核電站取水隧洞二襯設計探究

□林 海 王 健

我國目前的核電站均分布在沿海地帶，核電站需要從外部引入海水進行循環冷卻，受廠區布置限制，部分核電站從海岸取水口到聯合泵房有一定陸域距離，且地貌條件決定只能采用隧洞進行海水引入。核電站取水隧洞長度從數百米到數公里不等，一般采用圓形斷面，根據水量需求直徑4～8米不等。核電站取水隧洞承擔的功能是向核島提供重要廠用水和向常規島提供循環冷卻水，從安全分級上被劃分為核安全一類物項。

一、地質條件影響

地質條件是決定隧洞開挖、二次襯砌設計的主要因素，它包括圍巖巖性、上覆巖層厚度、地下水情況等。根據地質條件的不同，《核電廠取排水隧洞結構設計規范》(NB/T 20389-2016)將圍巖分為I～VI類，其中I～III類圍巖為硬質巖，IV～VI類圍巖為軟巖或土體。圍巖的類別直接影響二次襯砌的厚度，在相同埋深和洞徑的條件下，圍巖越差二次襯砌所需要的厚度越厚。

二、襯砌結構設計

核電站取水隧洞為核安全一類物項，應同時采用運行安全地震動SL-1和極限安全地震動SL-2進行抗震設計。核電站取水隧洞采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，采用分項系數的設計表達式按承載能力極限狀態、正常使用極限狀態的要求進行結構計算和驗算，并應符合下列規定：按承載能力極限狀態應進行隧洞結構的抗震承載力計算和整體穩定性驗算；按正常使用極限狀態應進行隧洞結構的變形驗算、裂縫寬度的驗算。

作用在隧洞二次襯砌上的荷載可分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。其中永久荷載包括結構自重、圍巖壓力、土壓力、內水壓力、地下水壓力(外水壓力)等；可變荷載包括地面活荷載、施工荷載、灌漿壓力荷載以及溫度作用；偶然荷載包括地震作用、爆炸力、撞擊力等。

對于襯砌內力的計算，《核電廠取排水隧洞結構設計規范》(NB/T 20389-2016)推薦了若干種方法，分別是反應位移法、自由場變形法(BART抗震設計法)、多點輸入彈性支撐動力、反應譜法。自由場變形法適用于矩形截面的隧洞，核電站取水隧洞由于是有壓隧洞，截面均為圓形，故該方法不適合用于核電站取水隧洞二次襯砌的設計。

目前在核電站取水隧洞二次襯砌設計中運用較為普遍的為反應位移法。反應位移法，首先通過地層動力計算求得襯砌斷面地層位移，然后將地層位移施加在襯砌斷面上，最后得到襯砌內力。上述過程一般通過商用有限元軟件實現，除此之外，還推薦采用傳統的襯砌設計軟件進行輔助校核。

需要注意的是在取水隧洞結構的分叉、拐角及局部復雜部位(包括地質條件復雜)通常采用三維有限元動力分析法，目前三維有限元動力分析法已經成功應用于多個核電站取水隧洞的復雜部位設計分析。

三、襯砌材料及技術措施

核電站取水隧洞二次襯砌所采用的混凝土除應符合結構強度要求外，還應滿足耐久性以及抗凍、抗滲和抗侵蝕的要求，目前工程中采用C40補償收縮防水混凝土，混凝土中添加粉煤灰、抗裂防水劑，部分工程還用到了聚丙烯纖維。根據已建核電工程經驗，還可以摻加阻銹劑，或對隧洞與海水接觸的內表面涂刷防腐涂層。

(一)回填灌漿。在襯砌施工時隧洞頂部會存在縫隙，為保證襯砌和頂部圍巖的共同受力，必須對襯砌頂部進行回填灌漿。回填灌漿的一般要求：回填灌漿的范圍為頂拱90～120度以內，孔距和排距宜為2～6m。回填灌漿可采用1:3水泥砂漿，水泥用普通硅酸鹽水泥，灌漿壓力可采用0.3～0.5MPa，灌漿孔應深入圍巖100mm以上。

(二)固結灌漿。固結灌漿的目的是為了改善圍巖的整體性，提高圍巖的變形模量。對于圍巖整體性較差的地段需要進行固結灌漿，以下是某核電取水隧洞的固結灌漿要求：在隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖段及進出口鉆爆段一定范圍進行固結灌漿。固結灌漿應在回填灌漿結束7天后按環間分序，環內加密的原則進行，固結灌漿孔深入圍巖的距離可取0.5倍隧洞直徑，孔徑為Φ50mm，環向按40角布置，每排9個孔，孔距為2,000mm，梅花形布置。固結灌漿采用水泥漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥。固結灌漿壓力應通過現場試驗確定，壓力范圍應控制在1～2倍內水壓力。

(三)襯砌分縫。核電站取水隧洞二次襯砌在地質條件明顯變化處和井洞交匯處，進、出口處或其他可能產生較大相對變位處，應設置永久縫。圍巖地質條件比較均一的洞身段，可只設置施工縫。目前的工程做法是在不同類別圍巖分界處設永久縫，在IV～VI類圍巖段每隔20m設置一道永久縫，永久縫寬50mm,采用橡膠止水帶止水。在地質條件比較均一的I～III類圍巖可只設置施工縫。

(四)安全監測。核電站取水隧洞安全監測工作是為了及時掌握洞室圍巖變形，二次襯砌工作和安全狀態的變化，預測險情、確保安全、驗證設計、評估施工，安全監測的方案設計也是工程建設和管理工作中極其重要的組成部分。核電站取水隧洞安全監測的全過程包括施工期監測(過程監測)和運行期監測(驗收監測)兩部分：施工期監測一般由施工承包商負責，監測時間從開挖至隧洞襯砌前，主要監測圍巖的變形情況，并應按設計要求提供監測報告作為竣工資料。運行期監測是以實現驗收為目標的監測，監測時間從在隧洞襯砌前和施工中進行儀器安裝埋設開始，直到試運行后交付生產為止，監測對象包括圍巖和襯砌。

監測主斷面具體位置應結合隧洞實際開挖中圍巖穩定狀況確定，選擇具有代表性的圍巖變形較大的地點。對于每條取水隧洞設置監測主斷面數一般不少于3個。在確定監測主斷面位置和數量時，要兼顧考慮工程費用問題，做到造價經濟。

隧洞圍巖的應力應變及變形等監測孔(點)的布置包含以下內容：第一，隧洞圍巖深部變形監測，通常布置六套多點位移計監測，并考慮內水壓力作用，測孔布置環向對稱布置。第二，隧洞襯砌的應變計布置，應變計采用標距不宜小于10cm，混凝土襯砌體每個斷面對稱布置8組應變計，溫度計1支；襯砌環向鋼筋上相應布置8個鋼筋計。第三，隧洞襯砌與圍巖接觸縫的監測布置，在斷面上混凝土與巖土之間對稱布置4支三向測縫計。第四，隧洞水壓力監測布置，隧洞內水壓力的監測用水壓計或水位觀測管測量最大內水壓力。隧洞外水壓力監測布置，監測斷面上的滲壓計可以對稱布置在隧洞圍巖頂部，腰部及底部的混凝土襯砌附近的圍巖中。第五，溫度監測布置，溫度監測包括洞(氣、水)溫，管壁溫度，襯砌混凝土溫度和圍巖溫度，按管壁、混凝土、圍巖表面及深部分別布置1～2支溫度計。有的可以與其它觀測儀器配合布置。

四、結語

隨著規范對混凝土耐久性要求的越來越重視，在取水隧洞二次襯砌中采用的混凝土強度等級已經達到C40，并且設計中增加了一系列抗裂防腐蝕措施。在二次襯砌計算方法上也從傳統的斷面內力計算發展到計算機三維有限元動力計算。核電站取水隧洞二次襯砌的設計不同于普通的地面結構，由于圍巖巖土力學性質不確定性較高，情況比較復雜，在設計時除了準確的理論分析計算，還必須依賴工程類比和經驗對照，需要將兩種手段結合起來互為補充印證，才能設計出耐久可靠的二次襯砌結構，保障核電站安全運行。