湯志孟，劉志強(qiáng)，夏倩文

(中國(guó)核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號(hào)”是中國(guó)自主研發(fā)的、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)，具有核電發(fā)展戰(zhàn)略性意義。其核島設(shè)計(jì)為雙殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼鋼襯里穹頂、外殼鋼制穹頂是反應(yīng)堆廠房安全殼的重要組成部分。為優(yōu)化目前行業(yè)內(nèi)穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝施工工藝，解決穹頂拼裝過(guò)程反復(fù)搭拆滿堂腳手架的現(xiàn)狀，優(yōu)化穹頂拼裝施工作業(yè)平臺(tái)和測(cè)量、檢測(cè)空間，改善作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)土建、安裝單位胎架一體化，達(dá)到“一勞永逸”的效果，有效服務(wù)于“華龍一號(hào)”穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝施工，并進(jìn)一步應(yīng)用于外穹頂拼裝施工，對(duì)提升“華龍一號(hào)”高水平的標(biāo)準(zhǔn)化建造能力及同領(lǐng)域核電建設(shè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

1 工程概況

“華龍一號(hào)”鋼襯里穹頂是反應(yīng)堆廠房安全殼的主要組成部分，位于核島頂部，起著防泄漏及穹頂頂部預(yù)應(yīng)力混凝土的模板作用。穹頂為重約345 t(含安裝物項(xiàng)約40 t)、外徑φ46 812 mm、高23 406 mm的帶肋半球殼體，周邊均勻布置縱橫網(wǎng)狀加勁肋角鋼，在不同位置布置貫穿性和非貫穿性錨固件，穹頂內(nèi)部設(shè)置有噴淋、通風(fēng)系統(tǒng)，安裝有儀表管道、支架、電纜次托盤和通風(fēng)管道等，球面上無(wú)規(guī)則地分布著約535個(gè)錨固件測(cè)量點(diǎn)和約750 個(gè)通風(fēng)管道支架拐點(diǎn)。穹頂具有整體結(jié)構(gòu)大、拼裝工藝復(fù)雜、設(shè)計(jì)技術(shù)要求高等特點(diǎn)。穹頂分為5部分，約由153 塊球瓣鋼板拼焊而成，其為Q265HR、壁厚6 mm的薄壁雙曲面結(jié)構(gòu)體，拼裝精度要求高，組對(duì)間隙允許范圍為0～3 mm，錯(cuò)邊量要求≤1.5 mm，拼接處的凹凸度≤5 mm/300 mm。穹頂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼襯里穹頂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of steel lined dome structure

2 施工重難點(diǎn)分析

2.1 穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝工藝優(yōu)化

1)穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝過(guò)程中涉及支撐體系、壁板組對(duì)/焊接/檢測(cè)平臺(tái)、測(cè)量通視及操作平臺(tái)、管道設(shè)備倒運(yùn)/組裝、油漆等工序，本技術(shù)通過(guò)融合鋼結(jié)構(gòu)與機(jī)電安裝專業(yè)的施工工藝邏輯和需求，設(shè)計(jì)土建、安裝一體化操作架，通過(guò)對(duì)胎架結(jié)構(gòu)和施工工藝的雙向促進(jìn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)各工序所需要的施工條件與施工工藝的高度匹配。

2)將穹頂拼裝過(guò)程的結(jié)構(gòu)受力分為穹頂受力系統(tǒng)和胎架受力系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)潔、安全，胎架作為操作架同時(shí)也兼顧壁板組對(duì)的定位支撐作用，實(shí)現(xiàn)壁板的快速定位和調(diào)整。

3)通過(guò)三維建模和詳圖深化設(shè)計(jì)，模擬穹頂“西瓜瓣”子模塊制作尺寸控制和拼裝尺寸控制技術(shù)。

2.2 穹頂拱膜成型胎架設(shè)計(jì)

按照穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝工藝施工需求，自主設(shè)計(jì)的球狀拱膜鋼結(jié)構(gòu)作為半球體穹頂?shù)钠囱b胎架系統(tǒng)，將雙曲率球體胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為拱膜成型胎架，主要有地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)、胎架主體設(shè)計(jì)和施工操作平臺(tái)設(shè)計(jì)三部分。

2.3 穹頂拱膜成型胎架機(jī)械化安拆技術(shù)

通過(guò)三維建模，合理規(guī)劃胎架安裝施工邏輯，將胎架分解為標(biāo)準(zhǔn)模塊，由每一榀橋體繞著中心筒架旋轉(zhuǎn)成型，中心筒架分解為標(biāo)準(zhǔn)桁架節(jié)，可迅速堆積成型。在地下系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有機(jī)車通道，能夠?qū)崿F(xiàn)胎架機(jī)械化安拆。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 雙曲率半球體胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)穹頂設(shè)計(jì)

將穹頂劃分為多個(gè)環(huán)形層，每個(gè)環(huán)形層沿縱向分為多個(gè)子模塊。結(jié)合穹頂雙曲面子模塊吊裝工藝、車間胎具成型生產(chǎn)工藝、拼裝胎架拱架布置等，將穹頂由設(shè)計(jì)的153 塊球瓣體劃分為車間預(yù)制出廠65 塊子模塊。按照穹頂胎架拼裝工藝施工需求，將雙曲率球體胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為拱膜成型胎架，結(jié)合施工需求主要分為地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)、胎架主體設(shè)計(jì)和施工操作平臺(tái)設(shè)計(jì)[1]，如圖2所示。

(2)地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)按照穹頂輪廓直徑及穹頂子模塊組拼縱向焊縫位置布置穹頂支墩，支墩為可重復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)件；穹頂子模塊組拼支墩應(yīng)預(yù)留500～800 mm操作空間，并設(shè)置可調(diào)整鋼支墩；按照穹頂拼裝施工過(guò)程結(jié)構(gòu)側(cè)向力情況，預(yù)埋環(huán)向抗剪鍵。

2)按照穹頂受力狀況均布置胎架支墩，穹頂支墩與胎架支墩之間錯(cuò)開約50～100 mm，為穹頂各層組裝焊縫角度線測(cè)量留出通視條件；穹頂支墩距離地面預(yù)留約700～800 mm的自然通風(fēng)通道，根據(jù)氣候變化必要時(shí)可快速配套機(jī)械排風(fēng)，與穹頂頂部通道口形成通風(fēng)系統(tǒng)。

圖2 半球體胎架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Structural design sketch of half sphere frame

3)穹頂拼裝胎架設(shè)計(jì)2條地下通道，分為人行通道和機(jī)車通道，為穹頂壁板拼裝完成后的機(jī)械化施工提供條件，與穹頂內(nèi)部物料通道連接，實(shí)現(xiàn)物料至穹頂操作平臺(tái)的快速周轉(zhuǎn)。人行通道與穹頂內(nèi)外部人行通道、梯籠走道形成系統(tǒng)，能夠快速、安全通往穹頂臺(tái)架上布置的各操作平臺(tái)。

4)穹頂拼裝場(chǎng)地設(shè)計(jì)施工用電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)，通往各施工操作平臺(tái)；排水設(shè)置約1.5°的中間往四周的散水和縱環(huán)向排水槽，并通過(guò)找坡通往人行通道和機(jī)車通道兩個(gè)集水井；防雷接地通過(guò)縱環(huán)向連接穹頂內(nèi)外側(cè)的穹頂支墩、穹頂胎架支墩、中心筒架支墩，形成穹頂、胎架接地系統(tǒng)。

(3)胎架主體設(shè)計(jì)

1)排布輪廓位置的每個(gè)胎架支墩安裝有下角支點(diǎn)，設(shè)計(jì)為“A字型”三角支點(diǎn)，與胎架支墩通過(guò)銷軸連接形成整體。

2)輪廓中心的胎架支墩上安裝中心筒架，設(shè)計(jì)為腳手架承載體系+網(wǎng)架，中心筒架的底部固定在胎架支墩上，中心筒架的上部為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；網(wǎng)架沿環(huán)向排布安裝多個(gè)上角支點(diǎn)，與網(wǎng)架形成整體。

3)設(shè)計(jì)拱形桁架張弦梁，類似于結(jié)構(gòu)的拱形屋頂，通過(guò)張弦梁實(shí)現(xiàn)整個(gè)穹頂胎架張壓的穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu)；每個(gè)張弦梁的兩端分別與下角支點(diǎn)和上角支點(diǎn)的自由端連接，形成立面拱形橋體結(jié)構(gòu)，具有良好的承載作用。

4)多榀立面拱形橋體結(jié)構(gòu)架體對(duì)稱同步拼裝，通過(guò)次梁連接，形成半球體拱膜胎架；實(shí)際施工過(guò)程中需將下三角拼裝為整體、將中心筒架拼裝為整體，再對(duì)稱安裝張弦梁。

(4)施工操作平臺(tái)設(shè)計(jì)

1)總結(jié)穹頂拼裝施工需求，在穹頂3條環(huán)向拼裝焊縫處設(shè)計(jì)3圈環(huán)形操作平臺(tái)，操作平臺(tái)搭設(shè)在穹頂內(nèi)側(cè)、胎架上部；穹頂?shù)谝粚涌v向拼接焊縫處設(shè)計(jì)踏步梯籠作為操作平臺(tái)，梯籠生根放置地面；穹頂?shù)诙涌v向拼接焊縫處設(shè)計(jì)踏步式操作平臺(tái)，操作平臺(tái)搭設(shè)在穹頂內(nèi)側(cè)、胎架上部。

2)總結(jié)錨固件安裝施工需求，通過(guò)環(huán)形操作平臺(tái)和縱向操作平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)框架延伸至錨固件安裝位置，平臺(tái)框架上鋪設(shè)跳板，便于錨固件投點(diǎn)通視拆卸；錨固件安裝操作平臺(tái)與管道支架安裝操作平臺(tái)可以綜合考慮。

3)總結(jié)穹頂內(nèi)部管道安裝需求，在4圈環(huán)形管道布置位置下方設(shè)計(jì)4圈環(huán)形操作平臺(tái)，在縱向連接管道位置下方設(shè)計(jì)縱向踏步式操作平臺(tái)，并在縱、環(huán)操作平臺(tái)間考慮倒料轉(zhuǎn)角區(qū)。

4)總結(jié)通風(fēng)安裝需求，在其安裝位置上設(shè)計(jì)掛梯，環(huán)向操作平臺(tái)上設(shè)計(jì)可拆卸式單元，便于通風(fēng)管道連續(xù)性施工；儀控安裝需求基本上能夠利用管道安裝平臺(tái)，不需考慮。

5)在穹頂內(nèi)側(cè)7圈環(huán)形平臺(tái)的不同位置上設(shè)計(jì)懸挑式的物料倒運(yùn)通道。

6)中心筒架上環(huán)向布置3圈測(cè)量平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)穹頂內(nèi)部所有區(qū)域全方位測(cè)量作業(yè)。

3.2 穹頂拱膜胎架安裝技術(shù)

1)通過(guò)三維建模，合理規(guī)劃胎架安裝施工邏輯和節(jié)點(diǎn)碰撞分析，對(duì)部分節(jié)點(diǎn)和部位進(jìn)行詳圖深化設(shè)計(jì)，車間預(yù)制出廠前進(jìn)行試拼裝和一一對(duì)應(yīng)編號(hào)，確保胎架預(yù)制、安裝滿足技術(shù)要求。

2)場(chǎng)地平整和基礎(chǔ)施工完成后，先進(jìn)行下三角安裝，下三角“A字型”按順序依次連接安裝，最終形成整體，下三角安裝完成后即可進(jìn)行穹頂一層拼裝；下三角與中心筒架可以平行施工，不存在邏輯關(guān)系；再進(jìn)行張弦梁安裝，張弦梁4個(gè)對(duì)角角度對(duì)稱安裝，張弦梁安裝后才可進(jìn)行穹頂二層拼裝；再進(jìn)行中間次梁桿件安裝；最后安裝次梁桿件上的施工平臺(tái)，施工平臺(tái)自下而上，先裝徑向平臺(tái)后裝環(huán)形平臺(tái)逐層爬升[2]。如圖3所示。

圖3 胎架安裝效果圖Fig.3 Effect drawing of tire frame installation

3.3 穹頂拼裝成型技術(shù)

1)穹頂拼裝過(guò)程中自身逐步形成承重基座，拼裝過(guò)程按下層襯托上層的拼裝方式實(shí)現(xiàn)，提前在下層壁板上口設(shè)置限位板，實(shí)現(xiàn)壁板快速定位；通過(guò)在每一層徑向平臺(tái)上和上口環(huán)向平臺(tái)上設(shè)置頂托支撐，根據(jù)上層壁板就位時(shí)的標(biāo)高和半徑，提前測(cè)量調(diào)整好頂托支撐的位置，實(shí)現(xiàn)壁板的快速定位和調(diào)整[3]。

2)車間制作時(shí)，以子模塊下口和徑向大角鋼作為基準(zhǔn)，上口壁板和右側(cè)壁板均預(yù)留拼裝切割預(yù)留；現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)，水平面以穹頂各層下口標(biāo)高作為定位基準(zhǔn)，角度以徑向大角鋼作為定位基準(zhǔn)、焊縫角度線作為輔助參考，拼裝過(guò)程以圓弧弧面半徑作為控制基準(zhǔn)，通過(guò)徑向疊合切割和水平面標(biāo)高超平切割，實(shí)現(xiàn)整體拼裝成型。

3.4 穹頂拼裝成型質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)材料控制要點(diǎn)

1)編制材料采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書，按技術(shù)要求組織驗(yàn)收；

2)材料按規(guī)格型號(hào)、類型碼放整齊，分類存放、標(biāo)識(shí)。

(2)預(yù)埋件控制要點(diǎn)

1)嚴(yán)格控制埋件鋼板平整度；

2)安裝前應(yīng)進(jìn)行測(cè)量定位及加固固定，確?；炷翝仓蟛划a(chǎn)生變形。

(3)胎架結(jié)構(gòu)安裝控制要點(diǎn)[4]

1)控制好下三角垂直度及下三角上部與張弦梁連接節(jié)點(diǎn)的半徑及標(biāo)高位置；

2)嚴(yán)格控制中心內(nèi)筒垂直度在2/1000 mm要求范圍內(nèi)；

3)提前對(duì)張弦梁進(jìn)行張緊處理，將安裝間距控制在合適范圍內(nèi)；

4)張弦梁對(duì)稱安裝，優(yōu)先安裝4個(gè)方位角度的4榀張弦梁(帶張緊支撐)；

5)張弦梁安裝完成后，對(duì)張弦梁上部拱度進(jìn)行測(cè)量，將實(shí)際拱度情況反饋至張弦梁上部平臺(tái)支架上，確保張弦梁上部平臺(tái)安裝標(biāo)高及穩(wěn)定性；

6)操作平臺(tái)、樓梯安裝時(shí)，應(yīng)確保安裝垂直度和水平度滿足技術(shù)要求，嚴(yán)禁出現(xiàn)傾斜或漏連接情況。

(4)焊接控制要點(diǎn)

1)制定焊接工藝卡，規(guī)定焊接/打磨技術(shù)要求；

2)坡口焊縫焊接前應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，確保點(diǎn)焊間距和坡口角度滿足要求；

3)焊后對(duì)焊腳高度、焊縫余高進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行VT、PT檢驗(yàn)；

4)焊工應(yīng)具備焊接資質(zhì)。

(5)螺栓擰緊控制要點(diǎn)[4]

1)普通螺栓和高強(qiáng)螺栓區(qū)分開管理；

2)100%檢查螺栓擰緊及摩擦面情況；

3)高強(qiáng)螺栓嚴(yán)格按技術(shù)要求進(jìn)行初擰和終擰，并驗(yàn)收和記錄。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

拼裝胎架與傳統(tǒng)腳手架相比，具有循環(huán)利用、降低人工成本優(yōu)勢(shì)，并同時(shí)服務(wù)于土建及安裝施工單位，減少反復(fù)搭拆。以某核電內(nèi)穹頂拼裝為例進(jìn)行對(duì)比分析，如表1和表2所示。

表1 腳手架操作平臺(tái)搭拆費(fèi)用明細(xì)

腳手架與拼裝胎架通過(guò)人工、材料、機(jī)械方面的費(fèi)用對(duì)比分析可知，按照單個(gè)核電廠址規(guī)劃6個(gè)機(jī)組內(nèi)外穹頂重復(fù)使用考慮(實(shí)際可周轉(zhuǎn)次數(shù)不止)，拼裝胎架比腳手架節(jié)省2587.2萬(wàn)元，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 社會(huì)效益分析

該技術(shù)成果為國(guó)際首創(chuàng)，穹頂拼裝技術(shù)改進(jìn)及施工高效性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等提升為類似工程提供了借鑒，具有重要的參考價(jià)值。該技術(shù)積極響應(yīng)國(guó)家對(duì)安全管理、職業(yè)健康等政策的要求，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)施工的機(jī)械化、模塊化，提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)建安一體化胎架施工，保障了廣大施工人員的人身安全和健康，創(chuàng)造了安全、衛(wèi)生、舒適的工作環(huán)境。

5 結(jié)論

“華龍一號(hào)”是我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電堆型，隨著“華龍一號(hào)”的設(shè)計(jì)成熟化、標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化的胎架設(shè)計(jì)反復(fù)利用能夠有效降低施工成本、提升工效。通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)球面拱膜式施工胎架進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，能有效服務(wù)于“華龍一號(hào)”穹頂施工。