全逆作建筑地下加速器機房混凝土施工技術

胡 佳，周建發，高 博，周立民，賀涇溪，袁翀昊

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

醫用直線加速器產生的高能射線，能有效殺死腫瘤細胞，達到治療癌癥的目的，是重要的醫療設備。

但是，高能射線容易造成輻射污染，必須具有可靠防護。混凝土價格合理，可塑性強，廣泛應用于核電站、醫用射線室等的輻射防護[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計、模板設計、溫度裂縫控制等問題，增加了施工難度和風險，是行業技術研究和工程應用關注的重點。

劉霞[2]對不同地區和不同性質重晶石進行了防輻射混凝土性能的影響試驗，配制了密度范圍在3 000 ～4 000 kg/m3，強度范圍在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進行了試驗研究，得出力學性能好、射線防護性能強的最優化配合比。馮錦華等[3]在混凝土直線加速器室施工中，重點研究了底板、墻板與頂板混凝土施工工藝，通過布置測溫點的方式對大體積混凝土施工過程進行溫度監控以防止裂縫產生。謝發祥等[4]介紹了采用EPC 模式的直線加速器機房設計、施工關鍵技術，總結了建設過程中的典型問題。林華敏等[5]通過調整混凝土配合比、添加專用減水劑和抗裂劑等措施，保證了多層疊加醫療加速器機房放射防護效果。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、運輸、澆筑施工、振搗、泌水、養護、溫度控制和冬季施工等方面技術要點。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、布設測溫點和蓄水養護等技術措施，避免了裂縫的大量產生。

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

1 工程概況

湖南旺旺醫院醫療大樓擴建工程（二期）項目總建筑面積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。項目位于市中心，經研究采用全逆作法施工。-5F 西端的腫瘤治療中心設置10臺X 射線能量最高為15 MeV 的醫用電子直線加速器。

加速器機房占地面積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 間機房墻體采用微膨脹內摻纖維重晶石混凝土（砼密度達3 000 kg/m3），頂板采用普通微膨脹內摻纖維混凝土，一體澆筑混凝土總量約為3 295 m3；北向4 間機房墻、頂板均采用普通微膨脹內摻纖維混凝土，方量約為2 082 m3。

圖1 北向加速器機房平面及冷卻水管布置圖

圖2 南向加速器機房平面及冷卻水管布置圖

2 施工技術重難點

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，配制泵送性、初凝時間及強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

2.3 大體積混凝土施工裂縫控制

直線加速器機房墻體、頂板大體積混凝土澆筑及養護階段水化熱容易導致混凝土開裂。

3 關鍵施工技術

3.1 重晶石混凝土配制技術

重晶石混凝土采用密度大、含結合水多的重晶石碎石、重晶石砂等粗細骨料（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、減水劑和膨脹劑質量應符合GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規范》的相關要求。

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，其紋理性和方向性比較強，而指紋圖像的方向場代表了指紋的這種固有性質。通過原始指紋圖像的紋理信息，求出每一個像素點的切線方向，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指紋圖像的濾波、特征提取奠定了基礎，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輸采用專礦開采，經抽樣按規定送檢合格后，進行混凝土試配，試配合格后，進行訂貨加工開采，并送入商品混凝土廠家，重晶石砂、石進場后采用2 個專用倉庫進行堆放，備足材料，入庫后按規定取樣送檢，重晶石碎石、重晶石砂每200 m3取樣一次，并進行二次試配，合格后才能大批量生產，生產時設置2 條獨立生產線（一條生產，一條備用，其生產過程不能與其他混凝土共用生產線），重晶石容重大，運輸罐車單車裝載量僅為普通混凝土的一半（普通運輸車12 m3/車時，改用重晶石只能裝8 m3/車）；水化熱程度高，運輸過程需對重晶石砼進行一系列降溫處理。

3.2 超深輸送混凝土防離析及澆筑技術

項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房施工空間受到限制，難以采用常規的“運輸車+輸送泵”的組合形式完成澆筑；同時，機房位于-5F，混凝土輸送時容易產生離析。

為解決上述2 個問題，項目研發了一套超深輸送混凝土防離析技術，如圖3 所示。地下直線加速器機房1 所需的混凝土，由商品混凝土攪拌運輸車2 送至地面料斗3，然后沿直卸導管4 往下垂直輸送。為防止垂直輸送產生離析，在-1F—-3F 設置防離析卸壓裝置5，裝置設計原理見相關參考文獻[8]。混凝土垂直輸送至-4F 后，由小方量混凝土攪拌運輸車6 水平運輸至輕型料斗7，經橡膠軟管8 澆筑至工作面。

圖3 超深輸送混凝土防離析技術

根據現場情況，規劃澆筑線路如下所述。

加速器機房分二批施工，第一批次先施工南向6間機房，第二批次施工北向4 間機房，其南向6 間機房當墻身重晶石砼澆筑超過頂板底上0.4 m 高時，換同標號的頂板普通C40 混凝土；北向4 間機房墻、頂板均采用普通微膨脹內摻纖維混凝土。第一批次采用3 臺輸送泵、1 個直卸點4 處下料布置，第二批次采用2 臺輸送泵、1 個直卸點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，設立了混凝土養縫體系：場內預留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混凝土經直卸管送至-4F，由小型輸送車運送至澆筑面，在混凝土未達到初凝時間進行養縫。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冷縫。

3.3 大體積混凝土施工溫度控制技術

混凝土溫度裂縫控制按照內降溫、外保溫、強測溫原則進行。

大體積混凝土施工溫度控制流程：熱工計算后選擇保溫材料、降溫水管及溫度傳感器布置設計→防護墻鋼筋綁扎階段進行降溫水管及溫度傳感器安裝→防護墻3.6 m 高頂板以下內模驗收后進行內模外保溫安裝→頂板支模架及承載主梁安裝驗收后進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→防護墻外模驗收后進行外模保溫安裝→頂板高低跨模板驗收后進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、土工布相結合方式進行養護→大體積砼凝固升溫完成后（14 d 后）拆除外模墻身保溫層→砼強度達設計要求后拆除頂板底保溫層及內模保溫層→砼內預埋降溫水管采用同配比同原材料進行注漿封堵。

3.3.1 降溫水管布置

防護墻、頂板內降溫采用Ф20×3 mm 鍍鋅鋼管按間距小于1 m，采用雙向進出2 個回路布置通過自來水作降溫措施（圖1、圖2），結構達強度后采用同防護墻標號及密度水泥漿體進行注漿回灌密實，墻體內降溫水管豎向布置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1 層，中心局部加厚設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

北向機房共布設測溫點9 個，如圖4 所示，其中防護墻6 個（N1~N6），頂板3 個（N7~N9）；南向機房共布設測溫點12 個，如圖5 所示，其中防護墻9 個（S1~S9），頂板3 個（S10~S12）。防護墻內測點高度為1.8 m，頂板內布設高度為板頂、底部、中部。

圖4 北向機房測溫點布置

圖5 南向機房測溫點布置

3.3.3 外保溫方案

經理論計算，采用70 mm 厚擠塑聚苯板（XPS）或200 mm 礦棉被進行大體積混凝土保溫養護，其內外溫差可控制在20 ℃內。

本項目防護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）。

頂板上保溫層單獨設置：澆筑完畢后，設置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護。

4 技術效果

通過上述技術措施，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引起的開裂。測點N4 和N7 溫度變化如圖6 所示。

圖6 測溫點N4 和N7 溫度變化

機房混凝土成品外觀質量良好，如圖7 所示。

圖7 防護墻外觀質量

5 結論

1）通過嚴選材料和合適配比設計，可克服重晶石容易破碎的特點，配制泵送性、初凝時間及強度滿足要求的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壓產生離析的問題。

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