大口徑垂直頂升取水構筑物在三門核電工程中的運用

尤雪娣

(華東電力設計院，上海 200063)

三門核電是我國全面引進美國西屋公司開發的第三代壓水堆核電技術AP1000機組工程，三門核電規劃建設6臺125萬kW的核電機組，總裝機容量為750萬kW，分三期建設。一期工程兩臺機組是國務院于2004年7月21日批準實施的全球首個AP1000核電自主化依托項目，是中美兩國最大的能源合作項目，于2009年4月19日正式開工，計劃于2013年和2014年先后建成發電。

三門核電一期取水工程在國內核電領域首次采用盾構法取水隧道加垂直頂升法取水施工工藝、其尺寸為目前電廠盾構法取排水工程之最。三門核電一期盾構法取水隧道的成功運用，為今后類似工程的設計拓寬了思路，具有很好的借鑒意義。

1 工程概況

三門核電廠位于浙江省東部、臺州地區的三門縣境內，三門灣南岸貓頭山東北的大路灣——貓頭山嘴一帶，距南面健跳鎮6km，距三門縣城26km，距寧波市83km。貓頭山嘴呈東西走向，三面環海，西面背靠貓頭山脈，向東偏北呈半島狀，綿延達2.5km，寬約100m～500m，伸入貓頭水道。東面和北面海域水深較大，在東面和北面分別形成兩個大小不同的深潭，北面較小的稱為小深潭，東面較大的稱為大深潭。

2 取水隧道工程外部條件

2.1 地形地貌

場地地貌單元屬于浙東丘陵濱海島嶼區，為天臺山脈余脈，屬山前濱海海積地貌。除近海岸地區為回填片石外，其余均為泥質海灘，近海岸區地面標高0.6m～4.87m。取水勘察區地面標高為-13.91m～3.40m。取水構筑物位于廠區東北側深潭內-15.0m等深線附近。

2.2 工程地質情況

根據勘察報告，地層巖性自上而下分述如下：

①-1回填片石(Q4ml)：松散～稍密狀，具明顯的大孔隙比特征，均勻性較差，為新近廠區山體土石方開挖回填而成，塊石含量大于80%，最大粒徑大于500mm，厚度0.90m～6.00m，層底埋深0.90m～6.00m。

②-4流泥(Q4m)：流動狀，含少量有機質，厚度1.70～6.50m，層底埋深3.30m～6.50m。

②淤泥(Q4m)：流塑，厚度3.30m～15.90m，層底埋深9.30m～20.40m。

③-1粘土(Q4m)：局部為淤泥質粘土，夾薄層粉砂，含有少量貝殼碎片，局部見有腐殖質，流塑～軟塑。厚度1.30m～4.90m，層底埋深14.50m～25.00m。

④粉砂(Q4m)：局部為中砂，夾薄層粉粘，分選性一般，并混有淤泥，松散～稍密。厚度0.50m～6.60m，層底埋深16.00m～20.10m。

⑤粘土(Q3ml+m)：局部為粉質粘土，夾薄層細砂，厚度2.70m～11.40m，低層埋深15.90～29.90m。

⑥粘土(Q3ml)：局部為粉質粘土，夾薄層粉砂、粉質粘土，厚度9.55m～27.65m，層底埋深39.45m～45.90m。

第1-4層流泥、第2層淤泥及第3-1層粘土為欠固結土，具高壓縮性。其余為正常～超固結土，具中等壓縮性。取水口區域盾構隧道坐落在⑥粘土層和局部④粉砂層上，取水構筑物垂直頂升涉及地層自下而上為③-1粘土層、②淤泥層、①-4流泥層，上面兩層的流泥和淤泥質土性差，力學性能參數低，土體受到擾動后土性參數迅速降低。

2.3 水文氣象

2.3.1 潮位

表1 廠址水文氣象特征值

2.3.2 潮流流速

在核電廠址周圍鄰近水域布設的N16水文測站實測最大漲、落潮流流速(流向)如下表：

表2 核電廠周圍水域實測最大漲、落潮流流速(cm/s)、流向(o)統計

2.4 場地類別

擬建場地抗震防設烈度為6度，設計地震分組為第一組，設計基本加速度為0.05g，取水隧道場地類別為Ⅲ～IV類，取水隧道與循環水泵房銜接段為Ⅱ類，取水構筑物屬Ⅳ類場地。

3 多點式大口徑垂直頂升法取水構筑物設計方案

根據AP1000機組的特點，三門核電一期工程循環水系統建(構)筑物屬非核安全物項，按常規標準設計，設計使用年限為60年。

三門核電一期冷卻水采用海水直流循環供水系統，循環冷卻水取自三門灣大深潭海水。電廠取水工程冷卻水量主要用于汽機凝汽器的冷卻水系統和輔機的冷卻水系統的供水水源、核島服務水(非安全級)、以及海水淡化車間原水，用水量較大。以往火電廠工程常用的最大內徑4840mm盾構法取排水隧道、截面尺1.9m×1.9m的垂直頂升立管、以及直徑為3.5m的取水構筑物，不能滿足AP1000機組循環水用水量的要求。

三門核電一期工程每臺機組需配置一根直徑6200mm的自流引水管，引水管由循環水進水隧道和取水構筑物組成。隧道起點中心標高為-14.00m，然后向下以1.81%的縱向坡度向前推進，至垂直頂升段改為平直線，終端隧道中心標高為-27.00m。1#機取水管線長1025m，平面轉彎半徑為700m，2#機取水管線長968m，平面轉彎半徑為550m。一期工程采用多點式取水方案，每根取水隧道端部設置8只取水構筑物，每個垂直頂升立管截面尺寸為2.44m×2.44m，取水構筑物直徑為4.5m。

盾構法取水隧道垂直頂升段平剖面圖，如圖1、圖2所示。

圖1 垂直頂升段平面圖

圖2 垂直頂升段剖面圖

多點式取水由盾構法隧道取水管末端布置的多個方形鋼筋混凝土垂直頂升立管和多個圓形鋼制取水構筑物組成。垂直頂升管施工位于已建隧道內，鋼制取水構筑物在陸地制作完成，在水下就位安裝。這種施工方式具有①能適應復雜的場地條件及軟弱地基條件；②水下施工可不影響航道通航，也不受潮汐、風浪、氣候變化等自然條件的影響，使垂直頂升能夠“全天候”施工，避免了大量水上作業的難度；③現場施工工期較短，扣除準備工作時間，基本上兩天就能完成一只垂直頂升立管的施工；④工程投資和施工措施費用較單點式取水構筑物低等特點。

立管采用矩形鋼筋混凝土結構、分節制作、分節頂進，每根立管由九節管節組成，管節截面尺寸為2.44m×2.44m管節，兩端設連接內法蘭，用螺栓相互連接。立管埋置于土中的管身均位于①-4流泥和②淤泥土中，這部分土質土性極為軟弱，對立管的垂直頂升有利，但對抵抗水流產生的水平作用力不利。設計過程中運用ABAQUS有限元軟件，對三門電廠盾構法隧道垂直頂升立管結構受力及變形進行三維數值模擬分析。經研究，由于立管裸露在海水中的部分并不多，立管受到海流作用力相對隧道及立管結構本身而言相當小，從變形方面考慮，只需設置0.6m厚的拋石即可使立管幾乎不發生水平位移，考慮到水流對取水立管的長期沖刷作用，為保證其安全穩定，研究建議待立管頂升完成后，先挖除表面2m左右的淤泥，然后水下鋪一層軟體排，最后在立管周圍拋2.0m厚塊石，以滿足防沖刷和抗位移的要求。

垂直頂升立管上部安裝鋼制取水構筑物，鋼制取水構筑物直徑為4.5m，采用水上吊運沉放法。取水構筑物預先在陸上制作好，運至吊裝海域，然后將取水構筑物安裝在立管上，取水構筑物與立管頂頭管節通過法蘭連接。

4 垂直頂升施工工藝流程

垂直頂升工藝適用于飽和含水的粘性土或砂性土等不同軟土地層中進行施工，主要用于沿海、沿江的取排水隧道工程。 垂直頂升法施工位于已建好的隧道內部，將預制管節連接在隧道頂升開口管片上，將開口管片與管節采用特殊螺栓連接好，管節就位后，拆去開口管片與隧道襯砌的連接螺栓，依靠液壓油缸把管節垂直向上頂出，按由里向外的順序逐根頂出。每條垂直頂升管節由1節底座管節、1節頂頭管節和7節標準管節組成，并配有一個轉向法蘭。在每節的頂升過程中，管節之間采用螺栓連接，使管節垂直頂入土中，待工程全部完成后，在水下揭去開口管片，安裝上取水構筑物，形成取水通道。

垂直頂升施工工藝主要流程為：隧道底部加固→止水裝置安裝→立管頂升施工→底座管節連接處理→鋼取水構筑物安裝→水下保護拋石整平等。

4.1 隧道底部加固

垂直頂升在立管處隧道將受集中荷載，該處荷載組以電氣施工設備荷載、管節自重、正面土壓力、管壁摩阻力、水壓力等組成。一期工程立管尺寸較以往電廠工程采用的頂升立管大，由于立管截面的增大，垂直頂升力也隨之增加，經過計算，作用在隧道底部頂力將達500t左右。為防止垂直頂升引起隧道破壞，在垂直頂升區域底部通過壓漿孔預先對隧道外側進行劈裂注漿加固，漿液配合比為水泥∶水為1∶0.5，初始壓力為1MPa，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa。漿液注入率為20%即每立方米加固土體水泥用量為150kg左右，采用從管片內側向外注漿。在進行垂直頂升施工時經常檢查反力架下管片受力情況，防止管片破碎。

4.2 止水裝置安裝

頂升前，在頂升口安裝止水裝置，防止泥水滲入隧道。止水框是頂升止水裝置的重要組成部件，每個頂升管配一個止水框，止水框上部與隧道管片的法蘭板和環板焊接，施工時止水框下部法蘭與下止水扎蘭采用螺栓連接。

由于施工工藝要求立管管節斷面尺寸要比頂升口小，如果二者空隙過小，頂升過程中稍有偏差就可能會卡住，無法頂升；空隙過大，在頂升過程中隨著管節不斷上升，會導致泥水沿著管節壁從縫隙中滲入隧道。為了協調這對矛盾，一期工程立管斷面采用比頂升口小20mm的尺寸。

止水裝置包括頂升口外側止水橡皮、止水框(含上止水扎蘭)、下止水扎蘭、油浸盤根等。為了避免頂升完畢后拆除下止水扎蘭時，油浸盤根止水脫落后漏水影響電焊施工，本工程在止水框盤根上方增設一道橡皮圈止水。止水框側面留置壓漿孔，頂升時安裝好凡爾，滲漏嚴重時可壓入聚氨酯堵漏劑。

4.3 立管頂升施工

在垂直頂升時，先將轉向法蘭與頂升開口管片連接成整體，頂升第二節標準管節，與首節管節用螺栓連接后開始正常頂升施工。當管節行程末端用龍門架支撐管節底部，退回油缸安裝就位次管節，螺栓連接后，再行頂升。管節間凹槽要用快硬防水水泥粉平，填料要光滑平整，以防損壞盤根和橡膠止水。

按上述方法逐節頂升，直至頂升底座管節。要求垂直頂升管垂直度小于垂直頂升高度的1.5%；頂升管節錯口小于20mm；頂升管的縱向中心軸線偏差小于40mm；頂升管的橫向中心軸線偏差小于30mm。初頂階段頂升速度控制在2～3cm/min，正常頂升階段頂升速度控制在6～8cm/min。

4.4 底座管節連接處理

當底座管節頂升至設計高度時，從底部壓漿孔向止水框外壓入快凝水泥漿液，底座立管與隧道管片采用螺栓連接固定；待漿液凝固后，拆除下止水扎蘭，進行制動壓板和撐板焊接，撐板可根據施工時壓力增加數量。在這過程中必須至少保證有龍門架頂住末節管，防止垂下跌落；最后回縮千斤頂。單個取水口垂直頂升基本完成，隨后移動車架到下一個取水口繼續施工。

完成以后的垂直頂升立管仰視圖，如圖3。

圖3 垂直頂升立管仰視圖

4.5 鋼取水構筑物安裝及水下保護拋石整平

在垂直頂升管頂升結束后，進行水上鋼格柵取水構筑物的安裝。鋼格柵取水構筑物預先在陸上制作好，運至吊裝海域，吊放至海底，由潛水員水下作業。安裝時采用400t施工方駁配400P拖輪浮運至施工現場，60T浮吊吊放安裝。先揭開垂直頂升立管頂部的悶板，然后將取水構筑物安裝在立管上，取水構筑物與立管頂頭管節通過法蘭連接。待立管頂升完成后，在立管四周10m范圍內采用拋石防沖刷保護。

5 結語

φ4000mm左右直徑的盾構法隧道在火力發電廠有相當成熟的運用經驗，而內徑φ6200mm的盾構法隧道及多點式垂直頂升法取水構筑物目前在電力行業是首次設計。設計過程中，運用了我院自行開發的電廠取排水盾構隧道計算軟件，并與有盾構法隧道設計軟件分析經驗的大學進行了合作，通過建立三維實體模型對三門電廠盾構法隧道垂直頂升立管結構受力及變形進行了深入研究，補充和完善了盾構法隧道的計算分析，使三門核電一期取水盾構法隧道垂直頂升立管的設計更加合理，開創了我國電力行業采用大直徑盾構法隧道、大口徑垂直頂升取水設計的新天地。

三門核電一期工程#1、#2盾構法取水隧道及多點式垂直頂升取水構筑物已分別于2011年11月底及2012年2月建成，目前正在進行水下保護拋石整平。

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