地下核电厂混凝土施工及大型设备安装技术研究.pdf

第 4 7卷 第 3期 2 0 1 6 年 2 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r V0 1 47 No 3 Fe b，201 6 文章 编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 6 3 0 4 地下核电厂混凝土施工及大型设备安装技术研究 李 锋 ， 刘 立 新 ， 苏 利 军， 张 治 军 ( 长江勘测规划设计研 究有限责任 公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0) 摘 要 ： 由于地 下洞 室内空间有 限， 而大型核 岛设备尺寸较大 ， 在 受限的地下空间进行 混凝 土施 工和 大型设备安 装 ， 是地 下核 电厂建设 可行性研 究必须要 解决的关键 问题 。针对地 下核 电厂混凝 土施 工及 大型设备安装的特 点 ， 开展 了地下核 电厂房洞 室混凝土衬砌 、 反 应堆厂房安全 壳混凝土施 工和 大型核 岛设备 安装 的相 关技 术研 究 ， 首次提 出了适合地 下核 电厂 混凝 土施 工和大型设备 安装 的技 术方案 ， 并对相 关技 术方案 实施 的可行 性进 行 了论 证 ， 为 地 下核 电厂 后 续 的研 究 和 工程 实 践提 供 了理论 依 据 。 关键词 ： 混凝 土；大型设备安装 ； 施 工可行性 分析 ；地 下核 电厂 中图法分类号 ： T I A 文献标 志码 ： A DOI ： 1 0 1 6 2 3 2 j e n k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 6 0 3 0 1 6 地下核电厂将核反应堆、 反应堆冷却剂系统及核 岛主要辅助系统等置于地下 ， 利用洞室厚围岩进一步 提高了核电厂的安全性 ， 有利 于提高公众对核 电的接 受度 ， 为核 电建设探索 出一种新途径 。但 由于地下 洞室 内空间有限 ， 而大型核岛设备尺寸较大 ， 由此带来 的如何在受限地下空间内进行混凝土施工和大型设备 安装是地下核电厂建设可行性研究的重要内容。 本文以我国拥有完全 自主知识产权的地下核电厂 三代新机型c u P 6 0 0型反应堆为例 “ ， 介绍了地 下核电厂混凝土施工及 大型设备安装相关技术 ， 主要 包括洞室混凝土衬砌、 反应堆安全壳混凝土施工、 大型 核岛设备安装等。 1 地下核 电厂混凝土施工 1 1施工特点 对于地面核电厂， 厂房的模板 、 钢筋等吊装工作均 由 1 0 2 0 t 固定式塔 吊和起重设备完成 ， 混凝土一般 采用 混凝 土泵 或 局 部 采 用 1 0 2 0 t 塔 吊垂 直 运 输 浇 筑。环形 吊大梁等均 由大型起 吊设备从 筒体上部安 装 ， 穹顶钢衬里一般先在地面拼装好 ， 再整体 吊装 。 而对于地下核电厂 ， 由于核岛主要厂房均布置于 地下洞室内， 地下洞室空间又极为有限， 不能布置塔吊 等大型起重设备。故根据地下 厂房的结构特点， 并借 鉴地下 水 电站厂 房 的施 工 经验 ， 拟在 地 下 洞 室上 部设 置施工桥机， 用以吊运厂房的钢筋和模板等 ， 同时可以 吊运安装反应堆厂房环形吊大梁以及安全壳钢衬里等 大型设 备 。 修建核电厂房所用混凝土均具有高标号( C 3 0及 以上) 、 低级配和高流态的特性 ， 地下厂房混凝土施工 和地 面厂房 一样 ， 主要 采用 混凝 土泵进行 浇筑 ， 局部还 可以利用施工桥机吊运浇筑 。 1 2 反应堆厂房洞室混凝土衬砌施 工 为_ 了保证反应堆厂房洞室永久稳定 ， 洞室一般需 利用混凝土衬砌 。本文介绍 的反应堆厂房洞室直径为 4 6 m， 顶拱部位跨度达 4 8 4 m， 洞室高度约 8 7 m ， 在 洞室开挖至岩锚梁下部并留有一定的安全距离后 ， 采 用组合钢模板浇筑顶拱混凝土 ， 同时浇筑施工桥机轨 道的岩锚梁混凝土 ， 完成施工桥机轨道和桥机大梁的 安装。然后， 再开挖下部洞室 ， 洞室井身混凝土的衬砌 采用滑模施工 ， 施工方法与国内一些大型地下水 电站 收稿 日期 ： 2 0 1 51 21 6 基金项 目： 中国工程院重点咨询项 目“ 核 电站反应堆及 带放射性 的辅助厂房 置于地 下的可行性研 究” ( 2 0 1 3一X Z一 2 0 ) 作者简介 ： 李锋 ， 男， 高级工程师 ， 硕 士， 主要从 事大型水电工程混凝土施工及相关设备 的安装设计 工作 。Em a i l ： 5 0 9 6 9 8 9 q q e o m 人 民 长 江 尾水调压井的施工方法相类似。 1 3 反应堆厂房 安全壳混凝土施工 ( 1 )施工程序。反应堆厂房主体土建工程的施工 处于工程土建阶段 的关键路径 上， 其主要 的施工程序 见 图 1 。从地下反应堆厂房施工程序可 以看 出， 与地 面厂房穹顶钢衬里预制好后整体吊装不 同， 地下厂房 的穹顶钢衬里需现场组焊 ， 使得该工序成为 了施工关 键路径上的项 目， 需增加直线工期约 6个月 。 防水层 廊道施工 筏基施工 l 安 全 壳 泄 漏 监 测 系 统 (E P P ) 系 统 贯 穿 件 安 装 I 钢衬里底板安装 筒 体 混 凝 土 施 工 一 筒 体钢 衬 里 安 装 r _ 一 内 部 结 构 施 工 环吊牛腿 安装 环吊大梁吊装 I I 穹 顶 拼 装 胎 架 现 场 组 装 1 I 穹 顶 钢 衬 里 现 场 拼 装 焊 接I 穹顶混凝土浇筑 预应 力张拉施工 图 1 安全 壳 混 凝 土 施 工 程序 ( 2 )施工方案。C U P 6 0 0反应堆厂房安 全壳为预 应力钢筋混凝土结构 ， 安全壳筒体内径 3 7 m， 壁厚 0 9 m， 内衬 6 m m钢衬里。安全壳简体的混凝土施工方法 基本与地面核 电厂相同， 不同之处在于 ： 地下核电厂厂 房洞室内无法布置建筑塔机 ， 相应工作须 由布置在反 应堆洞室 内的施 工桥机来承 担。简体 内模 板采用 6 m m钢衬里 ， 外模板采用曲面悬臂爬升模板 ， 混凝土采 用混凝土泵泵送和施工桥机人仓联合浇筑。预应力管 道穿束、 张拉和灌浆 等施工均在安全壳外壁及穹顶位 置的预应力专项施工平台进行 ， 由施工桥机辅助施工。 2 地下核电厂大型设备安装 2 1 安装特点 地下核电厂需要布置在地下洞室内的主要大型设 备有 ： 施工桥机、 环形吊车、 反应堆压力容器、 蒸汽发生 器、 稳压器和主冷却剂泵 、 安全壳钢衬里等。本文主要 针对 C U P 6 0 0型反应堆 的主要设备尺寸及 特点， 提 出 了一套适合地下核 电厂大型设备安装的技术方法 ， 该 技术 已获 国家发明专利授权 j 。C U P 6 0 0型核电厂反 应堆厂房主要设备尺寸及重量见表 1 。 表 1 C U P 6 0 0型反应堆厂房主要设备尺寸和重量 2 2施工桥机的安装 施工 桥机 主要 为解决 地下洞 室 内混凝 土浇筑 及设 备安装问题， 但其本身的起 重机大梁长约 4 6 m， 自重 也较大 ， 在安装时地下洞室内尚没有合适 的起重设备 进行 吊装 。借鉴大型地下水 电站桥机大梁 吊装经验 ， 采用在地下洞室顶拱布置天锚系统的吊装方法可解决 此问题。具体实施方案为 ： 在地下核反应堆厂房洞室 岩锚梁层开挖出来后， 先浇筑施工桥机的岩锚梁混凝 土 ， 待混凝土达到龄期要求， 并在其上安装施工桥机轨 道后 ， 通过核反应堆厂房洞室顶部的 吊物竖井 吊入环 形施工桥机大梁 ， 利用天锚系统进行施工桥机大梁的 吊运安 装。国 内近期数 座大 型地 下厂 房水 电站 1 2 0 0 0 ， 1 0 0 0 0 k N的桥机均是用此系统成功 吊运安装的。 2 3 反应堆厂房环形 吊车大梁的安装 反应堆厂房永久环形 吊车最重件 为电气大梁 ， 重 7 9 t ， 外形尺寸为 4 6 IT I X 3 0 4 I n x 3 5 3 2 I n ( 高 x 宽 x 长 ) 。环形吊大梁在安全壳筒体及轨道梁安装完成后 进行吊装 ： 首先用大型平板车将大梁运至吊物竖井洞 口， 采用布置在洞 口的龙门 吊将大梁通过吊物竖井 吊 入核反应堆厂房洞室内， 再利用环形施工桥机 吊住大 梁的另一端 ， 在龙门吊和环形施工桥机的配合下， 使环 形 吊车大梁由竖直状态调整至水平， 并安装到环形 吊 车轨道梁上 ， 其 吊装过程如图 2所示 。 图 2 环形 吊电气大梁 吊装方案 第 3期 李 锋， 等 ： 地 下核 电厂混凝土施工及大型设备安装技术研 究 6 5 2 4 反应堆 主设备的安装 主设备包括反应堆压力容器、 蒸汽发生器 和稳压 器等。主设备的吊运安装需要等待反应堆厂房的穹顶 封顶保压后才能进行。对于环形布置型式 ， 大型平板 车可以直接将主设备运输到连接厂房内， 利用 连接厂 房 内的桥机将设备转 至设备运输通道的轨道上 ， 由轨 道上牵引车将设备通过设备闸门运到厂房内安装平台 上 ， 再利用环形 吊车进行翻身和安装 ； 对于 L形 和长 廊形布置型式 ， 大型平板车将 主设备运输到设 备通道 洞 口， 由轨道上牵引车将其运至厂房内。 2 5安全壳钢衬里的安装 反应堆厂房安全壳钢衬里是 由底板 、 截锥体 、 简体 和穹顶四大部分构成 的一个密封壳体 ， 且这 4部分均 可采用分瓣分节现场焊接的方式进行安装。通过 吊物 竖井或水平支洞将这些部件从洞外运至厂房 内， 再通 过施工桥机吊装。根据地下核 电工程的布局设计和布 置型式 ， 现有的永久通道和施工通道可 以满足分片后 的安全壳钢衬里运输要求 ， 无需另设运输安装通道。 安全壳安装过程中， 难度最大的是穹顶 ， 穹顶直径 为 3 7 m， 高 1 1 0 5 m， 钢衬里厚 6 mm， 形状为球 体 ， 穹 顶设计分 5层 ， 共 8 2个单元块 ， 总重量 1 7 3 t 。地面核 电厂穹顶安装是在胎架上拼装好后 ， 用大型起重设备 进行整体 吊装 。而对于地下核 电厂 ， 需采用分片现场 焊接安装的方法 ， 在现场设置高空胎架进行拼装 ， 类似 高空胎架的制作与安装在水电工程中已有成功应用 的 经验 ， 长江设计 院的一项 国家发 明专利 一种 用于高 空封拱的施工方法 成 功解决 了此类 问题 ， 该 专利技 术已成功应用 于向家坝水 电站升船机渡槽段 封顶施 工 ， 其跨度为 3 9 5 m， 顶拱距地 面高 7 6 8 m。根据这 项专利的主要技术思路 ， 笔者提出了一种用于地下核 电站反应堆洞室安全壳穹顶安装 的高空胎架结构 ， 并 已获得国家实用新型专利授权 。采用该高 空胎架 进行穹顶安装的主要施工程序为： 利用反应堆厂房 内 环 形 吊车轨 道 的牛腿 和环形 吊车大 梁作 为穹顶 胎 架 的 受力支撑点 ， 高空安装钢结构穹顶胎架 ， 穹顶分片 ( 最 大分片尺寸为 7 7 m 2 7 m) 在地面按设计尺寸加工 好后 从 吊物 竖井 ( =1 2 m) 吊入 ， 最 后 采用 施 工 桥机 在胎架上吊运对位 ， 分层分片焊接拼装 。穹顶现场拼 装方案见图 3 。 3 穹顶钢衬里现场分块焊接的可行性分析 安全壳设计压力为 0 3 5 MP a ， 穹顶钢衬里共有 8 2 个单元块 ， 采用 4 1 0 MP a级高强度钢板 ， 要求所有焊缝 均达到 I 级焊缝的要求。与地面核 电厂在室外地面胎 架上拼装焊接完成后再整体 吊装不 同， 地下核电厂需 采用洞室 内现场焊接的方法 ， 其施工难度与质量控制 难度均大于地面核电厂， 其现场高空焊接技术是否可 行将直接影响安全壳施工进度 和质量。为此， 笔者结 合所参与的地下水 电站工程实践经验 ， 对安全壳穹顶 与地下水 电站蜗壳现场分块焊接难度和质量要求等进 行了详细 的对 比分析。 图 3安全 壳 穹顶 现 场 拼 装 方 案 国内大型地下水 电站中水 轮机蜗壳尺寸较大， 受 地下通道尺寸的限制 ， 均采用分片运至蜗壳基坑 内现 场组焊的施工方案， 其蜗壳现场焊接 的施工要求和难 度均大于穹顶地下现场焊接方案。以向家坝地下厂房 8 0 0 MW 机组为例 ， 其 蜗壳 由 3 2个管节组成， 采用厚 2 5 7 4 m m 的 6 1 0 MP a级高强度钢板 ， 蜗壳平面尺寸 达到 3 1 6 m2 7 5 m， 建成后需承受的内水压力超过 2 MP a ， 均 为 地 下 现 场焊 接 ， 焊 接 完 成后 经 1 0 0 无 损 检测 ， 所有焊缝均达到 I级焊缝标准。安全壳穹顶与 大型地下水 电站蜗壳现场焊接难度比较见表 2 。 表 2 安全壳穹顶与大型地下水电站蜗壳现场焊接要求对 比 c u P 6 0 0 安全壳穹顶钢衬里 三峡地下电站蜗壳 向家坝地下电站蜗壳 小湾地下电站蜗壳 锦屏二级地下电站蜗壳 3 7l 1 0 5 3 4 43 0 1 3 1 6 2 7 5 2 3 2 X 2 1 2 2 2 6 x2 0 8 6 2 4 5 8 2 5 7 4 3 0 7 0 3 0 7 6 4 1 0 M P a 级0 3 5 I 级 6 1 0 M P a 级 1 4 3 I 级 6 1 0 M P a 级 2 0 I 级 6 1 0 M P a 级 2 9 I 级 6 1 0 M P a 级4 1 I 级 从表中对 比情况可看 出， 安全壳穹顶钢衬里焊接 的施工难度与质量控制难度均小于国内大型地下水电 站 ， 而大型地下水电站蜗壳现场焊接技术 已经 比较成 熟并有很多成功工程案例可供借鉴。由此可见 ， 穹顶 钢衬里现场焊接方案技术上是可行的， 且焊接质量安 全能满足安全壳质量要求。 6 6 人 民 长 江 2 0 1 6正 4 结 语 本文针对地下核 电厂混凝土施工及大型设备安装 的特点 ， 开展 了相关施工技术的研究 ， 首次提出了适合 地下核电厂混凝土施工和大型设备安装的技术方 案， 并对相关技术方案实施 的可行性进行 了论证 ， 为地下 核电厂后续的研究和工程实践提供 了理论依据。 参 考 文献 ： 1 钮新强 ， 罗琦 ， 赵鑫 ， 等建设 大型地 下核 电站 开创核 电安全发展 新途径 J 人 民长江， 2 0 1 5 ， 4 6 ( 1 8 ) ： 1 5 2 钮 新 强。 罗琦 ， 赵 鑫， 等 地 下核 电研 究现 状 J 核 动 力 工 程 ， 3 4 5 6 7 2 0 1 5， 3 6 ( 5 ) ： 1 5 钮新 强，罗琦 ， 赵 鑫， 等 大型 地下核 电站关键 技 术研 究 J 核 动力工程 ， 2 0 1 5， 3 6 ( 5 ) ： 6一l 1 钮 新强 地 下核 电厂预先研究报告 R 武汉 ： 长 江勘 测规划设计 研 究 院 2 0 1 2 陆佑榍 地 下核 电站建设可行性研 究报告 R 武汉： 中国工程 院 咨 询 研 究 项 目组 ， 2 0 1 4 李锋 一种地 下核 电站 大件 吊装运输方法 ： 中国， 2 0 1 4 1 0 2 6 4 4 8 3 6 P 2 0 1 50 50 6 刘百兴 一种地下核 电站核 反应堆 洞室安全 壳 穹顶安 装结构 ： 中 国， 2 0 1 4 2 0 3 1 6 8 2 9 8 P 2 0 1 41 1 2 6 ( 编辑 ： 胡旭 东) Re s e a r c h o n t e c hn o l o g y o f c o n c r e t e c o n s t r uc t i o n a n d l a r g e e q ui pm e n t i n s t a l l a t i o n f o r u nde r g r o un d nu c l e a r po we r pl a n t s L I F e n g ， L I U L i x i n ，S U L i j u n ， Z H A N G Z h i j u n ( C h a n g j i a n g I n s t i t u t e o f S u r v e y ， P l a n n i n g ， D e s i g n a n d R e s e a r c h ，W u h a n 4 3 0 0 1 0 ，C h i n a ) Abs t r ac t：Du e t o l a r g e s i z e o f nu c l e a r i s l a n d e qu i p me n t a n d l i mi t e d i n t e r i o r s p a c e o f un d e r g r o u n d c a v e，s o t he c o n c r e t e c o n s t r u e t i o n a nd l a r g e eq u i pme n t i ns t a l l a t i o n i n t he l i mi t e d s p a c e i s t he ke y p r o b l e m t o be s o l v e d i n t he f e a s i bi l i t y s t ud y o f u n de r g r o u nd nu c l e a r po we r p l a n t s c o n s t r u c t i o nI n v i e w o f t he f e a t u r e s o f c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n a n d l a r g e e qu i p me n t i ns t a l l a t i o n f o r u n d e r g r o u nd n u c l e a r p o we r pl a n t s，t he r e s e a r c h o n t e c hn o l o g y o f c o n c r e t e c o ns t r uc t i o n o f u nd e r g r o un d c a v e r n l i n i n g a n d nu c l e a r r e a c t o r c o nt a i nme n t a s we l l a s t h e i n s t a l l a t i o n o f l a r g es c a l e n uc l e a r i s l a nd e qu i p me n t we r e c a r r i e d o u t An d t h e t e c h ni c a l s o l u t i o ns o f c o n c r e t e c o n s t ruc t i o n a n d l a r g e e q ui p me n t i n s t a l l a t i o n we r e fir s t l y pr o p o s e d；t h e f e a s i b i l i t y o f r e l e v a nt t e c h ni c a l s o l ut i o ns i mp l e me n t a t i o n wa s a l s o d e mo ns t r a t e d，a l l o f wh i ch c a n pr o v i d e t e c h n i c a l s u p po r t f o r s u bs e q ue n t r e s e a r c h a nd e ng i n e e r i ng p r a c - ric e o f u nd e r g r o u n d n uc l e a r p o we r p l a nt s Ke y wo r ds： c o nc r e t e；l a r g e e q u i p me nt i n s t a l l a t i o n；c o ns t r uc t i o n f e a s i bi l i t y a na l y s i s ；u nd e r g r o un d nu c l e a r p o we r p l a n t s ( 上接 第 3 2页 ) An a l y s i s o n wa t e r l e v e l c h a ng e a t Xi ng z i Hy d r o l o g i c a l S t a t i o n o f Po y a ng La ke fo r 6 2 y e a r s LI U Li a n ，ZENG F a n x i a n g ，F U Zh i q i a n g ，CHEN Mi ng h u a ( 1 H y d r o l o g y B u r e a u o f J i a n g x i P r o v i n c e ， N a n c h a n g 3 3 0 0 0 2 ，C h i n a ； 2 C o l l e g e of L if e S c i e n c e ，N a n c h a n g U n i v e r s i t y ，N a n c h a n g 3 3 0 0 3 1 ，C h i n a ； 3 T h e K e y L a b o r a t o r y o f P o y a n g L a k e E n v i r o n m e n t a n d R e s o u r c e U t i l iz a t i o n Mi n i s t r y of E d u c a t i o n i n N a n c h a n g U n i v e r s i t y ， N a n c h a n g 3 3 0 0 4 7 ，C h i n a ) Abs t r ac t ：To be t t e r u n de r s t a nd t he hy d r o l o g i c a l f e a t ur es o f Po ya ng La ke a n d p r o v i d e r e f e r e n c e for t he c o n s t ruc t i o n o f wa t e r c o ns e r v a nc y f a c i l i t i e s，o n t he ba s i s o f t he me a s u r e d wa t e r l e v e l a t Xi ng z i Hy dr o l o g i c a l S t a t i o n f r o m 1 93 5 t o 20 08，t h e b a s i c c ha r a c t e r i s t i c s o f wa t e r l e v e l a t t he s t a t i o n a nd i t s v a r i a t i o n t r e n d a r e a na l y z e dTh e r e s ul t s s ho we d t h a t t h e v a r i a t i o n f e a t ur e s o f wa t e r l e v e l o f Po y a n g L a ke c a n be e x pr e s s e d u s i ng t he d a t a o f Xi ng z i Hy dr o l o g i c a l S t a t i o n；Th e v a r i a t i o n l a w i n l o n g t e mpo r a l s i z e i s s t a b l e o v e r 6 2 y e a r s ；t h e h i g h wa t e r l e v e l p e r i o d i s f r o m J u n e t o S e p t e mb e r ，t h e l o w wa t e r l e v e l p e r i o d i s f r o m D e c e mb e r t o Ma r c h，a n d t he n o r ma l wa t e r l e v e l pe r i o d i s Ap r i l ，Ma y，Oc t o be r a n d No v e mb e r Th e e v o l u t i o n t r e nd o f wa t e r l e v e l o f Po y a n g La ke i s t ha t t h e d ur a t i o n o f”l a k el i ke i n h i g h wa t e r l e v e l p e r i o d” s h o r t e ns a n d t h e du r a t i o n o f”r i v e rl i k e i n l o w wa t e r l e v e l pe r i o d” i s p r o l o ng e d Ke y wor ds： wa t e r l e v e l ；hy d r o l o g i c a l f e a t u r e s；Xi ng z i Hy d r o l og i c a l St a t i o n；P o y a ng La ke