湯志孟，劉志強，夏倩文

(中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號”是中國自主研發(fā)的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)，具有核電發(fā)展戰(zhàn)略性意義。其核島設(shè)計為雙殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼鋼襯里穹頂、外殼鋼制穹頂是反應(yīng)堆廠房安全殼的重要組成部分。為優(yōu)化目前行業(yè)內(nèi)穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝施工工藝，解決穹頂拼裝過程反復(fù)搭拆滿堂腳手架的現(xiàn)狀，優(yōu)化穹頂拼裝施工作業(yè)平臺和測量、檢測空間，改善作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)土建、安裝單位胎架一體化，達到“一勞永逸”的效果，有效服務(wù)于“華龍一號”穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝施工，并進一步應(yīng)用于外穹頂拼裝施工，對提升“華龍一號”高水平的標(biāo)準(zhǔn)化建造能力及同領(lǐng)域核電建設(shè)競爭力具有重要意義。

1 工程概況

“華龍一號”鋼襯里穹頂是反應(yīng)堆廠房安全殼的主要組成部分，位于核島頂部，起著防泄漏及穹頂頂部預(yù)應(yīng)力混凝土的模板作用。穹頂為重約345 t(含安裝物項約40 t)、外徑φ46 812 mm、高23 406 mm的帶肋半球殼體，周邊均勻布置縱橫網(wǎng)狀加勁肋角鋼，在不同位置布置貫穿性和非貫穿性錨固件，穹頂內(nèi)部設(shè)置有噴淋、通風(fēng)系統(tǒng)，安裝有儀表管道、支架、電纜次托盤和通風(fēng)管道等，球面上無規(guī)則地分布著約535個錨固件測量點和約750 個通風(fēng)管道支架拐點。穹頂具有整體結(jié)構(gòu)大、拼裝工藝復(fù)雜、設(shè)計技術(shù)要求高等特點。穹頂分為5部分，約由153 塊球瓣鋼板拼焊而成，其為Q265HR、壁厚6 mm的薄壁雙曲面結(jié)構(gòu)體，拼裝精度要求高，組對間隙允許范圍為0～3 mm，錯邊量要求≤1.5 mm，拼接處的凹凸度≤5 mm/300 mm。穹頂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼襯里穹頂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of steel lined dome structure

2 施工重難點分析

2.1 穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝工藝優(yōu)化

1)穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝過程中涉及支撐體系、壁板組對/焊接/檢測平臺、測量通視及操作平臺、管道設(shè)備倒運/組裝、油漆等工序，本技術(shù)通過融合鋼結(jié)構(gòu)與機電安裝專業(yè)的施工工藝邏輯和需求，設(shè)計土建、安裝一體化操作架，通過對胎架結(jié)構(gòu)和施工工藝的雙向促進優(yōu)化，實現(xiàn)各工序所需要的施工條件與施工工藝的高度匹配。

2)將穹頂拼裝過程的結(jié)構(gòu)受力分為穹頂受力系統(tǒng)和胎架受力系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)受力簡潔、安全，胎架作為操作架同時也兼顧壁板組對的定位支撐作用，實現(xiàn)壁板的快速定位和調(diào)整。

3)通過三維建模和詳圖深化設(shè)計，模擬穹頂“西瓜瓣”子模塊制作尺寸控制和拼裝尺寸控制技術(shù)。

2.2 穹頂拱膜成型胎架設(shè)計

按照穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝工藝施工需求，自主設(shè)計的球狀拱膜鋼結(jié)構(gòu)作為半球體穹頂?shù)钠囱b胎架系統(tǒng)，將雙曲率球體胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計為拱膜成型胎架，主要有地面系統(tǒng)設(shè)計、胎架主體設(shè)計和施工操作平臺設(shè)計三部分。

2.3 穹頂拱膜成型胎架機械化安拆技術(shù)

通過三維建模，合理規(guī)劃胎架安裝施工邏輯，將胎架分解為標(biāo)準(zhǔn)模塊，由每一榀橋體繞著中心筒架旋轉(zhuǎn)成型，中心筒架分解為標(biāo)準(zhǔn)桁架節(jié)，可迅速堆積成型。在地下系統(tǒng)中設(shè)計有機車通道，能夠?qū)崿F(xiàn)胎架機械化安拆。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 雙曲率半球體胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)穹頂設(shè)計

將穹頂劃分為多個環(huán)形層，每個環(huán)形層沿縱向分為多個子模塊。結(jié)合穹頂雙曲面子模塊吊裝工藝、車間胎具成型生產(chǎn)工藝、拼裝胎架拱架布置等，將穹頂由設(shè)計的153 塊球瓣體劃分為車間預(yù)制出廠65 塊子模塊。按照穹頂胎架拼裝工藝施工需求，將雙曲率球體胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計為拱膜成型胎架，結(jié)合施工需求主要分為地面系統(tǒng)設(shè)計、胎架主體設(shè)計和施工操作平臺設(shè)計[1]，如圖2所示。

(2)地面系統(tǒng)設(shè)計

1)按照穹頂輪廓直徑及穹頂子模塊組拼縱向焊縫位置布置穹頂支墩，支墩為可重復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)件；穹頂子模塊組拼支墩應(yīng)預(yù)留500～800 mm操作空間，并設(shè)置可調(diào)整鋼支墩；按照穹頂拼裝施工過程結(jié)構(gòu)側(cè)向力情況，預(yù)埋環(huán)向抗剪鍵。

2)按照穹頂受力狀況均布置胎架支墩，穹頂支墩與胎架支墩之間錯開約50～100 mm，為穹頂各層組裝焊縫角度線測量留出通視條件；穹頂支墩距離地面預(yù)留約700～800 mm的自然通風(fēng)通道，根據(jù)氣候變化必要時可快速配套機械排風(fēng)，與穹頂頂部通道口形成通風(fēng)系統(tǒng)。

圖2 半球體胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.2 Structural design sketch of half sphere frame

3)穹頂拼裝胎架設(shè)計2條地下通道，分為人行通道和機車通道，為穹頂壁板拼裝完成后的機械化施工提供條件，與穹頂內(nèi)部物料通道連接，實現(xiàn)物料至穹頂操作平臺的快速周轉(zhuǎn)。人行通道與穹頂內(nèi)外部人行通道、梯籠走道形成系統(tǒng)，能夠快速、安全通往穹頂臺架上布置的各操作平臺。

4)穹頂拼裝場地設(shè)計施工用電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)，通往各施工操作平臺；排水設(shè)置約1.5°的中間往四周的散水和縱環(huán)向排水槽，并通過找坡通往人行通道和機車通道兩個集水井；防雷接地通過縱環(huán)向連接穹頂內(nèi)外側(cè)的穹頂支墩、穹頂胎架支墩、中心筒架支墩，形成穹頂、胎架接地系統(tǒng)。

(3)胎架主體設(shè)計

1)排布輪廓位置的每個胎架支墩安裝有下角支點，設(shè)計為“A字型”三角支點，與胎架支墩通過銷軸連接形成整體。

2)輪廓中心的胎架支墩上安裝中心筒架，設(shè)計為腳手架承載體系+網(wǎng)架，中心筒架的底部固定在胎架支墩上，中心筒架的上部為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；網(wǎng)架沿環(huán)向排布安裝多個上角支點，與網(wǎng)架形成整體。

3)設(shè)計拱形桁架張弦梁，類似于結(jié)構(gòu)的拱形屋頂，通過張弦梁實現(xiàn)整個穹頂胎架張壓的穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu)；每個張弦梁的兩端分別與下角支點和上角支點的自由端連接，形成立面拱形橋體結(jié)構(gòu)，具有良好的承載作用。

4)多榀立面拱形橋體結(jié)構(gòu)架體對稱同步拼裝，通過次梁連接，形成半球體拱膜胎架；實際施工過程中需將下三角拼裝為整體、將中心筒架拼裝為整體，再對稱安裝張弦梁。

(4)施工操作平臺設(shè)計

1)總結(jié)穹頂拼裝施工需求，在穹頂3條環(huán)向拼裝焊縫處設(shè)計3圈環(huán)形操作平臺，操作平臺搭設(shè)在穹頂內(nèi)側(cè)、胎架上部；穹頂?shù)谝粚涌v向拼接焊縫處設(shè)計踏步梯籠作為操作平臺，梯籠生根放置地面；穹頂?shù)诙涌v向拼接焊縫處設(shè)計踏步式操作平臺，操作平臺搭設(shè)在穹頂內(nèi)側(cè)、胎架上部。

2)總結(jié)錨固件安裝施工需求，通過環(huán)形操作平臺和縱向操作平臺采用標(biāo)準(zhǔn)平臺框架延伸至錨固件安裝位置，平臺框架上鋪設(shè)跳板，便于錨固件投點通視拆卸；錨固件安裝操作平臺與管道支架安裝操作平臺可以綜合考慮。

3)總結(jié)穹頂內(nèi)部管道安裝需求，在4圈環(huán)形管道布置位置下方設(shè)計4圈環(huán)形操作平臺，在縱向連接管道位置下方設(shè)計縱向踏步式操作平臺，并在縱、環(huán)操作平臺間考慮倒料轉(zhuǎn)角區(qū)。

4)總結(jié)通風(fēng)安裝需求，在其安裝位置上設(shè)計掛梯，環(huán)向操作平臺上設(shè)計可拆卸式單元，便于通風(fēng)管道連續(xù)性施工；儀控安裝需求基本上能夠利用管道安裝平臺，不需考慮。

5)在穹頂內(nèi)側(cè)7圈環(huán)形平臺的不同位置上設(shè)計懸挑式的物料倒運通道。

6)中心筒架上環(huán)向布置3圈測量平臺，可實現(xiàn)穹頂內(nèi)部所有區(qū)域全方位測量作業(yè)。

3.2 穹頂拱膜胎架安裝技術(shù)

1)通過三維建模，合理規(guī)劃胎架安裝施工邏輯和節(jié)點碰撞分析，對部分節(jié)點和部位進行詳圖深化設(shè)計，車間預(yù)制出廠前進行試拼裝和一一對應(yīng)編號，確保胎架預(yù)制、安裝滿足技術(shù)要求。

2)場地平整和基礎(chǔ)施工完成后，先進行下三角安裝，下三角“A字型”按順序依次連接安裝，最終形成整體，下三角安裝完成后即可進行穹頂一層拼裝；下三角與中心筒架可以平行施工，不存在邏輯關(guān)系；再進行張弦梁安裝，張弦梁4個對角角度對稱安裝，張弦梁安裝后才可進行穹頂二層拼裝；再進行中間次梁桿件安裝；最后安裝次梁桿件上的施工平臺，施工平臺自下而上，先裝徑向平臺后裝環(huán)形平臺逐層爬升[2]。如圖3所示。

圖3 胎架安裝效果圖Fig.3 Effect drawing of tire frame installation

3.3 穹頂拼裝成型技術(shù)

1)穹頂拼裝過程中自身逐步形成承重基座，拼裝過程按下層襯托上層的拼裝方式實現(xiàn)，提前在下層壁板上口設(shè)置限位板，實現(xiàn)壁板快速定位；通過在每一層徑向平臺上和上口環(huán)向平臺上設(shè)置頂托支撐，根據(jù)上層壁板就位時的標(biāo)高和半徑，提前測量調(diào)整好頂托支撐的位置，實現(xiàn)壁板的快速定位和調(diào)整[3]。

2)車間制作時，以子模塊下口和徑向大角鋼作為基準(zhǔn)，上口壁板和右側(cè)壁板均預(yù)留拼裝切割預(yù)留；現(xiàn)場拼裝時，水平面以穹頂各層下口標(biāo)高作為定位基準(zhǔn)，角度以徑向大角鋼作為定位基準(zhǔn)、焊縫角度線作為輔助參考，拼裝過程以圓弧弧面半徑作為控制基準(zhǔn)，通過徑向疊合切割和水平面標(biāo)高超平切割，實現(xiàn)整體拼裝成型。

3.4 穹頂拼裝成型質(zhì)量控制要點

(1)材料控制要點

1)編制材料采購技術(shù)規(guī)格書，按技術(shù)要求組織驗收；

2)材料按規(guī)格型號、類型碼放整齊，分類存放、標(biāo)識。

(2)預(yù)埋件控制要點

1)嚴(yán)格控制埋件鋼板平整度；

2)安裝前應(yīng)進行測量定位及加固固定，確?；炷翝仓蟛划a(chǎn)生變形。

(3)胎架結(jié)構(gòu)安裝控制要點[4]

1)控制好下三角垂直度及下三角上部與張弦梁連接節(jié)點的半徑及標(biāo)高位置；

2)嚴(yán)格控制中心內(nèi)筒垂直度在2/1000 mm要求范圍內(nèi)；

3)提前對張弦梁進行張緊處理，將安裝間距控制在合適范圍內(nèi)；

4)張弦梁對稱安裝，優(yōu)先安裝4個方位角度的4榀張弦梁(帶張緊支撐)；

5)張弦梁安裝完成后，對張弦梁上部拱度進行測量，將實際拱度情況反饋至張弦梁上部平臺支架上，確保張弦梁上部平臺安裝標(biāo)高及穩(wěn)定性；

6)操作平臺、樓梯安裝時，應(yīng)確保安裝垂直度和水平度滿足技術(shù)要求，嚴(yán)禁出現(xiàn)傾斜或漏連接情況。

(4)焊接控制要點

1)制定焊接工藝卡，規(guī)定焊接/打磨技術(shù)要求；

2)坡口焊縫焊接前應(yīng)進行外觀檢查，確保點焊間距和坡口角度滿足要求；

3)焊后對焊腳高度、焊縫余高進行測量，并進行VT、PT檢驗；

4)焊工應(yīng)具備焊接資質(zhì)。

(5)螺栓擰緊控制要點[4]

1)普通螺栓和高強螺栓區(qū)分開管理；

2)100%檢查螺栓擰緊及摩擦面情況；

3)高強螺栓嚴(yán)格按技術(shù)要求進行初擰和終擰，并驗收和記錄。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

拼裝胎架與傳統(tǒng)腳手架相比，具有循環(huán)利用、降低人工成本優(yōu)勢，并同時服務(wù)于土建及安裝施工單位，減少反復(fù)搭拆。以某核電內(nèi)穹頂拼裝為例進行對比分析，如表1和表2所示。

表1 腳手架操作平臺搭拆費用明細

腳手架與拼裝胎架通過人工、材料、機械方面的費用對比分析可知，按照單個核電廠址規(guī)劃6個機組內(nèi)外穹頂重復(fù)使用考慮(實際可周轉(zhuǎn)次數(shù)不止)，拼裝胎架比腳手架節(jié)省2587.2萬元，具有可觀的經(jīng)濟效益。

4.2 社會效益分析

該技術(shù)成果為國際首創(chuàng)，穹頂拼裝技術(shù)改進及施工高效性、安全性、經(jīng)濟性等提升為類似工程提供了借鑒，具有重要的參考價值。該技術(shù)積極響應(yīng)國家對安全管理、職業(yè)健康等政策的要求，降低施工安全風(fēng)險，實現(xiàn)施工的機械化、模塊化，提高作業(yè)效率，實現(xiàn)建安一體化胎架施工，保障了廣大施工人員的人身安全和健康，創(chuàng)造了安全、衛(wèi)生、舒適的工作環(huán)境。

5 結(jié)論

“華龍一號”是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電堆型，隨著“華龍一號”的設(shè)計成熟化、標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化的胎架設(shè)計反復(fù)利用能夠有效降低施工成本、提升工效。通過對鋼結(jié)構(gòu)球面拱膜式施工胎架進行研究設(shè)計，能有效服務(wù)于“華龍一號”穹頂施工。