全逆作建筑地下加速器機(jī)房混凝土施工技術(shù)

胡 佳，周建發(fā)，高 博，周立民，賀涇溪，袁翀昊

（1.湖南大學(xué)，長沙 410082；2.湖南建工集團(tuán)有限公司，長沙 410004）

醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的高能射線，能有效殺死腫瘤細(xì)胞，達(dá)到治療癌癥的目的，是重要的醫(yī)療設(shè)備。

但是，高能射線容易造成輻射污染，必須具有可靠防護(hù)。混凝土價(jià)格合理，可塑性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于核電站、醫(yī)用射線室等的輻射防護(hù)[1]。混凝土通常采用大容重和大厚度提高射線屏蔽能力，帶來了混凝土配比設(shè)計(jì)、模板設(shè)計(jì)、溫度裂縫控制等問題，增加了施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，是行業(yè)技術(shù)研究和工程應(yīng)用關(guān)注的重點(diǎn)。

劉霞[2]對不同地區(qū)和不同性質(zhì)重晶石進(jìn)行了防輻射混凝土性能的影響試驗(yàn)，配制了密度范圍在3 000 ～4 000 kg/m3，強(qiáng)度范圍在30～40 MPa 的重晶石防輻射混凝土。佘子盈[1]對影響重晶石混凝土防輻射性能的主要參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出力學(xué)性能好、射線防護(hù)性能強(qiáng)的最優(yōu)化配合比。馮錦華等[3]在混凝土直線加速器室施工中，重點(diǎn)研究了底板、墻板與頂板混凝土施工工藝，通過布置測溫點(diǎn)的方式對大體積混凝土施工過程進(jìn)行溫度監(jiān)控以防止裂縫產(chǎn)生。謝發(fā)祥等[4]介紹了采用EPC 模式的直線加速器機(jī)房設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了建設(shè)過程中的典型問題。林華敏等[5]通過調(diào)整混凝土配合比、添加專用減水劑和抗裂劑等措施，保證了多層疊加醫(yī)療加速器機(jī)房放射防護(hù)效果。艾叢陽等[6]基于地下空間工程大體積混凝土施工特征，論述了大體積混凝土的攪拌、運(yùn)輸、澆筑施工、振搗、泌水、養(yǎng)護(hù)、溫度控制和冬季施工等方面技術(shù)要點(diǎn)。耿建勛等[7]在某蓋挖逆作地下工程施工中，通過跳倉法施工、控制混凝土入模溫度、布設(shè)測溫點(diǎn)和蓄水養(yǎng)護(hù)等技術(shù)措施，避免了裂縫的大量產(chǎn)生。

目前對混凝土醫(yī)用直線加速器機(jī)房的研究，主要針對施工空間開闊、混凝土往上或同層輸送項(xiàng)目開展。而對于采用全逆作法施工的醫(yī)療建筑超深地下直線加速器機(jī)房，其施工空間狹小、混凝土向下輸送離析問題則少見報(bào)道。本文以湖南旺旺醫(yī)院醫(yī)療大樓擴(kuò)建工程（二期）為背景，介紹全逆作法超深醫(yī)療建筑地下直線加速器機(jī)房施工技術(shù)。

1 工程概況

湖南旺旺醫(yī)院醫(yī)療大樓擴(kuò)建工程（二期）項(xiàng)目總建筑面積16.59 萬m2，其中地下5.31 萬m2；地上建筑20層，地下建筑5 層、深30.7 m。項(xiàng)目位于市中心，經(jīng)研究采用全逆作法施工。-5F 西端的腫瘤治療中心設(shè)置10臺X 射線能量最高為15 MeV 的醫(yī)用電子直線加速器。

加速器機(jī)房占地面積1 386 m2，層高6.5 m，由南向和北向兩部分組成，平面布置如圖1、圖2 所示。墻體厚度分別為1 500、1 700、2 400 和3 000 mm 4 種，其中南向6 間機(jī)房墻體采用微膨脹內(nèi)摻纖維重晶石混凝土（砼密度達(dá)3 000 kg/m3），頂板采用普通微膨脹內(nèi)摻纖維混凝土，一體澆筑混凝土總量約為3 295 m3；北向4 間機(jī)房墻、頂板均采用普通微膨脹內(nèi)摻纖維混凝土，方量約為2 082 m3。

圖1 北向加速器機(jī)房平面及冷卻水管布置圖

圖2 南向加速器機(jī)房平面及冷卻水管布置圖

2 施工技術(shù)重難點(diǎn)

2.1 C40 重晶石混凝土配制

重晶石硬度為3~4，需通過合適的配比，克服容易破碎的特點(diǎn)，配制泵送性、初凝時間及強(qiáng)度滿足要求的防輻射混凝土。

2.2 超深輸送混凝土防離析技術(shù)

2.3 大體積混凝土施工裂縫控制

直線加速器機(jī)房墻體、頂板大體積混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)階段水化熱容易導(dǎo)致混凝土開裂。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 重晶石混凝土配制技術(shù)

重晶石混凝土采用密度大、含結(jié)合水多的重晶石碎石、重晶石砂等粗細(xì)骨料（主要成分為BaSO4·2H2O），以普通水泥作為膠凝材料，同時加入水、外加劑按一定配合比拌合形成防輻射混凝土。其表觀密度大，對X射線和γ 射線防護(hù)性能好。

3.1.1 原材料選用

水泥：采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，也可采用其他密度較大、耐熱性能好、低水化熱的水泥。

重晶石碎石、重晶石砂：表觀密度要求在4 300 kg/m3以上，其BaSO4含量不低于90%，內(nèi)含石膏或黃鐵礦的硫化物及硫酸化合物不超過7%，碎石含泥量小于等于1%。

外加劑：泵送劑、減水劑和膨脹劑質(zhì)量應(yīng)符合GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求。

指紋是指尖表面上交替分布的脊線和谷線圖案。指紋圖像有著許多不同于其它圖像的特點(diǎn)，其紋理性和方向性比較強(qiáng)，而指紋圖像的方向場代表了指紋的這種固有性質(zhì)。通過原始指紋圖像的紋理信息，求出每一個像素點(diǎn)的切線方向，就可以描繪出整幅指紋圖像的方向場圖，而方向場圖又為后續(xù)指紋圖像的濾波、特征提取奠定了基礎(chǔ)，故該方向場估算十分重要[12-13]。

拌制混凝土所使用的砂石需露天放置，降低骨料溫度，從而降低混凝土入模溫度。

3.1.2 混凝土質(zhì)量控制

由于本工程的直線加速器位于-5F，需要向下泵送，考慮到施工性能，坍落度宜控制在160~180 mm。

重晶石混凝土的制備與運(yùn)輸采用專礦開采，經(jīng)抽樣按規(guī)定送檢合格后，進(jìn)行混凝土試配，試配合格后，進(jìn)行訂貨加工開采，并送入商品混凝土廠家，重晶石砂、石進(jìn)場后采用2 個專用倉庫進(jìn)行堆放，備足材料，入庫后按規(guī)定取樣送檢，重晶石碎石、重晶石砂每200 m3取樣一次，并進(jìn)行二次試配，合格后才能大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)時設(shè)置2 條獨(dú)立生產(chǎn)線（一條生產(chǎn)，一條備用，其生產(chǎn)過程不能與其他混凝土共用生產(chǎn)線），重晶石容重大，運(yùn)輸罐車單車裝載量僅為普通混凝土的一半（普通運(yùn)輸車12 m3/車時，改用重晶石只能裝8 m3/車）；水化熱程度高，運(yùn)輸過程需對重晶石砼進(jìn)行一系列降溫處理。

3.2 超深輸送混凝土防離析及澆筑技術(shù)

項(xiàng)目采用全逆作法施工，先期完工的地下室及主樓使直線加速器機(jī)房施工空間受到限制，難以采用常規(guī)的“運(yùn)輸車+輸送泵”的組合形式完成澆筑；同時，機(jī)房位于-5F，混凝土輸送時容易產(chǎn)生離析。

為解決上述2 個問題，項(xiàng)目研發(fā)了一套超深輸送混凝土防離析技術(shù)，如圖3 所示。地下直線加速器機(jī)房1 所需的混凝土，由商品混凝土攪拌運(yùn)輸車2 送至地面料斗3，然后沿直卸導(dǎo)管4 往下垂直輸送。為防止垂直輸送產(chǎn)生離析，在-1F—-3F 設(shè)置防離析卸壓裝置5，裝置設(shè)計(jì)原理見相關(guān)參考文獻(xiàn)[8]。混凝土垂直輸送至-4F 后，由小方量混凝土攪拌運(yùn)輸車6 水平運(yùn)輸至輕型料斗7，經(jīng)橡膠軟管8 澆筑至工作面。

圖3 超深輸送混凝土防離析技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場情況，規(guī)劃澆筑線路如下所述。

加速器機(jī)房分二批施工，第一批次先施工南向6間機(jī)房，第二批次施工北向4 間機(jī)房，其南向6 間機(jī)房當(dāng)墻身重晶石砼澆筑超過頂板底上0.4 m 高時，換同標(biāo)號的頂板普通C40 混凝土；北向4 間機(jī)房墻、頂板均采用普通微膨脹內(nèi)摻纖維混凝土。第一批次采用3 臺輸送泵、1 個直卸點(diǎn)4 處下料布置，第二批次采用2 臺輸送泵、1 個直卸點(diǎn)3 處下料布置。南向采取3 臺輸送泵平分、北向采用2 臺輸送泵平分。

為防止混凝土輸送不及時形成冷縫，設(shè)立了混凝土養(yǎng)縫體系：場內(nèi)預(yù)留1~2 臺商品混凝土輸送車，在交通高峰期或堵管等情況下備用。商品混凝土輸送車內(nèi)混凝土經(jīng)直卸管送至-4F，由小型輸送車運(yùn)送至澆筑面，在混凝土未達(dá)到初凝時間進(jìn)行養(yǎng)縫。采用在老混凝土鋪蓋少量新混凝土延長初凝時間，以確保澆筑面不出現(xiàn)冷縫。

3.3 大體積混凝土施工溫度控制技術(shù)

混凝土溫度裂縫控制按照內(nèi)降溫、外保溫、強(qiáng)測溫原則進(jìn)行。

大體積混凝土施工溫度控制流程：熱工計(jì)算后選擇保溫材料、降溫水管及溫度傳感器布置設(shè)計(jì)→防護(hù)墻鋼筋綁扎階段進(jìn)行降溫水管及溫度傳感器安裝→防護(hù)墻3.6 m 高頂板以下內(nèi)模驗(yàn)收后進(jìn)行內(nèi)模外保溫安裝→頂板支模架及承載主梁安裝驗(yàn)收后進(jìn)行樓板板底保溫安裝→頂板鋼筋綁扎階段穿插頂板砼降溫水管安裝→防護(hù)墻外模驗(yàn)收后進(jìn)行外模保溫安裝→頂板高低跨模板驗(yàn)收后進(jìn)行高低跨外模保溫安裝→砼澆筑完成終凝后頂板頂外露部位采用磚砌反邊蓄水與加蓋薄膜、土工布相結(jié)合方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)→大體積砼凝固升溫完成后（14 d 后）拆除外模墻身保溫層→砼強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)要求后拆除頂板底保溫層及內(nèi)模保溫層→砼內(nèi)預(yù)埋降溫水管采用同配比同原材料進(jìn)行注漿封堵。

3.3.1 降溫水管布置

防護(hù)墻、頂板內(nèi)降溫采用Ф20×3 mm 鍍鋅鋼管按間距小于1 m，采用雙向進(jìn)出2 個回路布置通過自來水作降溫措施（圖1、圖2），結(jié)構(gòu)達(dá)強(qiáng)度后采用同防護(hù)墻標(biāo)號及密度水泥漿體進(jìn)行注漿回灌密實(shí)，墻體內(nèi)降溫水管豎向布置4 層，離樓面高度分別為0.8、1.8、2.8和3.8 m。頂板降溫水管在周邊設(shè)1 層，中心局部加厚設(shè)2 層，離頂板底部高度分別為0.9、1.9 m。

3.3.2 測溫傳感器埋設(shè)

北向機(jī)房共布設(shè)測溫點(diǎn)9 個，如圖4 所示，其中防護(hù)墻6 個（N1~N6），頂板3 個（N7~N9）；南向機(jī)房共布設(shè)測溫點(diǎn)12 個，如圖5 所示，其中防護(hù)墻9 個（S1~S9），頂板3 個（S10~S12）。防護(hù)墻內(nèi)測點(diǎn)高度為1.8 m，頂板內(nèi)布設(shè)高度為板頂、底部、中部。

圖4 北向機(jī)房測溫點(diǎn)布置

圖5 南向機(jī)房測溫點(diǎn)布置

3.3.3 外保溫方案

經(jīng)理論計(jì)算，采用70 mm 厚擠塑聚苯板（XPS）或200 mm 礦棉被進(jìn)行大體積混凝土保溫養(yǎng)護(hù)，其內(nèi)外溫差可控制在20 ℃內(nèi)。

本項(xiàng)目防護(hù)墻墻體外保溫采用木楞間隙、鋼雙肢背楞間隙用棉紗塞滿，背楞與背楞之間及背楞外側(cè)分別用60 mm 厚、40 mm 厚的聚苯乙烯擠塑板（B1 級XPS）。

頂板上保溫層單獨(dú)設(shè)置：澆筑完畢后，設(shè)置1 層塑料薄膜+2 層土工布+200 mm 礦棉被+磚砌320 mm 高反邊蓄水層。模板與木楞之間及木楞間隙用棉紗填充，高低跨側(cè)模保溫做法同墻身保溫，頂板上外露表層采用混凝土澆筑后敷蓋土工布后砌反邊蓄水養(yǎng)護(hù)。

4 技術(shù)效果

通過上述技術(shù)措施，成功配制出C40 重晶石混凝土，有效避免了輸送時混凝土離析以及澆筑溫度控制不當(dāng)引起的開裂。測點(diǎn)N4 和N7 溫度變化如圖6 所示。

圖6 測溫點(diǎn)N4 和N7 溫度變化

機(jī)房混凝土成品外觀質(zhì)量良好，如圖7 所示。

圖7 防護(hù)墻外觀質(zhì)量

5 結(jié)論

1）通過嚴(yán)選材料和合適配比設(shè)計(jì)，可克服重晶石容易破碎的特點(diǎn)，配制泵送性、初凝時間及強(qiáng)度滿足要求的C40 重晶石混凝土。

2）卸壓裝置有效解決了混凝土向下輸送過程因負(fù)壓產(chǎn)生離析的問題。

3）設(shè)置降溫水管、外包擠塑聚苯板和礦棉保溫、加強(qiáng)測溫監(jiān)控等措施，有效控制了混凝土內(nèi)部升溫和表外溫差，混凝土外表裂縫數(shù)量較少，滿足了抗裂要求。