所以熱室必須是科研人員可在室外操作室內(nèi)作業(yè)，同時(shí)屏蔽輻射且易于清潔的完全密閉空間。中國散裂中子源（CSNS）熱室位于靶站東北側(cè)，其結(jié)構(gòu)與靶心相連，并設(shè)有拖車通道，主要由內(nèi)襯不銹鋼殼體、功能構(gòu)件和各類預(yù)埋管線、外包高結(jié)晶水重質(zhì)混凝土墻體與嵌合式重質(zhì)混凝土蓋板組成（圖1）。

圖1 靶心與熱室平面示意

2 特點(diǎn)和難點(diǎn)

1）熱室內(nèi)襯為304不銹鋼殼體，底板厚度10 mm，邊板厚度4 mm，內(nèi)徑尺寸為18 000 mm×4 650 mm×4 000 mm（長×寬×高）。安裝完成后要求向地漏傾斜坡度為1/200；殼體各墻面垂直度公差為5 mm（1 m范圍）；熱室地面平面度允許偏差為3 mm（1 m范圍）；墻體平面度允許偏差為5 mm（1 m范圍）；其光潔度達(dá)到1.6，墻角焊縫光潔度達(dá)到3.2。大尺寸金屬薄殼結(jié)構(gòu)在制作運(yùn)輸和精準(zhǔn)安裝過程中，尺寸和變形控制是施工的重、難點(diǎn)。

2）為實(shí)現(xiàn)熱室屏蔽防護(hù)及室外操作等功能，其周邊側(cè)墻設(shè)置了大型鉛玻璃窺視窗與鑄鐵屏、機(jī)械手、拖車通道、防護(hù)門、廢液排放、壓空、照明、攝像、劑量探測及供水等19種各類系統(tǒng)近百個(gè)（根）預(yù)埋構(gòu)件及迷宮管道，且空間位置精準(zhǔn)度要求極高。如何保證安裝準(zhǔn)確牢固且作業(yè)全過程無變形偏移是施工控制的難點(diǎn)。

3）熱室墻體及嵌合式蓋板為高結(jié)晶水重質(zhì)混凝土澆筑成形，主要承擔(dān)屏蔽防護(hù)功能，要求現(xiàn)澆墻體尺寸精準(zhǔn)平整，無任何貫穿裂縫。由于墻體中預(yù)埋構(gòu)件及管道密布，如何確保施工性能迥異于普通混凝土的重質(zhì)混凝土在澆筑過程中達(dá)到密實(shí)均勻是施工的控制難點(diǎn)。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

為將厚4 mm的不銹鋼板拼裝成各面的垂直度公差小于2 mm（1 m范圍）的超大型殼體，并在后續(xù)工序中不產(chǎn)生超出允許值的變形，確保近百根預(yù)埋管的精確定位，采用了在專業(yè)車間分2段制作（每段9 000 mm×4 650 mm×4 000 mm的側(cè)頂兩面開口盒體）、分段運(yùn)輸、現(xiàn)場拼裝的方案，同時(shí)運(yùn)用了殼體分體式制作拼裝技術(shù)、大型功能件精確安裝技術(shù)以及重質(zhì)混凝土墻體施工技術(shù)[1-3]。

3.1 不銹鋼殼體制作安裝技術(shù)

3.1.1 分體式龍骨框架及覆面板制作拼裝

1）龍骨架制作。龍骨框架由16#和10#槽鋼交替焊接組成。在操作平臺上分別預(yù)制四面?zhèn)缺邶埞羌?，按圖紙形式和尺寸拼裝點(diǎn)焊成形，用水平儀調(diào)平調(diào)正后，將框架和平臺進(jìn)行固定，以防焊接變形，焊接完成后將焊縫區(qū)飛濺、藥皮打磨平整。龍骨架上設(shè)置與不銹鋼覆面板之間的過渡板，采用間斷焊分別從兩側(cè)焊接，焊縫長100 mm，間斷150 mm，兩側(cè)焊縫錯(cuò)開。完成后，將焊縫打磨平整，檢查過渡板的平面度和直線度，保證型鋼龍骨架符合方案及圖紙的技術(shù)要求。

2）覆面板的焊接。在型鋼龍骨架上進(jìn)行板材鋪設(shè)前，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬排板確定方案。鋪設(shè)后，沿對接間隙兩側(cè)對稱進(jìn)行定位點(diǎn)焊，焊點(diǎn)長10～20 mm，間距150～ 160 mm，從中間向四周放射狀焊接塞焊點(diǎn)。定位后，同樣采用放射狀順序拼焊，每焊一段需用木槌輕敲焊縫邊緣，使其與襯墊緊貼并減小應(yīng)力，嚴(yán)禁在母材表面引弧。拼焊后的覆面板在不加任何限制的情況下放在平臺上，在拼接焊縫處測量其平面度，并進(jìn)行全面積無損檢驗(yàn)（圖2）。

3）分段組裝。組裝場地精調(diào)平整并設(shè)置5 mm斜坡（1 m范圍，前高后低），支撐穩(wěn)固后，精確放樣，按前墻、后墻、左墻、右墻的順序，精準(zhǔn)對位，龍骨之間先點(diǎn)焊再滿焊，保證熱室內(nèi)部尺寸和側(cè)壁整體垂直度允許偏差滿足設(shè)計(jì)要求（圖3）。

圖2 覆面板的排版

圖3 組裝完成后的數(shù)據(jù)復(fù)核

3.1.2 大型不銹鋼殼體運(yùn)輸與安裝

分段在工廠制作的熱室殼體為上部和一側(cè)敞口的槽式結(jié)構(gòu)，為防止運(yùn)輸?shù)跹b過程中發(fā)生變形，確保殼體尺寸精度，設(shè)置了臨時(shí)內(nèi)支撐以增強(qiáng)殼體剛度（圖4）。

現(xiàn)場采用350 t吊車進(jìn)行吊裝。吊裝前精確澆筑殼體各底座墩柱，底座埋置鋼板，嚴(yán)控各鋼板位置及相互平整度，鋼板上設(shè)可調(diào)節(jié)裝置（圖5）；使用鋼絲線設(shè)置兩側(cè)軸線，用全站儀和高精度水準(zhǔn)儀復(fù)核殼體的位置和標(biāo)高，利用調(diào)節(jié)裝置微調(diào)，直至符合設(shè)計(jì)要求（圖6）。

圖4 殼體內(nèi)支撐

圖5 熱室底部可調(diào)節(jié)裝置

圖6 殼體的整體吊裝

3.1.3 底部覆面板焊接

殼體安裝固定后，進(jìn)行底部龍骨的填充混凝土施工，并刷涂油性防腐漆隔離覆面板和填充層。熱室地板荷載較大，要求填充層牢固密實(shí)，平整度控制在1 mm（1 m范圍）以內(nèi)，確保與厚10 mm的底部覆面板緊貼無空隙。

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬排版方案，從底部彎角處開始拼裝，平整貼覆并點(diǎn)焊在型鋼框架的過渡板上（圖7）。在不銹鋼板材全部鋪設(shè)完成后檢驗(yàn)覆面板的初始平整度，滿足要求后進(jìn)行焊接。采用E347奧氏體不銹鋼焊條及H0Cr20Ni10Ti奧氏體不銹鋼實(shí)心焊絲。首先進(jìn)行塞焊孔的點(diǎn)焊，由中間向四周呈放射狀焊接塞焊焊點(diǎn)，施焊中嚴(yán)禁在母材表面引弧和熄弧；再焊接對接焊縫；最后焊完余下的塞焊孔，焊接時(shí)微調(diào)底部水平彎角的鋼板角度以確保彎角不銹鋼板平滑過渡。完成后，檢驗(yàn)（滲透、射線）、清潔（鈍化）及半成品保護(hù)嚴(yán)格按照專項(xiàng)方案進(jìn)行。

圖7 覆面板轉(zhuǎn)角

3.2 大型預(yù)埋功能構(gòu)件及各類管線的安裝技術(shù)

熱室邊墻為厚1 000 mm的重質(zhì)混凝土墻體，各類預(yù)埋穿墻功能性構(gòu)件和管件眾多，尤其是前墻，要求定位精準(zhǔn)、密封性高。

3.2.1 鑄鐵屏安裝

鑄鐵屏位于熱室前墻，用于安置窺視窗及加強(qiáng)屏蔽隔離。1 800 mm×160 mm×4 000 mm尺寸的鑄鐵屏3塊，1 800 mm×160 mm×3 500 mm尺寸的鑄鐵屏1塊，鑄鐵屏上設(shè)置吊耳，預(yù)留孔道由數(shù)控機(jī)床加工，貫穿件采用嵌入式法蘭螺栓連接固定，屏間接縫采用迷宮形式。

安裝時(shí)，提前設(shè)置帶調(diào)整螺栓的定位型鋼支撐（圖8），鑄鐵屏就位采用麻繩牽溜，就位時(shí)控制下降速度，以保護(hù)調(diào)整螺栓，確認(rèn)緊密接觸后摘鉤。以鑄鐵屏A面為基準(zhǔn)，用框式水平儀測量其水平度，允許偏差為0.5 mm（1 m范圍）；以鑄鐵屏B面為基準(zhǔn)測量其垂直度，允許偏差為0.5 mm（1 m范圍）；以鑄鐵屏B面為基準(zhǔn)復(fù)測與殼體的平行度，在18 000 m全長范圍內(nèi)允許偏差為3 mm；標(biāo)高及空間位置以鑄鐵屏3個(gè)窺視窗孔中心為基準(zhǔn)，其允許偏差為±3 mm。滿足要求后將殼體、鑄鐵屏的調(diào)節(jié)部件及槽鋼斜支撐焊接固定（圖9）。

圖8 鑄鐵屏及支撐

圖9 鑄鐵屏安裝

3.2.2 窺視窗安裝

熱室作業(yè)時(shí)，操作人員在觀察視頻影像之外，仍需通過窺視窗獲得最直觀的操作反饋，故窺視窗必須兼顧密封屏蔽與透明可視的功能。其安裝包括預(yù)埋框安裝和鉛玻璃安裝兩部分。利用塔吊將預(yù)埋框支撐就位，使其中心與鑄鐵屏窺視窗孔中心對齊，同心度3 mm，同時(shí)保證窺視窗外框與殼體覆面焊接時(shí)有足夠的操作空間。

鉛玻璃質(zhì)量大且易碎，故設(shè)置了專用工裝（圖10）。通過支撐調(diào)節(jié)裝置將工裝拖板水平面標(biāo)高與窺視窗預(yù)埋框底標(biāo)高調(diào)至一致。

標(biāo)高復(fù)核無誤后將鉛玻璃吊運(yùn)至小車拖板上，調(diào)整中心線與小車拖板中心線重合。利用油壓千斤頂推動(dòng)小車使鉛玻璃進(jìn)入預(yù)埋框，到達(dá)設(shè)計(jì)位置后調(diào)整好間隙，間隙處填充鉛皮并壓實(shí)（圖11）。

3.2.3 鑄鐵防護(hù)門及不銹鋼通道安裝

鑄鐵防護(hù)門質(zhì)量大，臨空安裝。為確保安裝準(zhǔn)確，且在澆筑重質(zhì)混凝土?xí)r不產(chǎn)生超過允許值的位移，采用了與鑄鐵屏類似的可調(diào)支撐體系；不銹鋼通道需承載250 t的運(yùn)載質(zhì)量，其底座安裝位置、與防護(hù)門連接處等均進(jìn)行了相應(yīng)的加強(qiáng)，確保了穩(wěn)固及精度（圖12）。

圖10 鉛玻璃安裝示意

圖11 鉛玻璃窺視窗

3.2.4 各類管線安裝

熱室墻體內(nèi)需安裝預(yù)埋的各種管線繁多（圖13）。運(yùn)用BIM技術(shù)確定各種管線排布，編制專項(xiàng)方案確定施工順序、臨時(shí)定位支撐等具體措施，嚴(yán)格控制各類管線空間位置允許偏差±5 mm，水平度允許偏差1 mm（1 m范圍）。

圖12 不銹鋼通道

圖13 墻體內(nèi)管線安裝

3.3 重質(zhì)混凝土墻體施工技術(shù)

熱室內(nèi)輻射劑量大且污染射線種類復(fù)雜，為達(dá)到在滿足屏蔽安全標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)減小相關(guān)構(gòu)件的幾何尺寸，以節(jié)約空間及投資的目標(biāo)，本熱室墻體使用了富含結(jié)晶水及微量元素的重質(zhì)混凝土澆筑。研究表明，同等尺寸的重質(zhì)混凝土的屏蔽效能約相當(dāng)于普通混凝土的1.5倍，而混凝土體中的結(jié)晶水對中子射線具有顯著的慢化作用。

3.3.1 研制和模擬澆筑

按設(shè)計(jì)及工藝要求，重質(zhì)混凝土表觀密度不小于3 600 kg/m3，硼原子含量不低于0.7 kg/m3，氫原子含量不低于12 kg/m3?？紤]到原材料質(zhì)量波動(dòng)以及水泥的水化程度，以防中子輻射重質(zhì)混凝土中包含110 kg/m3的非蒸發(fā)水為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和控制。經(jīng)大量的原材料實(shí)地考察及比選，選定的含水細(xì)骨料為結(jié)晶水含量不低于12%的褐鐵礦，重元素材料使用重晶石、重晶砂摻入部分高表觀密度的鐵砂調(diào)配；經(jīng)實(shí)驗(yàn)室前后四百余次的試配，研制出相應(yīng)的配合比。

重質(zhì)混凝土的坍落度為140 mm±20 mm，0.5 h后坍落度仍保持120 mm±20 mm，初凝時(shí)間為3.6 h，終凝時(shí)間為7.1 h，濕表觀密度為3 665 kg/m3以上。試拌過程中，混凝土和易性良好，無泌水，流動(dòng)性好。

根據(jù)試驗(yàn)配比，考慮到其組成原材料密度差異較大，為確保成品的骨料均勻，進(jìn)一步掌握其施工性能，確定其與常規(guī)混凝土迥異的特殊施工工藝及參數(shù)，除在現(xiàn)場設(shè)置專用攪拌站之外，還分兩步進(jìn)行了模擬澆筑：首先澆筑了設(shè)置簡單預(yù)埋件的6個(gè)小件，進(jìn)行參數(shù)記錄、工藝探索、效果檢測及性能分析；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行1∶1帶中子通道、窺視窗、機(jī)械手水平管等預(yù)埋件的熱室及靶心部位試驗(yàn)墻模擬澆筑（圖14）。根據(jù)模擬澆筑結(jié)果，總結(jié)出該富含結(jié)晶水重質(zhì)混凝土的上料、攪拌、運(yùn)輸、入槽、布料、振搗（方式、工具、間距、時(shí)間等）、溫控、養(yǎng)護(hù)、接縫處理等一系列特殊的施工參數(shù)。

圖14 1∶1 模擬件示意

3.3.2 熱室墻體澆筑

1）由于重質(zhì)混凝土密度大，且成品允許誤差極小，故模板及支撐體系的計(jì)算設(shè)計(jì)比常規(guī)工程保守，以面板允許撓度小于0.5 mm控制；由于內(nèi)側(cè)以不銹鋼殼體為模板，故殼體內(nèi)支撐除考慮一般因素外，還需設(shè)置全面積保護(hù)墊板及支撐點(diǎn)膠墊；由于墻體的防輻射性能要求極高和殼體的整體性要求高，故未設(shè)置對穿拉桿，利用殼體龍骨交叉點(diǎn)設(shè)置拉桿，結(jié)合外操作間墻體做外支撐以滿足施工要求。

2）根據(jù)有限元水化熱模擬計(jì)算、重質(zhì)混凝土施工性能特點(diǎn)以及內(nèi)側(cè)殼體的強(qiáng)約束力等因素，設(shè)計(jì)分層分段澆筑方案，將熱室重質(zhì)混凝土分7次進(jìn)行澆筑，每次澆筑高度約為2 m，每次澆筑重質(zhì)混凝土約100 m3，每次澆筑時(shí)間間隔為3～7 d。鋼筋和模板均隨澆筑高度逐層安裝。交界處設(shè)置臺階。施工中的測溫?cái)?shù)據(jù)表明，混凝土內(nèi)外溫差小于20 K。

3）根據(jù)模擬澆筑及檢測總結(jié)編制的專項(xiàng)方案，在施工中嚴(yán)格控制各工序的工藝及參數(shù)，通過重質(zhì)混凝土澆筑時(shí)入模下落高度控制、布料點(diǎn)的間距控制、分層厚度控制、振搗點(diǎn)的間距控制、振動(dòng)棒振搗時(shí)間控制（特別是嚴(yán)格將振搗時(shí)間確定為5～8 s，振搗點(diǎn)間距控制在20～25 cm）等措施，既保證了重質(zhì)混凝土的振搗密實(shí)度，又確保了密度大的骨料不下沉，使重質(zhì)混凝土骨料分布均勻，很好地滿足了中子輻射屏蔽要求；采用三層鋼絲網(wǎng)重疊，制作臺階狀水平和豎向防輻射施工縫，將有強(qiáng)內(nèi)約束力的大型筒體重質(zhì)混凝土分塊錯(cuò)位澆筑，防止了墻體混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)也解決了靶心、熱室及延遲罐交界處等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裂縫控制問題；通過底板開孔技術(shù)，解決了窺視窗等大型預(yù)埋件底板下重質(zhì)混凝土的澆筑密實(shí)度問題；通過采用均勻布料，小型振動(dòng)棒振搗結(jié)合人工鐵釬插搗的措施，確保了熱室前墻預(yù)埋管線、大型預(yù)埋鋼構(gòu)件、鋼筋密集部位重質(zhì)混凝土的密實(shí)度。

施工完成后的檢測表明，構(gòu)件整體性優(yōu)良，墻體密實(shí)均勻無裂縫，殼體內(nèi)壁光滑平整，底板傾斜角準(zhǔn)確，各類預(yù)埋件準(zhǔn)確穩(wěn)固（圖15），墻體內(nèi)外射線輻射劑量衰減百萬倍，屏蔽性能完全達(dá)到設(shè)定的工藝目標(biāo)（圖16）。

圖15 熱室內(nèi)部

圖16 熱室前墻外操作間

4 實(shí)施效果

本熱室所屬項(xiàng)目于2017年8月28日首次打靶便成功捕獲中子，于2018年3月25日通過中國科學(xué)院的鑒定和驗(yàn)收，于2018年8月23日通過國家驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，獲得高度評價(jià)。同時(shí)，通過精心策劃和科學(xué)組織，本項(xiàng)目的施工技術(shù)先后獲得國家發(fā)明專利授權(quán)16項(xiàng)、第十九屆中國土木工程詹天佑獎(jiǎng)、2018—2019年度中國建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。項(xiàng)目正式運(yùn)行期間，本熱室運(yùn)作優(yōu)良，設(shè)計(jì)功能完全實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語

1）運(yùn)用分體式龍骨框架及不銹鋼覆面板拼裝技術(shù)、大型薄殼結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸和定位組裝技術(shù)，能很好地實(shí)現(xiàn)類似結(jié)構(gòu)的精確加工安裝，實(shí)現(xiàn)污染環(huán)境下污染物的快速清理、維修等功能。

2）運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行預(yù)埋件及管線設(shè)計(jì)，設(shè)置專用支撐調(diào)節(jié)及穩(wěn)固系統(tǒng)，能很好地實(shí)現(xiàn)大型預(yù)埋件及密布管線的精準(zhǔn)預(yù)埋安裝作業(yè)。

3）利用特殊成分的鐵礦石、高密度重晶石等特種材料，研發(fā)高結(jié)晶水重質(zhì)混凝土的配比，及專用的攪拌、運(yùn)輸、振搗、養(yǎng)護(hù)施工方案，針對結(jié)構(gòu)的特殊構(gòu)造，設(shè)計(jì)對應(yīng)的分塊分縫，利用模擬澆筑獲取施工參數(shù)并確定施工工藝，很好地完成了多種類密集預(yù)埋條件下重質(zhì)混凝土墻體的施工，理想地實(shí)現(xiàn)了輻射屏蔽功能，為相似工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。