汪 虎 鄒少俊 張海方

中國(guó)核工業(yè)二四建設(shè)有限公司 河北 廊坊 065201

“華龍一號(hào)”作為我國(guó)自主研發(fā)的第三代核反應(yīng)堆，是我國(guó)后續(xù)核電發(fā)展的重點(diǎn)選擇之一。核電站安全殼是保護(hù)核反應(yīng)堆的最后一道屏障，而穹頂區(qū)域又是安全殼施工過(guò)程中的難點(diǎn)，且半球形結(jié)構(gòu)的穹頂在國(guó)內(nèi)外屬于首次設(shè)計(jì)。因此，科學(xué)、合理地對(duì)穹頂區(qū)域施工過(guò)程各工序進(jìn)行優(yōu)化總結(jié)，是保證穹頂區(qū)域有條不紊地按計(jì)劃施工，提高效率、降低成本、保證施工質(zhì)量的重要前提條件。同時(shí)，通過(guò)攻克技術(shù)難題，固化相關(guān)施工工藝，高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)全球首堆示范工程的建造，促進(jìn)我國(guó)核電建造行業(yè)技術(shù)的大幅進(jìn)步，逐步形成具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)[1-4]。

1 工程概況及施工難點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)概況

“華龍一號(hào)”內(nèi)層安全殼穹頂位于筒體頂部，結(jié)構(gòu)形狀呈半球形，標(biāo)高從＋45.13 m至＋70.48 m，內(nèi)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(shè)置有錨固水平預(yù)應(yīng)力鋼束扶壁柱，整個(gè)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(diǎn)

1）內(nèi)穹頂施工是整個(gè)“華龍一號(hào)”建設(shè)的關(guān)鍵路徑，是后續(xù)一系列工序順利開(kāi)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(jì)約850 t，且涉及交叉作業(yè)（預(yù)應(yīng)力導(dǎo)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(wèn)題較多；施工邏輯順序安排、施工質(zhì)量的保證是施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3）穹頂為半球形結(jié)構(gòu)，原模板體系已無(wú)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(shè)計(jì)，且球形模板支設(shè)難度較大。

4）“華龍一號(hào)”穹頂為球形結(jié)構(gòu)，如何控制雙殼結(jié)構(gòu)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(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)上述難點(diǎn)開(kāi)展研究，優(yōu)化施工方案，使工程質(zhì)量、安全生產(chǎn)、施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)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(guān)鍵路徑，其施工效率直接影響“華龍一號(hào)”核反應(yīng)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(kāi)展，在保證施工質(zhì)量的前提下對(duì)穹頂分層分段進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)穹頂分層分段進(jìn)行優(yōu)化主要考慮以下3個(gè)方面：

1）穹頂結(jié)構(gòu)內(nèi)布置有預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管和其配套的錨固系統(tǒng)，施工縫的位置要盡量避開(kāi)這些特殊構(gòu)件的位置。

2）內(nèi)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(cè)壓力不對(duì)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(chǎng)施工進(jìn)度，提高模板周轉(zhuǎn)使用率，盡量使施工段高度方向的模板長(zhǎng)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(nèi)層鋼筋、外層鋼筋和拉鉤組成。穹頂鋼筋可以以標(biāo)高62.51 m為分界線分為上下2個(gè)部分，標(biāo)高62.51 m以下部分類似于墻體鋼筋綁扎，標(biāo)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(shù)應(yīng)用

利用BIM技術(shù)對(duì)穹頂區(qū)域鋼筋進(jìn)行三維放樣，提前發(fā)現(xiàn)技術(shù)難點(diǎn)，檢查鋼筋是否存在沖突點(diǎn)，做好技術(shù)策劃，達(dá)到提高工作效率和降低施工風(fēng)險(xiǎn)的目的。經(jīng)過(guò)放樣發(fā)現(xiàn)，穹頂外層鋼筋網(wǎng)片與水平預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管之間的理論縫隙不足10 mm，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制外層鋼筋網(wǎng)片的位置，避免后期水平預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管無(wú)法就位的情況出現(xiàn)。由于水平預(yù)應(yīng)力導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)鋼筋拉鉤位置被水平預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管遮擋無(wú)法綁扎的情況，為保證拉鉤能夠順利就位，水平預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管附近的水平鋼筋應(yīng)適當(dāng)調(diào)整，以鋼筋避讓水平預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管為原則。

3.2 鋼筋施工順序確認(rèn)

穹頂鋼筋綁扎總體順序?yàn)椋合冉壴鷥?nèi)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(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)區(qū)域鋼筋綁扎。為了提高效率，結(jié)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(guò)程中，將內(nèi)層鋼筋多綁扎1層，即在穹頂1層施工過(guò)程中就將穹頂2層的內(nèi)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(dòng)預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管的安裝工作，為預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管安裝的提前介入創(chuàng)造條件。在6層施工過(guò)程中，由于穹頂?shù)钠露纫呀?jīng)變緩，將穹頂內(nèi)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(yīng)用

穹頂混凝土面的坡度由下至上逐漸變緩，環(huán)向長(zhǎng)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(zhì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將穹頂模板分為3個(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)外側(cè)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(guò)程中，A型為固定樣式，周轉(zhuǎn)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(shè)過(guò)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(dá)到設(shè)計(jì)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(huì)貼在模板表面無(wú)法排出，采用“西瓜皮”式模板體系。“西瓜皮”模板分為M1型和M2型2種配合使用，M2型模板跨越整個(gè)施工段，M1型模板為2個(gè)M2型模板間的填充模板，M2型模板一次性支設(shè)到位，M1型模板支設(shè)在2塊M2型模板中間，隨著混凝土澆筑標(biāo)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(guò)程中，隨著混凝土流動(dòng)性的喪失，在混凝土初凝后對(duì)“西瓜皮”模板進(jìn)行拆除，并用抹子對(duì)混凝土面進(jìn)行壓光，以保證混凝土的外觀質(zhì)量。在模板拆除過(guò)程中應(yīng)掌握好拆除時(shí)間。拆得過(guò)早，混凝土?xí)嬖陔S著重力作用下墜的情況，容易產(chǎn)生水平方向的裂縫，嚴(yán)重影響混凝土施工質(zhì)量。

如果拆除時(shí)間較晚，則混凝土已經(jīng)凝固，無(wú)法消除混凝土表面的氣泡，達(dá)不到預(yù)期目的?，F(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)模擬試驗(yàn)的方式確定“西瓜皮”模板的最佳拆模時(shí)間，從而保證施工質(zhì)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(shè)模板，但穹頂為球形結(jié)構(gòu)，控制混凝土的澆筑標(biāo)高為關(guān)鍵點(diǎn)。先通過(guò)全站儀在穹頂已綁扎成形的鋼筋上以穹頂中心坐標(biāo)點(diǎn)為圓心投測(cè)出幾個(gè)圓圈，再用水準(zhǔn)儀抄測(cè)這幾個(gè)圓上對(duì)應(yīng)的理論標(biāo)高，最后用木條沿著穹頂半徑方向?qū)⑦@些標(biāo)高點(diǎn)連接起來(lái)形成的弧線即為穹頂結(jié)構(gòu)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(tái)設(shè)計(jì)

由于穹頂為半球形結(jié)構(gòu)，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(duì)與模板體系配套的操作平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。操作平臺(tái)分為2部分：一部分是與模板相連的上層操作平臺(tái)，此操作平臺(tái)主要滿足鋼筋綁扎、預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管安裝、混凝土澆筑等施工需求；另一部分是掛架操作平臺(tái)，此操作平臺(tái)主要滿足模板支設(shè)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(tái)設(shè)計(jì)

經(jīng)研究統(tǒng)計(jì)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(tái)的傾斜角度會(huì)越來(lái)越大。在穹頂4段施工時(shí)，操作平臺(tái)內(nèi)外高差達(dá)491 mm，已影響人員的通行。因此，從穹頂4段開(kāi)始需要對(duì)操作平臺(tái)進(jìn)行修改，減少操作平臺(tái)的內(nèi)外側(cè)高差。

考慮到每一段的高差均不一樣，需設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)角度的操作平臺(tái)才能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)剩余的三角架進(jìn)行改裝，將三角架的剛性連接點(diǎn)改為用螺栓連接，這樣就能對(duì)三角架的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證操作平臺(tái)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(jìn)行模擬試驗(yàn)后再批量改裝，降低安全和成本風(fēng)險(xiǎn)。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(shè)計(jì)

由于掛架操作平臺(tái)為輔助操作平臺(tái)，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(tái)坡度也在逐漸增加，現(xiàn)場(chǎng)采用鋼管架支撐，鋪設(shè)跳板的方式進(jìn)行找平。大致樣式如圖8所示。

圖8 掛架體系平臺(tái)找平

掛架體系需要預(yù)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(dǎo)致掛架錐體的預(yù)埋位置也存在不確定性。根據(jù)模板體系的特點(diǎn)，制定了2套預(yù)埋方案，一種方法是在每段模板支設(shè)后用測(cè)量?jī)x器定出錐體的位置，保證錐體相對(duì)位置的準(zhǔn)確性；另一種方法是利用A型模板周轉(zhuǎn)使用的特點(diǎn)，將掛架與A型模板一一對(duì)應(yīng)，這樣能夠確保掛架錐體只要定一次位置，就能周轉(zhuǎn)使用5次，不需要重復(fù)定位。但A型掛架之間的縫隙要用跳板及時(shí)封堵，減小安全隱患。2種方法均能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)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(shù)研究

根據(jù)穹頂模板體系的設(shè)計(jì)，將穹頂混凝土澆筑分為3個(gè)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(guān)鍵點(diǎn)就是氣泡的排出，根據(jù)3個(gè)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(zhì)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(duì)混凝土進(jìn)行二次振搗時(shí)，受球形結(jié)構(gòu)影響，振搗棒無(wú)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(lái)保證此區(qū)域混凝土的密實(shí)性。但混凝土中的氣泡在上升過(guò)程中會(huì)粘在圓弧形模板表面，難以排出，現(xiàn)場(chǎng)可以采用在圓弧形模板下部開(kāi)設(shè)小孔的方式來(lái)盡可能多地排出混凝土中的氣泡。在混凝土澆筑過(guò)程中，待小孔中有砂漿流出時(shí)用“模板堵頭”進(jìn)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(guò)程中的摩擦阻力，也是保證混凝土施工質(zhì)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(shè)模板的方式進(jìn)行施工。這樣能夠?qū)⒒炷林械臍馀荼M可能多地排出，同時(shí)也便于混凝土的振搗，保證混凝土的施工質(zhì)量。

為了保證混凝土的外觀質(zhì)量，根據(jù)穹頂?shù)钠露?，在?階段的第9層混凝土施工過(guò)程中，對(duì)“西瓜皮”模板施工工藝進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)已澆筑混凝土初凝后，就對(duì)“西瓜皮”模板進(jìn)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(duì)光滑，完全沒(méi)有氣泡，形成“邊支模、邊澆筑、邊拆?！钡氖┕すに嚵鞒獭?/p>

工藝優(yōu)化后施工重點(diǎn)注意事項(xiàng)如下：

1）嚴(yán)格控制模板拆除時(shí)間，若拆除時(shí)間過(guò)早，混凝土?xí)捎谥亓Φ淖饔卯a(chǎn)生下墜，形成環(huán)向裂縫；若拆除時(shí)間過(guò)晚，混凝土已經(jīng)凝結(jié)硬化，達(dá)不到壓光效果。

2）合理安排工人進(jìn)行流水作業(yè)，模板支設(shè)、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(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，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(shè)外模，只用“手榴彈＋木條”的方式控制混凝土澆筑標(biāo)高。第3階段混凝土施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的坍落度，坍落度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致混凝土向下流墜，坍落度過(guò)小則會(huì)造成堵泵。暫定2種施工方法來(lái)解決此問(wèn)題：一是將混凝土水平分層，下部混凝土用布料機(jī)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(duì)流動(dòng)性較大的混凝土進(jìn)行阻擋，支設(shè)簡(jiǎn)易木板，待混凝土初凝后將模板拆除，再對(duì)混凝土進(jìn)行二次振搗及壓光處理。

5.4 混凝土布料方式

穹頂頂部標(biāo)高超過(guò)70 m，因此混凝土的布料方式也是施工過(guò)程中的難點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)布置有2臺(tái)塔式布料機(jī)（1#和2#）作為主要的澆筑設(shè)備，由于這2臺(tái)設(shè)備無(wú)法交圈，存在一定的盲區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在廠房屋面板增設(shè)1臺(tái)28 m布料機(jī)（3#）輔助澆筑混凝土。為保證這臺(tái)布料機(jī)能夠覆蓋足夠大的區(qū)域，布料機(jī)安裝位置對(duì)應(yīng)的廠房屋面板應(yīng)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(jī)械設(shè)備損壞而影響混凝土澆筑，所有布料設(shè)備布置雙管線的同時(shí)，在屋面增設(shè)布料機(jī)作為應(yīng)急設(shè)備（備用1和備用2）。由于備用設(shè)備所在廠房屋面標(biāo)高為22.00 m和27.00 m，布料機(jī)高度太低導(dǎo)致覆蓋面積不足，采取增加布料機(jī)立柱高度的方式來(lái)保證其布料范圍。布料機(jī)布置位置如圖10所示。

圖10 穹頂布料設(shè)備位置

5.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土采用保濕保溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間原則上不得少于14 d，具體時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整。水平施工縫區(qū)域的養(yǎng)護(hù)：表面上覆蓋2層麻袋片或無(wú)紡布，麻袋片或無(wú)紡布縱橫布置，麻袋片或無(wú)紡布搭接均不小于5 cm。將穹頂混凝土養(yǎng)護(hù)根據(jù)工期長(zhǎng)短分為4個(gè)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(hù)措施主要是側(cè)面帶模養(yǎng)護(hù)，上表面覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)。加強(qiáng)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(chǎng)采用涂刷養(yǎng)護(hù)劑以及覆蓋無(wú)紡布的方法來(lái)對(duì)側(cè)面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

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(hù)風(fēng)險(xiǎn)，第3階段采用帶模養(yǎng)護(hù)。因此，此階段穹頂需要準(zhǔn)備2套模板。

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

6 結(jié)語(yǔ)

安全殼半球形結(jié)構(gòu)穹頂施工難度大，施工前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，再針對(duì)難點(diǎn)制定專項(xiàng)解決措施，并在施工過(guò)程中進(jìn)行論證和優(yōu)化，達(dá)到保證工程進(jìn)度、提高工作效率、確保工程質(zhì)量、降低施工成本的最終目的，為同類型工程建設(shè)提供了可復(fù)制、推廣的成功經(jīng)驗(yàn)。