核電站反應堆廠房筏基鋼筋籠模塊化施工技術

魯勤武，白明鑫，趙淑昱

(國家能源核電工程建設研發(實驗)中心，中廣核工程有限公司，廣東省深圳市 518124)

0 引言

目前我國在建核電站大多為CPR1000型，其系統復雜、建造周期長、施工質量要求高。在保證質量的前提下，如何縮短工期、降低工程造價是核電業主追求的目標之一。傳統的核電站反應堆廠房筏基鋼筋籠的施工是在筏基基巖上分層綁扎直徑為39.5 m、厚度超過6 m、總質量超過1 kt的鋼筋籠，然后分層澆筑混凝土。此法需投入大量的鋼筋工，而且施工周期長。本文借鑒國外核電站反應堆廠房實施筏基鋼筋籠模塊化施工的成功經驗，研究CPR1000型核電站筏基鋼筋籠模塊化施工的可行性;介紹新開發的適用于筏基鋼筋籠模塊的大型專用吊具;針對某核電站示范項目實際情況提出施工方案，為推行筏基鋼筋籠模塊化施工做好基礎技術工作。

1 國外核電站筏基鋼筋籠模塊化技術

核電工程采用模塊化技術可以追溯到20世紀80年代初期，美國Bechtel公司計劃將核潛艇模塊化建造的成功經驗應用于核電工程，并進行了大量的基礎研究。此后Bechtel公司將模塊化設計和建造理念推向正在大力發展核電的日本，與日立公司一起進行核電工程模塊化技術的應用研究和試驗。

在日立公司參與的日本23臺沸水堆(boiling water reactors，BWR)及 先進型沸水堆(advanced boiling water reactors，ABWR)核電機組中的16臺機組的設計、建造中［1］，模塊化設計的模塊數由最初(80年代)的18個增加到按ABWR核電機組設計的235個，其中包括筏基鋼筋籠模塊［2］(直徑為43 m、高為4.5 m、總質量為650 t)。筏基鋼筋籠模塊化施工技術的采用為ABWR核電機組48個月標準工期的實現做出了貢獻。日本是目前核電工程模塊化施工技術最成熟、應用范圍最廣的國家。

2 筏基鋼筋籠概況及施工現狀

反應堆廠房筏基為半徑19.75 m，厚5.50 m的圓柱體，其上部設計成環向截錐體。筏基內設有7層鋼筋網片，每層鋼筋網片分別由中間正交鋼筋網片和邊部環向與徑向鋼筋網片組成。各層鋼筋之間布置豎向鋼筋，截錐體處布置斜向鋼筋，圓周向布置預應力鋼管。筏基分5層澆筑，分層標高及各層的鋼筋網片如表1所示。鋼筋總用量約為1150 t，其中網片鋼筋為670 t、豎向鋼筋及加強筋為480 t。

表1 安全殼筏基分層鋼筋Tab.1 Hierarchical reinforcement in raft foundation of containment

目前在建核電站一般都采用A、B、C層現場整體綁扎鋼筋，3層1次澆筑混凝土，待其達到一定強度后，再綁扎D層鋼筋，澆筑D層混凝土，依此類推，完成全部澆筑的方法。此法工期約為150天(不含 A、B、C 層筏基鋼筋籠45 天的綁扎時間)［3］。

3 筏基鋼筋籠模塊化設計方案

3.1 4種設計方案分析

筏基鋼筋籠模塊化設計研究的原則是:在盡可能少地改變原有設計的基礎上，研究實施模塊化施工的可行性并提出設計方案。實施模塊化施工的目的是將鋼筋綁扎工序由現場改為場外，再整體吊裝就位，使在筏基基礎開挖的同時綁扎鋼筋籠成為可能，從而縮短建設工期。

結合工程實際需要，考慮現有施工水平及借鑒日本實施鋼襯里模塊化施工的成功經驗，提出如下先易后難的 4 種方案［4-5］。

3.1.1 單層鋼筋網片預制模塊(方案一)

－10.00 m標高鋼筋網片為1個模塊，場外綁扎。整體模塊吊裝就位后，在現場綁扎斜向鋼筋、豎向鋼筋、預應力鋼管及剛性馬鐙筋等。同時在場外綁扎－8.80 m層鋼筋網片，也作為1個模塊，綁扎好后吊裝就位。如上所述依次預制、吊裝、現場綁扎，完成－7.00、－6.20 m層鋼筋網片模塊施工。上部筏基采用現場綁扎鋼筋的方式施工。

優點:設計改動小，能夠縮短工期，容易實施，施工順序及場地利用合理。

缺點:工期相對縮短較少，同一時段需要增加施工人員。

3.1.2 A、B、C層整體預制成模塊(方案二)

－10.00、－8.80、－7.00、－6.20 m 標高鋼筋網片及豎向鋼筋場外整體預制成模塊，待場地達到施工要求時將該鋼筋籠模塊整體吊裝就位。D、E層采用現場綁扎鋼筋方式。

優點:縮短工期較多。

缺點:鋼筋籠質量約935 t，對吊車要求高。豎向預應力喇叭口與鋼筋籠中預應力鋼管的對接精度要求高。

3.1.3 A、B、C層中心正交鋼筋籠預制成整體模塊，環向鋼筋籠預制成分模塊(方案三)

將A、B、C層中間正交鋼筋籠場外綁扎，預制成整體模塊，環向鋼筋籠場外預制成4個分模塊。待場地達到施工要求后先吊裝就位中間正交鋼筋籠整體模塊，再分別吊裝4個環向鋼筋籠分模塊。D、E層采用現場綁扎鋼筋的方式。

優點:可縮短工期，便于周圍預應力管束施工，吊具直徑小，最大吊裝質量為340 t。

缺點:先吊裝中心鋼筋籠，致使環向鋼筋籠安裝就位有一定難度。

3.1.4 筏基鋼筋籠整體預制成模塊(方案四)

筏基鋼筋籠(包括所有鋼筋)場外整體預制成模塊，待場地達到施工要求時，整體1次吊裝就位，1次澆筑混凝土。

優點:可以最大程度地縮短工期。

缺點:整體鋼筋籠質量近1200 t，需要大噸位吊車。預應力管束就位對接精度要求高。鋼襯里底板支撐系統需要整體綁扎就位，內部儀表等需要預先安裝，增加了施工難度。

3.2 4種設計方案綜合比較

4種設計方案的綜合比較結果如表2所示。

表2 4種設計方案綜合比較Tab.2 Comparison of four design schemes

通過對以上4種方案的對比分析，在推進鋼筋籠模塊化技術的初期，建議采取先易后難，積累經驗，逐步推行的方針。初期階段推薦方案一，方案二作為備用，在取得工程實施經驗后，再對方案三、四進行優化改進，繼而實施。

4 鋼筋籠模塊專用吊具

為避免鋼筋籠在吊裝過程中變形，通過對多種結構形式吊具的研究、對比，開發了一種傳力直接、結構簡單、質量輕、易于現場拼裝的空間網架結構吊具［6-9］。圖1為吊具示意圖。

該吊具為圓環空間桁架式，構件為二力桿，質量為30 t，下部有36個吊點。吊具優點為總質量小;桿件均為二力桿，故受力均勻;便于工廠制作及現場拼裝。缺點為每個吊點受力大，節點受力復雜。

5 筏基鋼筋籠模塊施工技術

現基于中廣核工程有限公司承建的某核電站項目［4-5］，論述實施設計方案一的措施。

圖1 吊具示意Fig.1 Schematic diagram of spreader

5.1 鋼筋籠預制

根據廠區統一規劃，在鋼筋籠模塊預制場，按吊裝順序預制分層鋼筋籠。先綁扎－10.00 m標高層鋼筋籠，然后吊裝就位。同時進行該層場內豎向鋼筋綁扎和－8.80 m標高層鋼筋籠場外預制。依此順序預制及吊裝，直至完成－6.20 m標高層鋼筋籠就位。

5.2 鋼筋籠整體吊裝

5.2.1 起重機選擇

根據起吊質量和國內現有大型吊機情況，擬采用CC8800-1TWIN3200型履帶式起重機。該機最大起重能力為3200 t，作業半徑為56 m。吊機吊裝參數如表3所示。按表3計算負荷率為88.1%，滿足要求。

表3 吊機吊裝參數Tab.3 Hoisting parameters of crane

5.2.2 吊裝變形控制

由于每層筏基均由中間正交鋼筋網片和邊部環向與徑向鋼筋網片組成，兩者是斷開的，兩者的交接處屬于剛度薄弱部位，所以在每層整體吊裝時對該部位要加強。尤其是－10.00 m標高層，中間正交區4層鋼筋質量為125 t，環向8層鋼筋質量為250 t，因此在環向與吊點對應的12處位置，用型鋼徑向連接2個區域，以增加網片模塊的整體剛度。

5.3 鋼筋籠模塊施工場地規劃

5.3.1 吊機站位

參照已建工程，吊機分別位于反應堆廠房的左、右側。吊機的回轉半徑(距核島中心的距離)主要取決于核島基坑邊坡的地質條件。根據GB 50330—2002《建筑邊坡工程技術規范》［10］關于永久邊坡的規定，依據邊坡高度及地質條件確定邊坡坡率及對應的邊坡寬度。參考在建工程的經驗，并與施工單位溝通，吊機的回轉半徑初步確定為50～58 m。

5.3.2 場地規劃

根據廠區總體布置情況，結合核島分部工程施工進度要求及吊車型式、站位，選擇1塊分3個階段使用的場地(第1階段用于筏基鋼筋籠模塊施工，第2階段用于安全殼鋼襯里模塊施工，第3階段用于穹頂施工)。根據CPR1000核島筏基鋼筋籠的總體尺寸，參考已建電站規劃穹頂拼裝場地經驗，初步設想該3個使用階段的場地為1塊直徑40 m的圓型場地。此外，考慮吊具的尺寸較大，需要另外設置1個吊具的拼裝及堆放場地。預制拼裝場地規劃如圖2所示。

圖2 預制拼裝場地規劃Fig.2 Site planning of precast-assembling

5.3.3 場地使用要求

(1)投用時間要求。由于電廠開工后就要進行筏基施工，因此，模塊化施工場地在澆注混凝土前4個月就要具備使用條件。由于電廠總圖布置較為緊湊，該場地內一般會有地下廊道，甚至會有其他建構筑物，這對項目設計進度提出了新的要求。非模塊化施工時，場地投用僅需考慮穹頂預制的時間，即約為澆灌第1罐混凝土之后15個月。如果采用模塊化施工，場地內地下廊道的施工圖設計進度將必須提前很多，至少需要提前19個月對該區域內的總圖、管網等進行固化，并完成相應的施工圖設計。

(2)承載力要求。場地承載力要求和吊機類型、運行工況、模塊荷載有關。核島廠房會布置在地基條件較好的場地上，這是肯定的，但是模塊預制拼裝場地內一般有多條廊道通過，對場地承載力有影響。為此，在預制拼裝場地基礎施工前要完成場地內廊道的土建施工和回填工作，否則會使預制拼裝工作不能按時開工。根據CC8800-1/TWIN吊機參數指標及模塊質量，吊機對場地承載力要求應為50～60 t/m2，因此地基及廊道結構需要進行額外處理。

6 結論

(1)核電站反應堆廠房實施筏基鋼筋籠模塊化施工是可行的。

(2)筏基鋼筋籠模塊化設計方案對比分析結果顯示，可將方案一(鋼筋網片預制和吊裝)作為推薦方案，可將方案二(A、B、C層筏基鋼筋籠整體預制和吊裝)作為備選方案。

［1］Japan Atomic Industrial Forum，Inc.Word Nuclear Power Plants［M］.Japan:Japan Atomic Industrial Forum，Inc，2009.

［2］Noriko Hirata etc. Management of construction at latest ABWR“shimane3” ［C］.//17th internationalconference on nuclear engineering(ICONE17)，Brussels:ASME/JSME/CNS，2009.

［3］中廣核工程有限公司.CPR1000項目筏基鋼筋籠技術文件［D］.深圳:中廣核工程有限公司，2010.

［4］中廣核工程有限公司.模塊化技術開發研究報告［R］.深圳:中廣核工程有限公司，2009.

［5］中廣核工程有限公司.CPR1000項目安全殼鋼襯里技術文件［D］.深圳:中廣核工程有限公司，2010.

［6］浙江大學建筑工程學院，空間結構［M］.北京:中國計劃出版社，2003:44-56.

［7］董石麟，錢若軍.空間網格結構分析理論和計算方法［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000.

［8］GB 50011—2003鋼結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［9］葉志燕，劉建衛，儲艷春.第三代核電站大型結構模塊吊裝分析［J］.電力建設，2012，33(2):100-103.

［10］GB 50330—2002建筑邊坡工程技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.