“華龍一號”防護廠房屋面施工方案設計

馬 英，蔡利建，王洪斗，徐國禎，李 杰，張 莉

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

“華龍一號”設計中考慮了商用大飛機撞擊的工況，以抵御大型商用飛機的惡意撞擊，從而避免該類事故工況下放射性的大量釋放、保護人員和環境免受核輻射的危害。根據防護原則，“華龍一號”反應堆廠房采用雙層安全殼技術，燃料廠房、電氣廠房則采用單獨設置的鋼筋混凝土防護廠房進行防護。

在提高安全性的同時，防護廠房的設計和施工也具有相當大的難度和挑戰。一方面，防護廠房屋面具有跨度大、施工荷載大、內部廠房屋面承載力不高、施工環境受限等特征，是典型的大跨、懸空厚板結構；另一方面，防護廠房與內部廠房的土建、安裝等工程存在交叉作業，對進度影響十分明顯。

臺山核電施工中采用預制混凝土梁的方案，其解決了施工荷載大、交叉作業的難題，但也帶來了新的問題，如預制場地、吊裝能力與風險、預制梁鋼筋與現澆部分鋼筋的連接、預制梁與外層安全殼筒體連接節點處理等難題。

民用領域[1,2]，中庭、門廳等懸空結構施工中一般采用型鋼、桁架搭設臨時鋼平臺；厚板結構一般采用分層卸荷、勁性混凝土等方案施工；但結構及受力形式、工作環境等與防護廠房均有較大不同，不能直接應用在本項目中。

本文根據其結構及受力特點提出多種施工方案，并從施工安全性、技術難點、工期及費用等方面進行方案比選，確定采用分層分段的施工方案；在此基礎上，詳細介紹了防護廠房屋面分層施工方案的設計思路與要點、分層分段的劃分、施工荷載驗算以及相關技術要求等內容。

1 廠房結構概況

“華龍一號”采用外層安全殼及防護廠房對反應堆廠房、燃料廠房及電氣廠房進行防護，防護廠房分為KB防護廠房（燃料廠房一側）、LB防護廠房（電氣廠房一側），兩者通過外層安全殼連為一體；防護廠房屋面板厚 1.8 m，KB廠房屋面跨度約25 m × 63 m，LB廠房屋面跨度約32 m × 80 m；其結構布置圖如圖1所示。

考慮到燃料廠房內部屋面承載能力更低、施工條件更不利，因此本文以燃料廠房一側的防護廠房（KB防護廠房）作為研究對象。

KB防護廠房與燃料廠房的關系如圖 2所示；燃料廠房屋面厚 400 mm、跨度達 17 m，燃料廠房水池區操作大廳標高為 16.5 m、乏池底板標高 3.69 m。防護廠房屋面施工荷載大，僅混凝土自重就達 45 kN/m2，水池區屋面無法承受如此巨大的施工荷載；當采用分層卸載、由下部樓板承受施工荷載的方案時，水池區需從 16.5 m起搭設腳手架（乏燃料水池需從3.6 m、裝卸口從 0 m起），不僅要耗費大量的材料、人工及工期，且其屬于超過一定規模的危險性較大工程、存在較大的施工風險。同時，防護廠房屋面施工還與乏燃料水池、裝載井、清洗井的鋼覆面安裝工程存在交叉工作、嚴重影響工期。這都大大增加了防護廠房屋面的施工難度及風險。

圖2 KB防護廠房與燃料廠房的關系圖Fig.2 Location between the KB-shield building and fuel building

2 施工方案比選

KB廠房屋面板厚 1.8 m、跨度達 25 m ×63 m，是典型的大跨、懸空、厚板結構，施工荷載設計值更是高達 71.5 kN/m2。針對大跨懸空厚板的結構受力特點，通過資料搜集、文獻調研及咨詢討論，從類似工程中尋找可行、可參考的施工方案。

核電領域，EPR堆型的防護廠房屋面施工中采用了預制混凝土梁的施工方案；民用領域的中庭、門廳等懸空結構的施工一般采用型鋼、桁架搭設臨時鋼平臺；厚板轉換層[1,2]一般采用分層卸荷、勁性混凝土等施工方案；但結構及受力形式、工作環境等與防護廠房均有較大不同，上述方案不能直接應用在本項目中。

參考上述調研結果，根據 KB防護廠房屋面結構形式及其受力特點，提出了滿堂腳手架、預制混凝土梁、鋼梁-壓型鋼板、分層澆注等備選方案；并從施工難度、安全性、對其他廠房及對工程進度的影響等各方面進行方案比選。

2.1 滿堂腳手架方案

滿堂腳手架方案是土建施工中最常用的施工方案，其施工方便、成本低。但由于燃料廠房屋面不足以承受 KB防護廠房屋面的施工荷載，需采用分層卸荷的方法，由 3.6 m/16.5 m樓板與屋面共同承受施工荷載。

該方案腳手架搭設高度大、施工荷大，屬于超過一定規模的危險性較大的工程、安全風險較大；同時，腳手架搭設與拆除工作量巨大，需耗費大量的材料、人工及工期；并且，腳手架工程與燃料廠房水池區鋼覆面等安裝工程存在交叉作業、相互影響，對工期影響十分明顯。

2.2 預制混凝土梁方案

預制混凝土梁施工方案是預制倒T形混凝土梁，將其翼緣板作為一部分模板、預制梁作為受力構件承受施工荷載，臺山核電（EPR堆型）防護廠房施工中采用了該方案。

該方案可以解決防護廠房屋面施工荷載大、腳手架工程量大、與安裝工程交叉作業的難題；但也帶來了新的問題，如預制場地、吊裝能力與風險、施工費用高，特別是預制梁與現澆混凝土部分鋼筋的連接、預制梁與外層安全殼筒體節點連接等處理十分困難，施工難度仍然較大。

2.3 鋼梁方案

該方案考慮采用鋼梁、壓型鋼板替代模板及支撐體系，即采用鋼—混凝土組合屋面。

該方案同樣可以解決防護廠房屋面施工荷載大、腳手架工程量大等問題；但鋼梁的拆除與否是本方案的制約因素：若采用永久鋼梁，則飛機撞擊工況下鋼梁是否脫落、脫落后對內部廠房的影響分析等存在一定的技術風險；當采用臨時鋼梁時，鋼梁的拆除將是一項耗費工時、施工風險大的工作。

2.4 分層澆注方案

防護廠房屋面施工中最根本的難題是施工荷載過大，最直接、有效的方法是降低施工荷載，而減少混凝土一次澆筑厚度又是最有效的措施；因此，考慮將屋面板分2～3層澆筑、由先澆筑的混凝土達到設計強度承受第二層、第三層混凝土施工的荷載，即分層澆注，如圖 3所示。

圖3 分層澆注方案示意Fig.3 Illustration of layered pouring scheme

分層澆筑方案可以解決防護廠房屋面施工荷載大的問題、提高施工安全性，同時不增加腳手架工程量、避免與安裝工程交叉作業；并且，除施工縫處理外沒有其他特殊施工要求，不會帶來其他技術問題、不大幅增加施工費用。

2.5 方案比選

針對提出的備選方案，從施工安全性、技術難點、施工工期及費用等角度進行綜合比選，如表1所示。

表1 施工方案比選Table 1 Comparison and selection of construction scheme

分層澆筑方案具有施工安全性高、施工難度低、對工期影響不大且未明顯增加施工費用等優點，是最為適宜的一個施工方案。因此，在與項目各參與方討論后，決定 KB防護廠房屋面施工采用分層澆注方案。

3 施工方案設計

3.1 原則與要點

防護廠房屋面分層澆筑施工的基本思路是將厚板水平劃分為 2～3層“薄板”，由先施工的“薄板”與燃料廠房屋面共同承受后續混凝土的施工荷載，以此達到降低對腳手架支撐、下部樓板支撐承載力的要求。

本方案的主要設計內容包括：

（1） 混凝土分層厚度的確定。分層厚度根據燃料廠房屋面的承載能力、KB防護廠房屋面原有鋼筋分布情況等確定；初步分三層澆筑，分別為400 mm、600 mm和800 mm（見圖3），第一、二層混凝土的施工荷載由燃料廠房屋面承受，待其達到設計強度后與燃料廠房屋面共同承受第三層（800 mm厚）混凝土的施工荷載。

（2） 先澆“薄板”的承載力設計。保證其有足夠的承載能力，以承受后續各層混凝土的施工荷載，并采取一定措施保證其承受施工荷載，這是本方案的關鍵點。

（3） 燃料廠房屋面承載能力驗算。

（4） 模板及腳手架支撐設計。

3.2 燃料廠房屋面承載能力驗算

燃料廠房屋面為鋼梁—壓型鋼板組合屋面，由于其混凝土厚度較薄、承載能力有限，方案設計中要求腳手架支撐在屋面鋼梁位置、將荷載直接傳遞至鋼梁，避免樓板受力。

因此，燃料廠房屋面承載能力驗算主要是根據《鋼結構設計標準》[3]進行施工荷載作用下屋面鋼梁的承載能力、穩定性及剛度等驗算。

根據分層澆注方案的設計原則，燃料廠房屋面需承受第一、二層（400 mm和600 mm）混凝土施工中的荷載，主要包括混凝土自重、傾倒混凝土產生的荷載、腳手架及模板體系的自重、施工活荷載等。

經驗算，在上述施工荷載作用下，屋面鋼梁的承載能力、穩定性及剛度均滿足要求。

3.3 分層澆注配筋設計

根據分層澆注方案的設計原則，第三層（800 mm）混凝土澆注時的施工荷載由第一、二層混凝土和燃料廠房屋面共同承擔。因此，防護廠房屋面配筋設計時需考慮：（1）運行階段的配筋，包括地震、飛機撞擊等工況；（2）施工階段的配筋，特別是第一、二層混凝土頂面縱向受力鋼筋。

運行階段的配筋設計，根據文獻［4，5］的規定進行荷載及荷載效應組合、內力分析、配筋計算及設計等；設計中屋面板厚度按1.8 m考慮、無需考慮分層方案；設計中考慮的荷載包括：恒荷載、活荷載、設備及埋件荷載、溫度作用、地震作用、飛機撞擊作用等，配筋計算結果如表2所示。

表2 計算配筋量與實際配筋量Table 2 The calculated and actual amount of reinforcement

施工階段的配筋設計，主要是對第一、二層（400 mm和600 mm）混凝土進行配筋設計；計算模型與運行階段相同，僅將屋面板厚度改為1 000 mm；設計中考慮的荷載包括：第一、二層混凝土的自重、新澆筑層混凝土的自重、傾倒混凝土產生的荷載、施工活荷載等，偏于保守的按文獻［4］的規定進行荷載組合［見公式（1）］。施工階段中間層（1.0 m 高度）的計算配筋量如圖4所示。

需要指出的是，計算中假定新澆層混凝土的施工荷載全部由第一、二層混凝土承擔、未考慮燃料廠房屋面的分擔，這是偏于保守的。

KB防護廠房屋面實際配筋中綜合考慮了上述兩種情況：根據運行階段的計算結果進行板底和板頂的配筋，根據施工階段的計算結果進行板中間層的配筋、并對板底配筋進行核算和修正。各階段的計算配筋量、實際配筋量如表2所示，配筋示意圖如圖5所示。

3.4 施工中的技術要求

分層澆注方案的關鍵是使先澆筑的“薄板”承受后續混凝土施工的荷載[1]；為達到上述目的，結合方案設計的原則，提出了如下技術要求。

圖4 施工階段計算配筋量（中間層）Fig.4 Calculated reinforcement during the construction stage（the middle layer）

圖5 KB防護廠房屋面配筋示意圖Fig.5 Schematic of the reinforcement in the KB shield building roof

（1） 腳手架及模板支撐體系需承受第一、二層（400 mm和600 mm）混凝土澆注時的施工荷載；并需采取措施將荷載直接傳遞至屋面鋼梁上。

（2） 第一、二層混凝土強度達到100%設計強度后，方可進行第三層混凝土施工。

（3） 第三層混凝土施工前，需對下部腳手架進行卸荷、然后再全部頂緊，即“先放松、后頂緊”，以保證第一、二層混凝土板可以與模板支撐體系共同承受施工荷載[1]。

（4） 為了保證各層混凝土的協同工作、屋面板的整體性能，需嚴格進行施工縫的處理；同時，第一層凝土澆筑時，應在其表面適當增加抗裂鋼筋，以防止表面開裂[2,6]。

4 結論

針對“華龍一號”防護廠房屋面這種大跨、懸空厚板結構的特點，提出了分層澆注的施工方案，并進行了詳細的方案設計與計算，解決了其施工中存在的跨度大、施工荷載大、施工環境受限等技術難題。

福清核電5、6號機組、巴基斯坦K-2/K-3項目防護廠房屋面已采用本方案順利施工完畢；有效降低了施工難度、提高了施工安全性、節省了施工工期和費用。需要指出的是，為了進一步提高施工效率，福清核電 6號機組施工中將混凝土澆注分層由三層改為兩層，即第一層澆注1 000 mm厚混凝土、在其達到設計強度后承受第二層800 mm厚混凝土的施工荷載。

分層澆注施工方案可有效解決類似的大跨、懸空、厚板結構施工中存在的技術難題，可為核電、核化工及其他行業的大跨度懸空厚板結構的施工提供參考和借鑒。