核電站取水隧洞二襯設(shè)計(jì)探究

□林 海 王 健

我國(guó)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(jìn)行循環(huán)冷卻，受廠區(qū)布置限制，部分核電站從海岸取水口到聯(lián)合泵房有一定陸域距離，且地貌條件決定只能采用隧洞進(jìn)行海水引入。核電站取水隧洞長(zhǎng)度從數(shù)百米到數(shù)公里不等，一般采用圓形斷面，根據(jù)水量需求直徑4～8米不等。核電站取水隧洞承擔(dān)的功能是向核島提供重要廠用水和向常規(guī)島提供循環(huán)冷卻水，從安全分級(jí)上被劃分為核安全一類物項(xiàng)。

一、地質(zhì)條件影響

地質(zhì)條件是決定隧洞開挖、二次襯砌設(shè)計(jì)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(jù)地質(zhì)條件的不同，《核電廠取排水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 20389-2016)將圍巖分為I～VI類，其中I～I(xiàn)II類圍巖為硬質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核電站取水隧洞為核安全一類物項(xiàng)，應(yīng)同時(shí)采用運(yùn)行安全地震動(dòng)SL-1和極限安全地震動(dòng)SL-2進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。核電站取水隧洞采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式按承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和驗(yàn)算，并應(yīng)符合下列規(guī)定：按承載能力極限狀態(tài)應(yīng)進(jìn)行隧洞結(jié)構(gòu)的抗震承載力計(jì)算和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算；按正常使用極限狀態(tài)應(yīng)進(jìn)行隧洞結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算、裂縫寬度的驗(yàn)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(jié)構(gòu)自重、圍巖壓力、土壓力、內(nèi)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(duì)于襯砌內(nèi)力的計(jì)算，《核電廠取排水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 20389-2016)推薦了若干種方法，分別是反應(yīng)位移法、自由場(chǎng)變形法(BART抗震設(shè)計(jì)法)、多點(diǎn)輸入彈性支撐動(dòng)力、反應(yīng)譜法。自由場(chǎng)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(shè)計(jì)。

目前在核電站取水隧洞二次襯砌設(shè)計(jì)中運(yùn)用較為普遍的為反應(yīng)位移法。反應(yīng)位移法，首先通過地層動(dòng)力計(jì)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(nèi)力。上述過程一般通過商用有限元軟件實(shí)現(xiàn)，除此之外，還推薦采用傳統(tǒng)的襯砌設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行輔助校核。

需要注意的是在取水隧洞結(jié)構(gòu)的分叉、拐角及局部復(fù)雜部位(包括地質(zhì)條件復(fù)雜)通常采用三維有限元?jiǎng)恿Ψ治龇ǎ壳叭S有限元?jiǎng)恿Ψ治龇ㄒ呀?jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)核電站取水隧洞的復(fù)雜部位設(shè)計(jì)分析。

三、襯砌材料及技術(shù)措施

核電站取水隧洞二次襯砌所采用的混凝土除應(yīng)符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足耐久性以及抗凍、抗?jié)B和抗侵蝕的要求，目前工程中采用C40補(bǔ)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(jù)已建核電工程經(jīng)驗(yàn)，還可以摻加阻銹劑，或?qū)λ矶磁c海水接觸的內(nèi)表面涂刷防腐涂層。

(一)回填灌漿。在襯砌施工時(shí)隧洞頂部會(huì)存在縫隙，為保證襯砌和頂部圍巖的共同受力，必須對(duì)襯砌頂部進(jìn)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(nèi)，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(yīng)深入圍巖100mm以上。

(二)固結(jié)灌漿。固結(jié)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(duì)于圍巖整體性較差的地段需要進(jìn)行固結(jié)灌漿，以下是某核電取水隧洞的固結(jié)灌漿要求：在隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖段及進(jìn)出口鉆爆段一定范圍進(jìn)行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿應(yīng)在回填灌漿結(jié)束7天后按環(huán)間分序，環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行，固結(jié)灌漿孔深入圍巖的距離可取0.5倍隧洞直徑，孔徑為Φ50mm，環(huán)向按40角布置，每排9個(gè)孔，孔距為2,000mm，梅花形布置。固結(jié)灌漿采用水泥漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥。固結(jié)灌漿壓力應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，壓力范圍應(yīng)控制在1～2倍內(nèi)水壓力。

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

(四)安全監(jiān)測(cè)。核電站取水隧洞安全監(jiān)測(cè)工作是為了及時(shí)掌握洞室圍巖變形，二次襯砌工作和安全狀態(tài)的變化，預(yù)測(cè)險(xiǎn)情、確保安全、驗(yàn)證設(shè)計(jì)、評(píng)估施工，安全監(jiān)測(cè)的方案設(shè)計(jì)也是工程建設(shè)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(jiān)測(cè)的全過程包括施工期監(jiān)測(cè)(過程監(jiān)測(cè))和運(yùn)行期監(jiān)測(cè)(驗(yàn)收監(jiān)測(cè))兩部分：施工期監(jiān)測(cè)一般由施工承包商負(fù)責(zé)，監(jiān)測(cè)時(shí)間從開挖至隧洞襯砌前，主要監(jiān)測(cè)圍巖的變形情況，并應(yīng)按設(shè)計(jì)要求提供監(jiān)測(cè)報(bào)告作為竣工資料。運(yùn)行期監(jiān)測(cè)是以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)收為目標(biāo)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間從在隧洞襯砌前和施工中進(jìn)行儀器安裝埋設(shè)開始，直到試運(yùn)行后交付生產(chǎn)為止，監(jiān)測(cè)對(duì)象包括圍巖和襯砌。

監(jiān)測(cè)主斷面具體位置應(yīng)結(jié)合隧洞實(shí)際開挖中圍巖穩(wěn)定狀況確定，選擇具有代表性的圍巖變形較大的地點(diǎn)。對(duì)于每條取水隧洞設(shè)置監(jiān)測(cè)主斷面數(shù)一般不少于3個(gè)。在確定監(jiān)測(cè)主斷面位置和數(shù)量時(shí)，要兼顧考慮工程費(fèi)用問題，做到造價(jià)經(jīng)濟(jì)。

隧洞圍巖的應(yīng)力應(yīng)變及變形等監(jiān)測(cè)孔(點(diǎn))的布置包含以下內(nèi)容：第一，隧洞圍巖深部變形監(jiān)測(cè)，通常布置六套多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)，并考慮內(nèi)水壓力作用，測(cè)孔布置環(huán)向?qū)ΨQ布置。第二，隧洞襯砌的應(yīng)變計(jì)布置，應(yīng)變計(jì)采用標(biāo)距不宜小于10cm，混凝土襯砌體每個(gè)斷面對(duì)稱布置8組應(yīng)變計(jì)，溫度計(jì)1支；襯砌環(huán)向鋼筋上相應(yīng)布置8個(gè)鋼筋計(jì)。第三，隧洞襯砌與圍巖接觸縫的監(jiān)測(cè)布置，在斷面上混凝土與巖土之間對(duì)稱布置4支三向測(cè)縫計(jì)。第四，隧洞水壓力監(jiān)測(cè)布置，隧洞內(nèi)水壓力的監(jiān)測(cè)用水壓計(jì)或水位觀測(cè)管測(cè)量最大內(nèi)水壓力。隧洞外水壓力監(jiān)測(cè)布置，監(jiān)測(cè)斷面上的滲壓計(jì)可以對(duì)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(jiān)測(cè)布置，溫度監(jiān)測(cè)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(jì)。有的可以與其它觀測(cè)儀器配合布置。

四、結(jié)語

隨著規(guī)范對(duì)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(qiáng)度等級(jí)已經(jīng)達(dá)到C40，并且設(shè)計(jì)中增加了一系列抗裂防腐蝕措施。在二次襯砌計(jì)算方法上也從傳統(tǒng)的斷面內(nèi)力計(jì)算發(fā)展到計(jì)算機(jī)三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算。核電站取水隧洞二次襯砌的設(shè)計(jì)不同于普通的地面結(jié)構(gòu)，由于圍巖巖土力學(xué)性質(zhì)不確定性較高，情況比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)除了準(zhǔn)確的理論分析計(jì)算，還必須依賴工程類比和經(jīng)驗(yàn)對(duì)照，需要將兩種手段結(jié)合起來互為補(bǔ)充印證，才能設(shè)計(jì)出耐久可靠的二次襯砌結(jié)構(gòu)，保障核電站安全運(yùn)行。