核電站外安全殼穹頂超大雙曲面鋼模施工技術*

李 求，汪宇雄，劉 軍，曲殿英，李 斌

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

廣西防城港“華龍一號”核島反應堆廠房外安全殼穹頂標高為51.372～63.400m、厚1.5m，內、外穹頂間凈距為2.00m。在51.372～53.257m標高，穹頂剖面內半徑6.0m的圓環；在53.257～61.900m標高，穹頂剖面內半徑為36.0m的半球殼；外安全殼穹頂的結構特點使其支撐模板的預制和安裝要求較高。采用常規混凝土木模板制作為雙曲面較困難，精度較差，為保證模板±10mm的公差，安裝時需花費大量時間進行調整；同時，為保證木模板承載力，在模板底部設置密集支撐。這些使模板在安裝、拆除過程中花費大量時間，施工效率較低下。通過分析對比研究，在場地無法滿足地面安裝好整個鋼模再整體吊裝的條件下，采用超大雙曲面免拆鋼模原位拼裝技術，有效解決了雙曲面成型較困難、精度較低、施工效率低下的問題，同時減少外安全殼常規支撐搭設、拆除造成的成本增加，縮短了施工工期，實施效果良好。外安全殼穹頂剖面如圖1所示。

圖1 外安全殼穹頂剖面

2 超大雙曲面鋼模施工技術特點

1)核電站外安全殼穹頂超大雙曲面鋼模支撐體系位于外穹頂下表面，采用角鋼、鋼板作為受力構件，鋼管作為支撐，通過鋼管與預埋于內穹頂的鋼筋頭連接，形成整體受力體系；整體超大雙曲面免拆鋼模剛度大，能滿足混凝土澆筑后模板變形≤10mm的要求。

2)免拆鋼模均分為標準分塊，在車間預制完成；原位拼裝后焊接連接形成整體。鋼結構施工具有速度快、安裝方便、精度高等特點，有效縮短了外安全殼穹頂施工工期，降低了施工成本。

3)根據客觀條件，因地制宜，采取原位安裝安全殼超大雙曲面鋼模施工方式，在保證承載力及變形的情況下，克服了外安全殼穹頂精度要求高、效率低下等問題，為項目節約了工程費用，縮短了施工工期。

3 鋼模施工工藝流程

整個鋼模分為28個分塊，在車間預制好后，再運輸至現場進行整體拼裝，形成1個超大雙曲面鋼模。

3.1 分塊鋼模制作

鋼板排版圖→標識→鋼板切割→拼板縫坡口加工、檢查→噴砂→油漆底漆→拼板→角鋼劃線→正面縫焊接→加勁角鋼組對、焊接→焊縫檢查→脫模→尺寸檢查→噴涂中漆、面漆→存放。

3.2 整體鋼模安裝

布置底模支撐立桿→安裝位置投影放線→布置定位工裝→測量調整工裝高度→復核安裝位置→鋼模分塊運輸→鋼模分塊吊裝→鋼模分塊安裝就位→鋼模分塊組對、焊接→調節支撐立桿頂緊→整體驗收。

4 鋼模施工工藝

4.1 鋼模體系設計

外安全殼穹頂結構較復雜、空間小、施工難度大、自重和施工荷載大，外安全殼穹頂的結構特點使其對支撐模板要求較高。設計支撐鋼模體系時，根據其結構特點，主要考慮變形小、剛度大、受力簡單、施工便捷等，經比選，選用由角鋼和鋼板組成的雙曲面鋼模，鋼模底部設置鋼管支撐受力體系。

根據外安全殼穹頂混凝土澆筑時的受力情況，按圖2進行簡化計算：Gc為陰影部分混凝土自重；α為鋼模法線和豎直方向夾角；F外模板為外模板對陰影部分混凝土的反力，與外模板受到混凝土的側壓力相同；F內模板為鋼模對陰影部分混凝土的反力；F上，F下分別為陰影部分上、下方混凝土壓力。

圖2 受力簡圖

外安全殼穹頂在未澆筑混凝土時，外模與鋼模使用拉桿對拉；混凝土開始澆筑后鋼模、外模受到混凝土的側壓力與拉桿拉力相等，故不考慮混凝土側壓力對鋼模的影響；鋼模壓力主要為混凝土自重和施工荷載。鋼模受到的混凝土最大壓力Gc=37.5kN/m2，施工人員及施工設備荷載按2.5kN/m2取值；驗算鋼模承載力的最大設計荷載PDH=52.5kN/m2。

由于外安全殼穹頂混凝土分層澆筑，按最不利荷載52.5 kN/m2來驗算鋼模在C層混凝土澆筑時的承載力和支撐立桿承載力。

使用1/4鋼模模型，經有限元軟件進行整體驗算，鋼模體系經優化采用∟56×5和6mm厚鋼板組成鋼模、φ48×3.5鋼管作為支撐立柱(見圖3)；其中，鋼板應力為114.6MPa，最大撓度為2.3mm，∟56×5 應力比為0.91，支撐鋼管φ48×3.5強度應力比為0.42，穩定性應力比為0.33；鋼模體系滿足設計強度及變形≤10mm的要求。

圖3 雙曲面鋼模支撐體系局部構造

4.2 雙曲面鋼模分塊預制

雙曲面鋼模為一個雙曲面殼體，按外安全殼穹頂的分層分段等分鋼模，鋼模分塊展開后上、下口均為1個圓弧段，兩側為N個水平等分線展開后形成的圓弧段端點之間的線段集合。為便于現場安裝及控制，展開后的鋼模分塊下料時，在其上口預留約100mm余量；在每塊鋼模分塊的一側預留約100mm余量。

鋼模分塊根據設計圖紙分成不同尺寸的鋼板和角鋼，在胎模上拼裝成1個整體。鋼板、角鋼下料前，核實鋼材材質、批號及規格是否滿足設計要求，根據設計圖紙要求，對于不同型材、不同尺寸鋼板，選用不同下料方式。例如，對于較小型材或薄板，可考慮型鋼切割機或剪板機，對于不規則鋼板可采用數控切割機進行下料。同時，做好標識，標識內容包括構件編號、材質。構件放樣完成后，下料前由專職檢查人員核實其板材、尺寸，確認無誤后方可下料；所有構件切口均用角向磨光機打磨去毛刺，磨去氣割面氧化層。

根據鋼模雙曲面弧度和鋼模分塊尺寸制作胎模，胎模主要由弧形鋼板、弧形角鋼和型鋼組成，弧形鋼板和弧形角鋼作為胎模造型，型鋼為其支撐結構。弧形鋼板使用數控切割機切割成型，角鋼采用型材卷彎機進行彎曲，保證胎模弧度公差為±3mm；組裝時要以保證成型為原則，配合胎模做必要的工裝，組裝前按工藝考慮其焊接變形，并采取相應措施，焊后檢查其尺寸，如不符合要求需進行校正。

將不同尺寸鋼板根據設計圖紙在胎模上成型，并進行拼接焊縫的組對焊接，焊縫為部分焊透的對接焊縫，等級為三級。分塊板成型后，組對卷制好的豎向和環向角鋼以先環向后豎向的順序組對；所有圓弧角鋼通過樣板檢查，確保其與板材和胎模貼合。角鋼組對加固完成后，焊接角鋼焊縫。最后檢查鋼模分塊的幾何尺寸和弧度，鋼模分塊檢查合格后，對其進行涂刷油漆存放。

為防止鋼模分塊在預制過程中變形，增加壁板成型臨時工藝角鋼，正式焊接角鋼前，為防止壁板在寬度兩端口處出現波浪形變形，在距離端口邊緣約50mm處各點焊1條工藝角鋼，工藝角鋼與壁板寬度值基本一致。焊接環向角鋼時，應采用加強工裝壓緊該角鋼，待全部焊接完成且焊縫冷卻后再拆移工裝。為使壁板更好地成型及適當防止焊接變形，可在預制壁板上方適當增加工字鋼加固裝置輔助成型；重復使用胎模前要檢查胎模變形是否在公差范圍內，如超標，需修正胎模線形并檢驗。

4.3 支撐安裝

在安全殼內穹頂上，預埋直徑≥25mm鋼筋頭，作為支撐立桿的錨固鋼筋，當立桿無法插入鋼筋頭時，直接立于內安全殼穹頂面上，通過水平桿緊固(見圖4，5)；立桿應保持垂直于內安全殼穹頂面，確保立桿與接觸面結合緊密且受力穩定；立桿按橫距≤800mm、 縱距≤800mm布置，立桿間用2道水平腳手架鋼管連成整體，排與排間適當加設斜向支撐、剪刀撐以保證支撐架整體穩定性和穩固性。免拆鋼模底部支撐采用頂托，頂托上放置木塊，木塊與頂托塞緊；木塊可根據頂托大小放置，厚度≥30mm；當木塊接觸面不在角鋼下方時，采用厚度≥100mm木方代替木塊，使其接觸面位于角鋼下方。

圖4 立桿底部示意

圖5 立桿頂部示意

4.4 曲面鋼模安裝

4.4.1鋼模分塊吊裝

現場采用塔式起重機吊裝鋼模分塊，鋼模分塊最重為4t，根據塔式起重機性能，能滿足鋼模分塊的吊裝要求。

為保證鋼模分塊的平穩吊裝，設置4個吊耳(見圖6)：上端口2個、下端口2個；鋼模分塊現場吊裝時，使用質量≥5t吊帶、質量≥4.75t卸扣，采用塔式起重機吊裝就位，固定好后再脫鉤；分塊就位后，如吊耳不影響鋼筋綁扎，無須拆除。

圖6 免拆模板分塊吊裝示意

4.4.2第1層雙曲面鋼模拼裝

在鋼模分塊拼裝前，放出鋼模分塊頂點投影十字線、高度線，作為鋼模分塊拼裝定位基準點；同時，在內安全殼穹頂上放出鋼模各層環向、縱向焊縫線投影線，根據鋼模分塊頂點投影的十字線、高度線，安裝定位工裝(見圖7)。定位工裝由弧形鋼板、頂托和立桿組成，立桿與鋼模支撐體系連成一體，弧形鋼板弧度根據鋼模弧度預制，與頂托焊接成一個整體，通過頂托微調其高度線。在下層模板上放出鋼模分塊下圓周線，并利用限位塊固定于圓周線下側(限位塊數量根據實際情況調控)；在定位工裝上放出鋼模分塊上圓周線，根據高度線，調整好支撐高度。按設計圖紙排版，吊裝第1層鋼模分塊至對應位置，利用拉鏈或繩調整鋼模分塊下口內側與下圓周線重合、上口標高和半徑與上部工裝圓周線重合，調整好后利用限位銷和手拉葫蘆緊固鋼模分塊。

圖7 鋼模安裝示意

根據設計圖紙排版吊裝第2塊鋼模分塊，第2塊鋼模分塊搭接在相鄰鋼模分塊有余量一側上方，采用第1塊鋼模分塊安裝方法安裝第2塊鋼模分塊，第2塊鋼模分塊下口與上口及定位角度符合要求后，開始豎縫余量切割并組對，從外側沿鋼模分塊搭接線進行切割，余量切割完成后，即可進行焊接作業；焊縫為部分焊透的對接焊縫(見圖8)，當縫隙過大時，使用墊板輔助焊接(見圖9)，焊縫等級為三級。

圖8 部分焊透的對接焊縫示意

圖9 帶墊板的部分焊透對接焊縫示意

采用相同方法吊裝就位其他鋼模分塊，依次拼接；整層鋼模分塊安裝好后，組對、焊接連接角鋼，使鋼模分塊形成一個整體，最后檢查鋼模高度線，如不符合要求通過支撐體系頂托微調校正。

4.4.3第2層雙曲面鋼模拼裝

使用測量儀器定位出第1層鋼模分塊上口理論線，并取多點測量第1層鋼模分塊上口半徑值，沿著理論線相隔一定間距點焊限位板；放出第2層鋼模分塊上部投影十字線、高度線，作為第2層鋼模分塊上部工裝基準點和基準線，根據鋼模分塊頂點投影十字線、高度線，安裝定位工裝，并在定位工裝上放出鋼模分塊上圓周線。

按設計圖紙排版，依次吊放第2層鋼模分塊，吊裝順序同第1層，下口搭接在第1層上口。以第1層上口限位板定位，上口支承在上部工裝上；以第2層鋼模分塊下口為基準，切割第1層鋼模上口余量，利用支撐調節上、下2層鋼模分塊間隙，細調環向縫隙。經檢查合格后，開始焊接；焊接形式同鋼模第1層。安裝剩余鋼模分塊，安裝方式為：組對和焊接環向縫，方法同第1塊鋼模分塊；其余安裝方式同第1層；剩余的其他層鋼模安裝方式同第2層。

4.4.4最后1層雙曲面鋼模拼裝

最后1層鋼模為1個直徑4.0m的圓蓋，為方便拆除支撐立桿而預留的搬運洞口；在外安全殼穹頂混凝土達到設計強度后，開始拆除鋼模支撐，按由上至下的原則拆除，免拆鋼模支撐的拆除步驟為：落下頂托→拆除斜撐及上部水平撐→拆除下部水平撐→清理拆除支撐件。當1個區域的支撐拆完后，切除內安全殼上預留鋼筋頭，并對鋼筋頭涂刷油漆。

拆除鋼模底部支撐后，安裝最后1層鋼模支撐體系，然后吊裝、安裝直徑4.0m的鋼模，與下一層鋼模進行組對焊接；安裝前，需測量洞口半徑，根據半徑切割圓蓋(制作時預留200mm切割余量)；最后進行連接角鋼的組對、焊接。

最后1層外安全殼穹頂混凝土澆筑前，從環廊入口到內安全殼穹頂檢查鋼模支撐體系是否頂緊，頂緊后才能澆筑混凝土；最后待混凝土強度達到設計要求后，拆除支撐體系并從環廊運出。

5 施工安全與質量

5.1 防臺風措施

核電站一般建在海邊，外安全殼穹頂高度較高，需考慮施工過程中的防臺風措施。鋼模臨時焊接吊耳，在吊耳上拉設直徑≥12mm鋼絲繩或質量≥2t 葫蘆、吊帶；與內安全殼預埋鋼筋頭上焊接的工裝角鋼連接；鋼模分塊上、下兩端各設1個吊點，間距按≤3m布置。

5.2 安全保證措施

1)鋼模加工制作及安裝拆除人員涉及電工、架工、焊工、駕駛員、塔式起重機操作員等，必須持證上崗，并在施工前經培訓合格；鋼模分塊在吊裝前，已拼裝單元必須經驗收合格，確保各連接節點牢固可靠，重點關注吊點設置是否滿足要求。

2)安裝中若個別構件存在偏差，須焊接和切割作業時，落實防止觸電、爆炸和熔渣飛濺引起火災的措施。在焊接地點周圍5m范圍內，應清除易燃易爆物品；因條件限制無法清除時，采取可靠的隔離或防護措施；安排夜間施工時，施工區應設置足夠的照明器具，避免照明盲角。

3)混凝土澆筑過程中，派專人檢查支架和支撐情況，發現松動、變形和水平位移情況的應及時評估解決，同時在臨邊位置的鋼模面上埋設鋼筋頭，并用紅色標記作為觀測點，觀測點≥2處；采用皮尺、卷尺、垂線、全站儀、水準儀對鋼模體系進行監測，主要監測體系的垂直位置是否有偏移，當偏移量≥20mm時，需報警。

5.3 質量保證措施

1)鋼材、焊材進場必須提供產品合格證或質量證明書，并按要求進行材料復驗，結果應符合相應的產品質量要求，施工前必須制定嚴密的質量保證措施和施工過程檢驗、技術交底措施。

2)鋼模分塊在制作時，需控制鋼模分塊構件精度，鋼板構件下料精度按0～-3mm控制，角鋼折彎精度按0～-3mm控制，模板分塊拼裝過程中，要對焊縫進行外觀檢查，保證焊縫質量；鋼模長寬(弦長)公差按±10mm控制，弧度按±5mm控制。

3)預制件存放時不能直接接觸地面，可存放在存放架或用型鋼、木方等鋪成的框架上，防止預制件變形。預制件堆放需穩固，以免倒塌損壞。在1個料堆內，上、下相鄰預制件必須錯開，以便看清其端部標識并定期檢查標識。

6 結語

采用超大雙曲面免拆鋼模原位拼裝技術有效減少了安裝和拆除時間，縮短了施工工期，同時鋼模相對于傳統木模板，在剛度、模板質量、安裝精度方面均有較大優勢。實踐證明，外安全殼穹頂使用免拆鋼模作為模板，在施工過程中，質量控制較好、施工效率較高，能滿足設計和質量要求。