CAP1000核島底板大體積混凝土冬期施工技術

摘要：CAP1000核電站核島基礎底板為超薄異型鋼筋混凝土結構，由于其形狀復雜、尺寸龐大、采用變截面設計并且預留孔洞眾多，因此在施工中易產生應力集中現象，增加了混凝土裂縫的控制難度，尤其在冬期施工環境下，混凝土裂縫更難控制。文章采用暖棚加熱養護法，有效改善了冬期混凝土澆筑與養護環境。通過實施全過程的保溫措施，減少混凝土在運輸、泵送及布料過程中的熱量損失；同時，通過設置系統的溫濕度和應力監控裝置，對養護過程進行科學監測與合理控制，很好地解決了超薄異型底板大體積混凝土在冬期施工中的技術難題。

關鍵詞：核島底板；大體積混凝土；暖棚養護；裂縫控制

中圖分類號：TU37" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）08-0077-04

0 引言

當今的核電站建設中，核島基礎底板等結構廣泛采用大體積混凝土施工。大體積混凝土具有結構厚重、澆筑量大、水化熱釋放集中、施工環境復雜及技術要求嚴苛等特點，這些因素相互作用，從而極大地增大了混凝土開裂的風險［1］。在冬季施工期間，由于基層與大氣溫度降低，加劇了混凝土內外溫差，進一步提高了裂縫產生的風險。周國忠［1］探討了大體積混凝土在施工過程中的技術要點和質量控制措施，指出施工技術及質量控制對于保證大體積混凝土結構的穩定性和耐久性具有關鍵作用。李東磊［2］針對嚴寒地區大體積混凝土澆筑問題，利用有限元模擬并分析不同工況下大體積混凝土結構溫度場及其隨時間變化的規律，提出了有效的溫控防裂施工措施。李帥［3］詳細分析了筏板基礎大體積混凝土溫度裂縫的計算和施工技術，總結出一套能有效防止溫度裂縫的措施和方法。目前，對于核島超薄異型底板大體積混凝土冬期施工裂縫控制問題，仍缺乏實踐研究，為解決該問題，迫切需要研究一種新型施工工藝。本文基于CAP1000型核電站核島超薄異型基礎筏板大體積混凝土在冬期施工的研究與實踐，采用了暖棚法施工工藝，旨在改善施工環境、減少混凝土熱量損失。通過布設蒸汽暖管系統實現供暖，并結合科學系統的混凝土溫度與應力監控體系［3］，解決了核島底板大體積混凝土在冬期施工中易出現裂縫的難題。

1 工程概況

CAP1000核島基礎底板平面圖見圖1。該底板采用鋼筋混凝土結構，其厚度為1.829 m，長度為78.029 m，寬度則根據位置而有所不同，兩側寬度分別為27.737 m和35.814 m，中間最寬處達49.100 m，總面積為3 015 m2。底板中心處有一條正十六邊形的凹陷區域，凹陷處的底板厚度為1.220 m，其內切圓半徑為11.582 m。底板混凝土采用C35粗骨料混凝土（防滲等級強度為P6）。底板下方設有混凝土墊層。底板澆筑作業在冬期進行，當地冬期大氣溫度通常低至-11.7 ℃，極端情況下可達-15 ℃。

2 方案選擇

2.1 研究思路

冬期施工條件下，影響底板混凝土施工質量的主要因素及應對措施如下。

影響因素一：混凝土入模溫度控制。根據《混凝土結構工程施工規范》（GB 50666—2011）和設計要求，混凝土入模溫度不得低于5 ℃。擬采取的技術措施如下：綜合考量攪拌、運輸、泵送、布料等環節的熱量損失，精確計算并控制混凝土攪拌和卸料溫度，同時采取有效的保溫措施，減少熱量散失［2］。

影響因素二：基層與養護溫度管理。基層和養護溫度均需維持正溫，防止混凝土在達到允許受凍臨界強度前受凍。擬采取的技術措施如下：設置封閉暖棚，配備供暖設施和濕度控制設備，動態監測并調整棚內溫濕度環境，優化混凝土養護條件。

影響因素三：底板結構復雜性與裂縫控制。底板結構存在變截面、預留孔洞和邊角區域，易導致應力集中，增加裂縫產生風險，并且裂縫控制難度大。擬采用的技術措施如下：埋設傳感器，搭建實時監控系統，實時掌握混凝土關鍵部位的溫度應力和應變狀態，動態調整覆蓋層厚度及養護棚的保溫和保濕條件，利用溫度應力、應變與收縮應變的協調變形，合理調整混凝土的受拉區域和拉應變峰值，確保混凝土拉應力低于其抗拉強度，從而有效預防裂縫產生。

2.2 實施方案

2.2.1 混凝土入模溫度控制

選擇氣溫較高的時段開始澆筑作業，適當提升攪拌站混凝土的出機溫度，確保冬季施工時混凝土的入模溫度不低于5 ℃。同時，對罐車罐體及泵車泵管進行保溫包裹處理，以減少混凝土在運輸過程中的熱量損失。

2.2.2 暖棚法施工布置

澆筑混凝土前，于底板結構西南側外擴1.5 m處至東側混凝土回填體邊線范圍內，搭建長約80 m、寬約50 m的暖棚。暖棚采用滿堂腳手架作為骨架，并在基坑周邊設置連墻件，立桿間距為2.5 m，橫桿步距為1.8 m。暖棚東側高度設定為4.5 m，檐口高度控制在3～3.5 m，采用單側坡屋面自東向西傾斜設計。

在暖棚內布設蒸汽暖管系統，主管道進入暖棚后分為兩路循環布置，每路管道均采用倒“U”形彎設計，以補償熱膨脹。暖棚的西、南、北側蒸汽管道鋪設于底板模板與暖棚三防布之間，東側管道架設于底板混凝土表面，中部配備方形補償器。管道末端統一布設在暖棚南側。兩路蒸汽管道均分3層設置，自底板頂面約500 mm處向上鋪設，層間間距控制在15～40 cm。暖氣管道布置示意圖見圖2。

2.2.3 溫度應力監控

測溫點的布置集中在溫度變化大、熱量散失快、易受環境溫度波動影響的區域，以及絕熱溫升大和可能產生較大收縮應力的部位。對于底板凸出、凹陷、孔洞等較多的不規則部位，需特別增加這些敏感處的測溫點密度。

將用于監測混凝土內部溫度和應變的傳感器沿厚度方向分上、中、下3層布置，配置87臺溫度傳感器和63臺應變傳感器。其中，上、下兩層傳感器距離各層表面5～10 cm，中間層傳感器的布設則位于混凝土厚度的中間位置。此外，在混凝土外表面的養護膜內布置5個溫度測點，在大氣環境和暖棚內部各布置2個溫度測點。同時，在混凝土內部布置3套零應力傳感器。底板溫控測點分布圖見圖3。

3 施工工藝

3.1 暖棚搭設

暖棚架體采用滿堂扣件式腳手架進行搭設，外部使用三防布進行封閉處理。由于架體立桿的根部需超出底板的結構頂面，因此在正式搭設架體前，必須先安裝好架體支架。暖棚搭設流程如下：安裝架體支架→搭設架體結構→設置架體內通道→封閉架體（設置混凝土下料口）。

3.1.1 安裝架體支架

支架安裝整體采用錯接的方式進行鋼筋焊接。立柱選用直徑32 mm的鋼筋，放置于預先設置的墊層留孔內，留孔孔徑為35 mm，深度為100 mm。橫桿選用直徑為25 mm的鋼筋，剪刀撐采用直徑為18 mm的鋼筋，立柱和橫桿均沿縱橫方向全長布置。橫桿與立柱之間以及上部腳手架立桿橫托鋼筋與鋼筋立柱之間的連接，均采用直徑為14 mm的鋼筋彎鉤進行雙面焊接，焊接長度不小于70 mm。

3.1.2 搭設架體結構和內通道

按照施工規范搭設滿堂腳手架，根據坡面的坡度走向調整立桿高度，采用鋼管配合頂托的方法調整立桿的接長，用鐵絲將頂棚橫桿與頂托綁扎牢固。滿堂腳手架的主體框架搭建完成后，設置剛性連墻件。確保這些連墻件與基巖坡面的連接牢固，需將直徑為25 mm、長450 mm的鋼筋打入巖體至少300 mm，隨后用水泥砂漿灌孔。將腳手架立桿套入已植入基巖的鋼筋短頭上，并用鋼管將兩者緊密相連。

暖棚內設置通道，以便配合現場混凝土澆筑作業。如果遇到墻體插筋位置，需搭設過墻爬梯，以確保通道使用順暢。通道采用跳板鋪設，寬度設為0.5 m，鋪設于上層抗裂鋼筋之上，并使用鐵絲綁扎牢固。拆除通道時，需隨混凝土澆筑方向由南向北逐步拆除。現場可根據實際情況適當調整通道布局，以便于施工。

3.1.3 封閉架體與設置混凝土下料口

架體頂部采用跳板作為支撐骨架，其上鋪設三防布。跳板由東向西鋪設，鋪設間距為1.25 m，并且將跳板固定于相同間距的鋼管之間。跳板與鋼管的連接采用12#鐵絲綁扎，注意預留的混凝土下料口位置不鋪設跳板。三防布鋪設于跳板之上，通過木條與跳板進行釘固。為增強暖棚結構的穩定性，每隔2.5 m設置一道纜風繩，并通過打地錨的方式將其斜拉固定于邊坡基巖或混凝土結構上。

混凝土下料口按5 m×5 m的間距設置，預留的保溫層洞口尺寸為2.5 m×1.1 m，該尺寸可根據實際施工需要進行微調。下料口設計應凸出棚頂1.2 m，周邊鋪設三防布。澆筑混凝土時，揭開對應位置的三防布后，設置泵車軟管下料口［4］。

3.2 暖氣管道的安裝

3.2.1 采暖系統布置原則

①采暖系統采用廠區的低壓蒸汽為熱媒，系統壓力維持在0.3 MPa，熱媒溫度設定為120 ℃。在暖棚內，當環境溫度從-15 ℃升至5 ℃時，所需熱負荷為369.07 kW［5］。②暖棚引入的蒸汽主管道采用[?]108×4 mm的無縫鋼管，棚內主管道采用[?]89×4 mm的無縫鋼管。引入蒸汽的主管道及其分支管均安裝了截止閥，以控制管內的蒸汽量。棚內設置溫度計，根據溫度情況調節閥門開度，確保棚內溫度維持在5 ℃以上。③棚外直埋管道采用塑套鋼聚氨酯發泡保溫鋼管，以增強保溫效果。采用地上架空的明敷方式引入主管道，管道保溫層外殼與地面的凈距離保持在0.5～1.0 m。固定支架墩采用混凝土結構，最大墩跨為30 m，并且使用焊接角鋼固定管道。④對基坑外側的主管道進行防腐保溫處理。使用50 mm厚的巖棉保溫管包裹管道，該保溫材料導熱系數為0.029～0.046 W/m·k，包裹層外還需加1 mm厚的防腐鋁保護層。在管道系統中，針對龍門彎等處增設疏水閥，以防止凝結水積聚影響供暖效果。同時，在管道區域安裝鋼絲網防護設施，以防止作業人員意外接觸高溫管道造成燙傷。暖棚通道口處的管道同樣采用50 mm厚的巖棉保溫管進行保溫處理［6］。

3.2.2 采暖管安裝具體要求

①架空管道的安裝要求。選用Q235材質的無縫鋼管作為暖氣管道，主管道的安裝需在固定支架和活動支架安裝完成后進行。支架安裝牢固后，進行架空管道的鋪設與安裝。②管道焊縫的位置選擇。鋼管及容器上的焊縫布置需遵循便于焊接、檢驗及后續維修的原則，避免焊縫位于應力集中區域。所有焊縫均須按照規定進行檢測。③疏水器的安裝要點。疏水器應安裝在便于維修的地方，并盡量靠近熱設備的凝結水排出口下方。為便于蒸汽管道排出疏水，疏水器應安裝在低于管道的位置。④進行水壓試驗。供熱管網工程施工完成后，嚴格按照設計要求進行強度試驗和嚴密性試驗。⑤進行管道沖洗。管道在試壓合格后方可進行沖洗，采用自來水連續沖洗，確保沖洗水量充足。管道沖洗完成后，需及時將管道內的水排盡。

3.2.3 暖棚室內溫度控制

①暖棚升溫階段。于底板混凝土澆筑作業之前，打開暖氣管道各閥門，啟動供暖系統，將暖棚的室內溫度提升至5 ℃以上。②暖棚溫控階段。在暖棚四角、圓弧段中部及底板中心位置，距離底板混凝土表面150 cm高處，均勻布設6個溫度計。每日至少記錄4次溫度，以便監測棚內溫度狀況。在混凝土澆筑及養護期間，維持棚內溫度在5～10 ℃，直至養護作業結束。③調控措施。采暖系統啟動初期，采取緩慢加熱的方式使管道溫度升至工作溫度，以減少熱應力和機械應力的影響。調節進汽主閥門的開啟大小，緩慢供給蒸汽，并將系統末端的排汽閥調至全開狀態；結合進汽主閥門與末端排汽閥的開度調節，靈活控制系統蒸汽流量與溫度，確保溫度穩定在5～10 ℃。

3.3 溫度應力監測

3.3.1 傳感器設置

傳感器需穩固安裝于底板鋼筋之上，并設置明顯標記。傳感器的引出線及其延長線路應盡可能沿鋼筋走向布置，需確保走線橫平豎直。在混凝土澆筑及養護期間，必須采取妥善的保護措施，防止對傳感器及其線路造成損害。

3.3.2 數據監測

采用自動監測系統對底板的162個測點進行同步監控。溫度采集器技術參數設置如下：溫度測試范圍為-10～1 000 ℃；溫度分辨率為0.5 ℃；數據采集從混凝土澆筑持續至養護結束，數據可以設置每30 min自動采集一次。電腦接收到數據后進行計算并實時顯示，顯示的方式有數據直觀顯示和動態曲線展示兩種。監測系統具備全屏顯示功能，既可同步顯示所有測點的實時溫度數據，也可展示24 h內各測點的溫度變化曲線。測溫原始數據需及時整理歸檔，并且繪制測溫曲線圖，形成詳盡的成果分析報告。

3.3.3 超限情況處理

底板大體積混凝土溫控防裂的相關控制參數如下：澆筑體內的約束應變不超過200 με；澆筑體入模溫升值在50 ℃以內；澆筑體里表溫差不超過25 ℃；澆筑體降溫速率限制在2 ℃/d內。同時，保持澆筑體表面與大氣環境的溫差在20 ℃以下。在養護過程中，若應變或溫度監控數據超出上述任一控制參數的閾值，在確保混凝土處于適宜濕度養護條件的同時，則遵循以下順序排查超限原因：測試主機系統是否存在故障→測試通道是否異常→測試傳感器是否損壞→測試現場測點所處環境是否異常→測試數據本身是否超限。一旦確認數據超限屬實，則立即分析超限的具體原因，并評估其對混凝土結構性能可能產生的影響程度。基于評估結果，采取針對性的應對措施。

4 施工重難點控制

4.1 暖棚內溫度控制

暖棚內環境溫度必須穩定在5～10 ℃，直到養護作業結束。此過程需合理估算并補償因暖氣管傳輸效率、棚體縫隙及潛在的熱量損失等因素導致的熱量散失。因此，需合理選擇管材及管材外的保溫圍護結構材料，同時制訂應急預案以應對蒸汽供暖中斷等突發情況。選擇管材及管材外的保溫圍護結構材料時，應分別計算暖棚耗熱量及蒸汽耗量，并計算蒸汽管的長度，確定合理的管材及管材外的保溫圍護結構材料。進行供暖系統熱負荷計算時，需總體考慮以下關鍵因素：圍護結構自身傳熱、棚體縫隙滲入室外空氣所吸收的熱量以及通過外門、外圍護結構等非密封區域流入的室外空氣吸收熱量。

4.2 集中應力產生裂縫的防治

核島基礎底板為不規則的異型結構，其形狀復雜、尺寸龐大，并且包含多個變截面及結構邊角，易導致應力集中現象。加之底板施工正值冬季，外部環境溫度低，內外溫差大，進一步加劇了混凝土在養護過程中溫度場和應力場的不均勻分布，從而增加了裂縫產生的風險。施工前在結構的截面與邊角區域增設溫度及應力監控裝置。采用有限元分析法，提前模擬并計算出施工各階段的溫度應力場分布情況，一旦發現溫度應力場出現異常預警，即混凝土自約束拉應力超過相應齡期下的抗拉強度值時，則立即調整計算模型中的熱學參數，通過調整養護參數、增加抗裂鋼筋網等方式，增強混凝土的抗拉能力，降低自約束拉應力，從而避免裂縫的產生［7］。

5 結語

本文結合CAP1000核島底板大體積混凝土在冬期施工中的實踐研究，通過實施一系列優化改進措施，包括施工環境優化、混凝土入模前熱量控制以及施工后科學且系統的監控等，很好地解決了薄板異型結構大體積混凝土在低溫條件下施工的諸多困難。這些優化策略不僅有效降低了施工質量風險，還顯著提升了施工效率與綜合效益，為后續類似工程項目提供了實踐參考與經驗借鑒。

6 參考文獻

［1］周國忠.大體積混凝土施工技術及質量控制要點［J］.石油化工技術與經濟，2024，40（1）：35-39.

［2］李東磊.嚴寒地區大體積混凝土溫度場模擬及控制措施研究［D］.北京：北京交通大學，2011.

［3］李帥.建筑工程中筏板基礎大體積混凝土溫度裂縫計算及施工技術［J］.科技創新與應用，2024，14（5）：156-159.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部，國家市場監督管理總局.大體積混凝土施工標準：GB 50496—2018［S］.北京：中國建筑工業出版社，2018.

［5］國家質量技術監督局，中華人民共和國建設部.工業金屬管道設計規范（2008年版）：GB 50316—2000［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［6］中華人民共和國住房和城鄉建設部.城鎮供熱管網工程施工及驗收規范：CJJ 28—2014［S］.北京：中國建筑工業出版社，2014.

［7］中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑工程冬期施工規程：JGJ/T 104—2011［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.