大口徑垂直頂升取水構(gòu)筑物在三門核電工程中的運(yùn)用

尤雪娣

(華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200063)

三門核電是我國(guó)全面引進(jìn)美國(guó)西屋公司開(kāi)發(fā)的第三代壓水堆核電技術(shù)AP1000機(jī)組工程，三門核電規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)125萬(wàn)kW的核電機(jī)組，總裝機(jī)容量為750萬(wàn)kW，分三期建設(shè)。一期工程兩臺(tái)機(jī)組是國(guó)務(wù)院于2004年7月21日批準(zhǔn)實(shí)施的全球首個(gè)AP1000核電自主化依托項(xiàng)目，是中美兩國(guó)最大的能源合作項(xiàng)目，于2009年4月19日正式開(kāi)工，計(jì)劃于2013年和2014年先后建成發(fā)電。

三門核電一期取水工程在國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域首次采用盾構(gòu)法取水隧道加垂直頂升法取水施工工藝、其尺寸為目前電廠盾構(gòu)法取排水工程之最。三門核電一期盾構(gòu)法取水隧道的成功運(yùn)用，為今后類似工程的設(shè)計(jì)拓寬了思路，具有很好的借鑒意義。

1 工程概況

三門核電廠位于浙江省東部、臺(tái)州地區(qū)的三門縣境內(nèi)，三門灣南岸貓頭山東北的大路灣——貓頭山嘴一帶，距南面健跳鎮(zhèn)6km，距三門縣城26km，距寧波市83km。貓頭山嘴呈東西走向，三面環(huán)海，西面背靠貓頭山脈，向東偏北呈半島狀，綿延達(dá)2.5km，寬約100m～500m，伸入貓頭水道。東面和北面海域水深較大，在東面和北面分別形成兩個(gè)大小不同的深潭，北面較小的稱為小深潭，東面較大的稱為大深潭。

2 取水隧道工程外部條件

2.1 地形地貌

場(chǎng)地地貌單元屬于浙東丘陵濱海島嶼區(qū)，為天臺(tái)山脈余脈，屬山前濱海海積地貌。除近海岸地區(qū)為回填片石外，其余均為泥質(zhì)海灘，近海岸區(qū)地面標(biāo)高0.6m～4.87m。取水勘察區(qū)地面標(biāo)高為-13.91m～3.40m。取水構(gòu)筑物位于廠區(qū)東北側(cè)深潭內(nèi)-15.0m等深線附近。

2.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報(bào)告，地層巖性自上而下分述如下：

①-1回填片石(Q4ml)：松散～稍密狀，具明顯的大孔隙比特征，均勻性較差，為新近廠區(qū)山體土石方開(kāi)挖回填而成，塊石含量大于80%，最大粒徑大于500mm，厚度0.90m～6.00m，層底埋深0.90m～6.00m。

②-4流泥(Q4m)：流動(dòng)狀，含少量有機(jī)質(zhì)，厚度1.70～6.50m，層底埋深3.30m～6.50m。

②淤泥(Q4m)：流塑，厚度3.30m～15.90m，層底埋深9.30m～20.40m。

③-1粘土(Q4m)：局部為淤泥質(zhì)粘土，夾薄層粉砂，含有少量貝殼碎片，局部見(jiàn)有腐殖質(zhì)，流塑～軟塑。厚度1.30m～4.90m，層底埋深14.50m～25.00m。

④粉砂(Q4m)：局部為中砂，夾薄層粉粘，分選性一般，并混有淤泥，松散～稍密。厚度0.50m～6.60m，層底埋深16.00m～20.10m。

⑤粘土(Q3ml+m)：局部為粉質(zhì)粘土，夾薄層細(xì)砂，厚度2.70m～11.40m，低層埋深15.90～29.90m。

⑥粘土(Q3ml)：局部為粉質(zhì)粘土，夾薄層粉砂、粉質(zhì)粘土，厚度9.55m～27.65m，層底埋深39.45m～45.90m。

第1-4層流泥、第2層淤泥及第3-1層粘土為欠固結(jié)土，具高壓縮性。其余為正?！探Y(jié)土，具中等壓縮性。取水口區(qū)域盾構(gòu)隧道坐落在⑥粘土層和局部④粉砂層上，取水構(gòu)筑物垂直頂升涉及地層自下而上為③-1粘土層、②淤泥層、①-4流泥層，上面兩層的流泥和淤泥質(zhì)土性差，力學(xué)性能參數(shù)低，土體受到擾動(dòng)后土性參數(shù)迅速降低。

2.3 水文氣象

2.3.1 潮位

表1 廠址水文氣象特征值

2.3.2 潮流流速

在核電廠址周圍鄰近水域布設(shè)的N16水文測(cè)站實(shí)測(cè)最大漲、落潮流流速(流向)如下表：

表2 核電廠周圍水域?qū)崪y(cè)最大漲、落潮流流速(cm/s)、流向(o)統(tǒng)計(jì)

2.4 場(chǎng)地類別

擬建場(chǎng)地抗震防設(shè)烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本加速度為0.05g，取水隧道場(chǎng)地類別為Ⅲ～I(xiàn)V類，取水隧道與循環(huán)水泵房銜接段為Ⅱ類，取水構(gòu)筑物屬Ⅳ類場(chǎng)地。

3 多點(diǎn)式大口徑垂直頂升法取水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)方案

根據(jù)AP1000機(jī)組的特點(diǎn)，三門核電一期工程循環(huán)水系統(tǒng)建(構(gòu))筑物屬非核安全物項(xiàng)，按常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)使用年限為60年。

三門核電一期冷卻水采用海水直流循環(huán)供水系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水取自三門灣大深潭海水。電廠取水工程冷卻水量主要用于汽機(jī)凝汽器的冷卻水系統(tǒng)和輔機(jī)的冷卻水系統(tǒng)的供水水源、核島服務(wù)水(非安全級(jí))、以及海水淡化車間原水，用水量較大。以往火電廠工程常用的最大內(nèi)徑4840mm盾構(gòu)法取排水隧道、截面尺1.9m×1.9m的垂直頂升立管、以及直徑為3.5m的取水構(gòu)筑物，不能滿足AP1000機(jī)組循環(huán)水用水量的要求。

三門核電一期工程每臺(tái)機(jī)組需配置一根直徑6200mm的自流引水管，引水管由循環(huán)水進(jìn)水隧道和取水構(gòu)筑物組成。隧道起點(diǎn)中心標(biāo)高為-14.00m，然后向下以1.81%的縱向坡度向前推進(jìn)，至垂直頂升段改為平直線，終端隧道中心標(biāo)高為-27.00m。1#機(jī)取水管線長(zhǎng)1025m，平面轉(zhuǎn)彎半徑為700m，2#機(jī)取水管線長(zhǎng)968m，平面轉(zhuǎn)彎半徑為550m。一期工程采用多點(diǎn)式取水方案，每根取水隧道端部設(shè)置8只取水構(gòu)筑物，每個(gè)垂直頂升立管截面尺寸為2.44m×2.44m，取水構(gòu)筑物直徑為4.5m。

盾構(gòu)法取水隧道垂直頂升段平剖面圖，如圖1、圖2所示。

圖1 垂直頂升段平面圖

圖2 垂直頂升段剖面圖

多點(diǎn)式取水由盾構(gòu)法隧道取水管末端布置的多個(gè)方形鋼筋混凝土垂直頂升立管和多個(gè)圓形鋼制取水構(gòu)筑物組成。垂直頂升管施工位于已建隧道內(nèi)，鋼制取水構(gòu)筑物在陸地制作完成，在水下就位安裝。這種施工方式具有①能適應(yīng)復(fù)雜的場(chǎng)地條件及軟弱地基條件；②水下施工可不影響航道通航，也不受潮汐、風(fēng)浪、氣候變化等自然條件的影響，使垂直頂升能夠“全天候”施工，避免了大量水上作業(yè)的難度；③現(xiàn)場(chǎng)施工工期較短，扣除準(zhǔn)備工作時(shí)間，基本上兩天就能完成一只垂直頂升立管的施工；④工程投資和施工措施費(fèi)用較單點(diǎn)式取水構(gòu)筑物低等特點(diǎn)。

立管采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、分節(jié)制作、分節(jié)頂進(jìn)，每根立管由九節(jié)管節(jié)組成，管節(jié)截面尺寸為2.44m×2.44m管節(jié)，兩端設(shè)連接內(nèi)法蘭，用螺栓相互連接。立管埋置于土中的管身均位于①-4流泥和②淤泥土中，這部分土質(zhì)土性極為軟弱，對(duì)立管的垂直頂升有利，但對(duì)抵抗水流產(chǎn)生的水平作用力不利。設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，對(duì)三門電廠盾構(gòu)法隧道垂直頂升立管結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。經(jīng)研究，由于立管裸露在海水中的部分并不多，立管受到海流作用力相對(duì)隧道及立管結(jié)構(gòu)本身而言相當(dāng)小，從變形方面考慮，只需設(shè)置0.6m厚的拋石即可使立管幾乎不發(fā)生水平位移，考慮到水流對(duì)取水立管的長(zhǎng)期沖刷作用，為保證其安全穩(wěn)定，研究建議待立管頂升完成后，先挖除表面2m左右的淤泥，然后水下鋪一層軟體排，最后在立管周圍拋2.0m厚塊石，以滿足防沖刷和抗位移的要求。

垂直頂升立管上部安裝鋼制取水構(gòu)筑物，鋼制取水構(gòu)筑物直徑為4.5m，采用水上吊運(yùn)沉放法。取水構(gòu)筑物預(yù)先在陸上制作好，運(yùn)至吊裝海域，然后將取水構(gòu)筑物安裝在立管上，取水構(gòu)筑物與立管頂頭管節(jié)通過(guò)法蘭連接。

4 垂直頂升施工工藝流程

垂直頂升工藝適用于飽和含水的粘性土或砂性土等不同軟土地層中進(jìn)行施工，主要用于沿海、沿江的取排水隧道工程。 垂直頂升法施工位于已建好的隧道內(nèi)部，將預(yù)制管節(jié)連接在隧道頂升開(kāi)口管片上，將開(kāi)口管片與管節(jié)采用特殊螺栓連接好，管節(jié)就位后，拆去開(kāi)口管片與隧道襯砌的連接螺栓，依靠液壓油缸把管節(jié)垂直向上頂出，按由里向外的順序逐根頂出。每條垂直頂升管節(jié)由1節(jié)底座管節(jié)、1節(jié)頂頭管節(jié)和7節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)組成，并配有一個(gè)轉(zhuǎn)向法蘭。在每節(jié)的頂升過(guò)程中，管節(jié)之間采用螺栓連接，使管節(jié)垂直頂入土中，待工程全部完成后，在水下揭去開(kāi)口管片，安裝上取水構(gòu)筑物，形成取水通道。

垂直頂升施工工藝主要流程為：隧道底部加固→止水裝置安裝→立管頂升施工→底座管節(jié)連接處理→鋼取水構(gòu)筑物安裝→水下保護(hù)拋石整平等。

4.1 隧道底部加固

垂直頂升在立管處隧道將受集中荷載，該處荷載組以電氣施工設(shè)備荷載、管節(jié)自重、正面土壓力、管壁摩阻力、水壓力等組成。一期工程立管尺寸較以往電廠工程采用的頂升立管大，由于立管截面的增大，垂直頂升力也隨之增加，經(jīng)過(guò)計(jì)算，作用在隧道底部頂力將達(dá)500t左右。為防止垂直頂升引起隧道破壞，在垂直頂升區(qū)域底部通過(guò)壓漿孔預(yù)先對(duì)隧道外側(cè)進(jìn)行劈裂注漿加固，漿液配合比為水泥∶水為1∶0.5，初始?jí)毫?MPa，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa。漿液注入率為20%即每立方米加固土體水泥用量為150kg左右，采用從管片內(nèi)側(cè)向外注漿。在進(jìn)行垂直頂升施工時(shí)經(jīng)常檢查反力架下管片受力情況，防止管片破碎。

4.2 止水裝置安裝

頂升前，在頂升口安裝止水裝置，防止泥水滲入隧道。止水框是頂升止水裝置的重要組成部件，每個(gè)頂升管配一個(gè)止水框，止水框上部與隧道管片的法蘭板和環(huán)板焊接，施工時(shí)止水框下部法蘭與下止水扎蘭采用螺栓連接。

由于施工工藝要求立管管節(jié)斷面尺寸要比頂升口小，如果二者空隙過(guò)小，頂升過(guò)程中稍有偏差就可能會(huì)卡住，無(wú)法頂升；空隙過(guò)大，在頂升過(guò)程中隨著管節(jié)不斷上升，會(huì)導(dǎo)致泥水沿著管節(jié)壁從縫隙中滲入隧道。為了協(xié)調(diào)這對(duì)矛盾，一期工程立管斷面采用比頂升口小20mm的尺寸。

止水裝置包括頂升口外側(cè)止水橡皮、止水框(含上止水扎蘭)、下止水扎蘭、油浸盤根等。為了避免頂升完畢后拆除下止水扎蘭時(shí)，油浸盤根止水脫落后漏水影響電焊施工，本工程在止水框盤根上方增設(shè)一道橡皮圈止水。止水框側(cè)面留置壓漿孔，頂升時(shí)安裝好凡爾，滲漏嚴(yán)重時(shí)可壓入聚氨酯堵漏劑。

4.3 立管頂升施工

在垂直頂升時(shí)，先將轉(zhuǎn)向法蘭與頂升開(kāi)口管片連接成整體，頂升第二節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，與首節(jié)管節(jié)用螺栓連接后開(kāi)始正常頂升施工。當(dāng)管節(jié)行程末端用龍門架支撐管節(jié)底部，退回油缸安裝就位次管節(jié)，螺栓連接后，再行頂升。管節(jié)間凹槽要用快硬防水水泥粉平，填料要光滑平整，以防損壞盤根和橡膠止水。

按上述方法逐節(jié)頂升，直至頂升底座管節(jié)。要求垂直頂升管垂直度小于垂直頂升高度的1.5%；頂升管節(jié)錯(cuò)口小于20mm；頂升管的縱向中心軸線偏差小于40mm；頂升管的橫向中心軸線偏差小于30mm。初頂階段頂升速度控制在2～3cm/min，正常頂升階段頂升速度控制在6～8cm/min。

4.4 底座管節(jié)連接處理

當(dāng)?shù)鬃芄?jié)頂升至設(shè)計(jì)高度時(shí)，從底部壓漿孔向止水框外壓入快凝水泥漿液，底座立管與隧道管片采用螺栓連接固定；待漿液凝固后，拆除下止水扎蘭，進(jìn)行制動(dòng)壓板和撐板焊接，撐板可根據(jù)施工時(shí)壓力增加數(shù)量。在這過(guò)程中必須至少保證有龍門架頂住末節(jié)管，防止垂下跌落；最后回縮千斤頂。單個(gè)取水口垂直頂升基本完成，隨后移動(dòng)車架到下一個(gè)取水口繼續(xù)施工。

完成以后的垂直頂升立管仰視圖，如圖3。

圖3 垂直頂升立管仰視圖

4.5 鋼取水構(gòu)筑物安裝及水下保護(hù)拋石整平

在垂直頂升管頂升結(jié)束后，進(jìn)行水上鋼格柵取水構(gòu)筑物的安裝。鋼格柵取水構(gòu)筑物預(yù)先在陸上制作好，運(yùn)至吊裝海域，吊放至海底，由潛水員水下作業(yè)。安裝時(shí)采用400t施工方駁配400P拖輪浮運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，60T浮吊吊放安裝。先揭開(kāi)垂直頂升立管頂部的悶板，然后將取水構(gòu)筑物安裝在立管上，取水構(gòu)筑物與立管頂頭管節(jié)通過(guò)法蘭連接。待立管頂升完成后，在立管四周10m范圍內(nèi)采用拋石防沖刷保護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

φ4000mm左右直徑的盾構(gòu)法隧道在火力發(fā)電廠有相當(dāng)成熟的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，而內(nèi)徑φ6200mm的盾構(gòu)法隧道及多點(diǎn)式垂直頂升法取水構(gòu)筑物目前在電力行業(yè)是首次設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用了我院自行開(kāi)發(fā)的電廠取排水盾構(gòu)隧道計(jì)算軟件，并與有盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)軟件分析經(jīng)驗(yàn)的大學(xué)進(jìn)行了合作，通過(guò)建立三維實(shí)體模型對(duì)三門電廠盾構(gòu)法隧道垂直頂升立管結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行了深入研究，補(bǔ)充和完善了盾構(gòu)法隧道的計(jì)算分析，使三門核電一期取水盾構(gòu)法隧道垂直頂升立管的設(shè)計(jì)更加合理，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)電力行業(yè)采用大直徑盾構(gòu)法隧道、大口徑垂直頂升取水設(shè)計(jì)的新天地。

三門核電一期工程#1、#2盾構(gòu)法取水隧道及多點(diǎn)式垂直頂升取水構(gòu)筑物已分別于2011年11月底及2012年2月建成，目前正在進(jìn)行水下保護(hù)拋石整平。

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