大口径垂直顶升取水构筑物在三门核电工程中的运用

尤雪娣

(华东电力设计院，上海 200063)

三门核电是我国全面引进美国西屋公司开发的第三代压水堆核电技术AP1000机组工程，三门核电规划建设6台125万kW的核电机组，总装机容量为750万kW，分三期建设。一期工程两台机组是国务院于2004年7月21日批准实施的全球首个AP1000核电自主化依托项目，是中美两国最大的能源合作项目，于2009年4月19日正式开工，计划于2013年和2014年先后建成发电。

三门核电一期取水工程在国内核电领域首次采用盾构法取水隧道加垂直顶升法取水施工工艺、其尺寸为目前电厂盾构法取排水工程之最。三门核电一期盾构法取水隧道的成功运用，为今后类似工程的设计拓宽了思路，具有很好的借鉴意义。

1 工程概况

三门核电厂位于浙江省东部、台州地区的三门县境内，三门湾南岸猫头山东北的大路湾——猫头山嘴一带，距南面健跳镇6km，距三门县城26km，距宁波市83km。猫头山嘴呈东西走向，三面环海，西面背靠猫头山脉，向东偏北呈半岛状，绵延达2.5km，宽约100m～500m，伸入猫头水道。东面和北面海域水深较大，在东面和北面分别形成两个大小不同的深潭，北面较小的称为小深潭，东面较大的称为大深潭。

2 取水隧道工程外部条件

2.1 地形地貌

场地地貌单元属于浙东丘陵滨海岛屿区，为天台山脉余脉，属山前滨海海积地貌。除近海岸地区为回填片石外，其余均为泥质海滩，近海岸区地面标高0.6m～4.87m。取水勘察区地面标高为-13.91m～3.40m。取水构筑物位于厂区东北侧深潭内-15.0m等深线附近。

2.2 工程地质情况

根据勘察报告，地层岩性自上而下分述如下：

①-1回填片石(Q4ml)：松散～稍密状，具明显的大孔隙比特征，均匀性较差，为新近厂区山体土石方开挖回填而成，块石含量大于80%，最大粒径大于500mm，厚度0.90m～6.00m，层底埋深0.90m～6.00m。

②-4流泥(Q4m)：流动状，含少量有机质，厚度1.70～6.50m，层底埋深3.30m～6.50m。

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

③-1粘土(Q4m)：局部为淤泥质粘土，夹薄层粉砂，含有少量贝壳碎片，局部见有腐殖质，流塑～软塑。厚度1.30m～4.90m，层底埋深14.50m～25.00m。

④粉砂(Q4m)：局部为中砂，夹薄层粉粘，分选性一般，并混有淤泥，松散～稍密。厚度0.50m～6.60m，层底埋深16.00m～20.10m。

⑤粘土(Q3ml+m)：局部为粉质粘土，夹薄层细砂，厚度2.70m～11.40m，低层埋深15.90～29.90m。

⑥粘土(Q3ml)：局部为粉质粘土，夹薄层粉砂、粉质粘土，厚度9.55m～27.65m，层底埋深39.45m～45.90m。

第1-4层流泥、第2层淤泥及第3-1层粘土为欠固结土，具高压缩性。其余为正常～超固结土，具中等压缩性。取水口区域盾构隧道坐落在⑥粘土层和局部④粉砂层上，取水构筑物垂直顶升涉及地层自下而上为③-1粘土层、②淤泥层、①-4流泥层，上面两层的流泥和淤泥质土性差，力学性能参数低，土体受到扰动后土性参数迅速降低。

2.3 水文气象

2.3.1 潮位

表1 厂址水文气象特征值

2.3.2 潮流流速

在核电厂址周围邻近水域布设的N16水文测站实测最大涨、落潮流流速(流向)如下表：

表2 核电厂周围水域实测最大涨、落潮流流速(cm/s)、流向(º)统计

2.4 场地类别

拟建场地抗震防设烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本加速度为0.05g，取水隧道场地类别为Ⅲ～IV类，取水隧道与循环水泵房衔接段为Ⅱ类，取水构筑物属Ⅳ类场地。

3 多点式大口径垂直顶升法取水构筑物设计方案

根据AP1000机组的特点，三门核电一期工程循环水系统建(构)筑物属非核安全物项，按常规标准设计，设计使用年限为60年。

三门核电一期冷却水采用海水直流循环供水系统，循环冷却水取自三门湾大深潭海水。电厂取水工程冷却水量主要用于汽机凝汽器的冷却水系统和辅机的冷却水系统的供水水源、核岛服务水(非安全级)、以及海水淡化车间原水，用水量较大。以往火电厂工程常用的最大内径4840mm盾构法取排水隧道、截面尺1.9m×1.9m的垂直顶升立管、以及直径为3.5m的取水构筑物，不能满足AP1000机组循环水用水量的要求。

三门核电一期工程每台机组需配置一根直径6200mm的自流引水管，引水管由循环水进水隧道和取水构筑物组成。隧道起点中心标高为-14.00m，然后向下以1.81%的纵向坡度向前推进，至垂直顶升段改为平直线，终端隧道中心标高为-27.00m。1#机取水管线长1025m，平面转弯半径为700m，2#机取水管线长968m，平面转弯半径为550m。一期工程采用多点式取水方案，每根取水隧道端部设置8只取水构筑物，每个垂直顶升立管截面尺寸为2.44m×2.44m，取水构筑物直径为4.5m。

盾构法取水隧道垂直顶升段平剖面图，如图1、图2所示。

图1 垂直顶升段平面图

图2 垂直顶升段剖面图

多点式取水由盾构法隧道取水管末端布置的多个方形钢筋混凝土垂直顶升立管和多个圆形钢制取水构筑物组成。垂直顶升管施工位于已建隧道内，钢制取水构筑物在陆地制作完成，在水下就位安装。这种施工方式具有①能适应复杂的场地条件及软弱地基条件；②水下施工可不影响航道通航，也不受潮汐、风浪、气候变化等自然条件的影响，使垂直顶升能够“全天候”施工，避免了大量水上作业的难度；③现场施工工期较短，扣除准备工作时间，基本上两天就能完成一只垂直顶升立管的施工；④工程投资和施工措施费用较单点式取水构筑物低等特点。

立管采用矩形钢筋混凝土结构、分节制作、分节顶进，每根立管由九节管节组成，管节截面尺寸为2.44m×2.44m管节，两端设连接内法兰，用螺栓相互连接。立管埋置于土中的管身均位于①-4流泥和②淤泥土中，这部分土质土性极为软弱，对立管的垂直顶升有利，但对抵抗水流产生的水平作用力不利。设计过程中运用ABAQUS有限元软件，对三门电厂盾构法隧道垂直顶升立管结构受力及变形进行三维数值模拟分析。经研究，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对隧道及立管结构本身而言相当小，从变形方面考虑，只需设置0.6m厚的抛石即可使立管几乎不发生水平位移，考虑到水流对取水立管的长期冲刷作用，为保证其安全稳定，研究建议待立管顶升完成后，先挖除表面2m左右的淤泥，然后水下铺一层软体排，最后在立管周围抛2.0m厚块石，以满足防冲刷和抗位移的要求。

垂直顶升立管上部安装钢制取水构筑物，钢制取水构筑物直径为4.5m，采用水上吊运沉放法。取水构筑物预先在陆上制作好，运至吊装海域，然后将取水构筑物安装在立管上，取水构筑物与立管顶头管节通过法兰连接。

4 垂直顶升施工工艺流程

垂直顶升工艺适用于饱和含水的粘性土或砂性土等不同软土地层中进行施工，主要用于沿海、沿江的取排水隧道工程。 垂直顶升法施工位于已建好的隧道内部，将预制管节连接在隧道顶升开口管片上，将开口管片与管节采用特殊螺栓连接好，管节就位后，拆去开口管片与隧道衬砌的连接螺栓，依靠液压油缸把管节垂直向上顶出，按由里向外的顺序逐根顶出。每条垂直顶升管节由1节底座管节、1节顶头管节和7节标准管节组成，并配有一个转向法兰。在每节的顶升过程中，管节之间采用螺栓连接，使管节垂直顶入土中，待工程全部完成后，在水下揭去开口管片，安装上取水构筑物，形成取水通道。

垂直顶升施工工艺主要流程为：隧道底部加固→止水装置安装→立管顶升施工→底座管节连接处理→钢取水构筑物安装→水下保护抛石整平等。

4.1 隧道底部加固

垂直顶升在立管处隧道将受集中荷载，该处荷载组以电气施工设备荷载、管节自重、正面土压力、管壁摩阻力、水压力等组成。一期工程立管尺寸较以往电厂工程采用的顶升立管大，由于立管截面的增大，垂直顶升力也随之增加，经过计算，作用在隧道底部顶力将达500t左右。为防止垂直顶升引起隧道破坏，在垂直顶升区域底部通过压浆孔预先对隧道外侧进行劈裂注浆加固，浆液配合比为水泥∶水为1∶0.5，初始压力为1MPa，注浆压力控制在0.3～0.5MPa。浆液注入率为20%即每立方米加固土体水泥用量为150kg左右，采用从管片内侧向外注浆。在进行垂直顶升施工时经常检查反力架下管片受力情况，防止管片破碎。

4.2 止水装置安装

顶升前，在顶升口安装止水装置，防止泥水渗入隧道。止水框是顶升止水装置的重要组成部件，每个顶升管配一个止水框，止水框上部与隧道管片的法兰板和环板焊接，施工时止水框下部法兰与下止水扎兰采用螺栓连接。

由于施工工艺要求立管管节断面尺寸要比顶升口小，如果二者空隙过小，顶升过程中稍有偏差就可能会卡住，无法顶升；空隙过大，在顶升过程中随着管节不断上升，会导致泥水沿着管节壁从缝隙中渗入隧道。为了协调这对矛盾，一期工程立管断面采用比顶升口小20mm的尺寸。

止水装置包括顶升口外侧止水橡皮、止水框(含上止水扎兰)、下止水扎兰、油浸盘根等。为了避免顶升完毕后拆除下止水扎兰时，油浸盘根止水脱落后漏水影响电焊施工，本工程在止水框盘根上方增设一道橡皮圈止水。止水框侧面留置压浆孔，顶升时安装好凡尔，渗漏严重时可压入聚氨酯堵漏剂。

4.3 立管顶升施工

在垂直顶升时，先将转向法兰与顶升开口管片连接成整体，顶升第二节标准管节，与首节管节用螺栓连接后开始正常顶升施工。当管节行程末端用龙门架支撑管节底部，退回油缸安装就位次管节，螺栓连接后，再行顶升。管节间凹槽要用快硬防水水泥粉平，填料要光滑平整，以防损坏盘根和橡胶止水。

按上述方法逐节顶升，直至顶升底座管节。要求垂直顶升管垂直度小于垂直顶升高度的1.5%；顶升管节错口小于20mm；顶升管的纵向中心轴线偏差小于40mm；顶升管的横向中心轴线偏差小于30mm。初顶阶段顶升速度控制在2～3cm/min，正常顶升阶段顶升速度控制在6～8cm/min。

4.4 底座管节连接处理

当底座管节顶升至设计高度时，从底部压浆孔向止水框外压入快凝水泥浆液，底座立管与隧道管片采用螺栓连接固定；待浆液凝固后，拆除下止水扎兰，进行制动压板和撑板焊接，撑板可根据施工时压力增加数量。在这过程中必须至少保证有龙门架顶住末节管，防止垂下跌落；最后回缩千斤顶。单个取水口垂直顶升基本完成，随后移动车架到下一个取水口继续施工。

完成以后的垂直顶升立管仰视图，如图3。

图3 垂直顶升立管仰视图

4.5 钢取水构筑物安装及水下保护抛石整平

在垂直顶升管顶升结束后，进行水上钢格栅取水构筑物的安装。钢格栅取水构筑物预先在陆上制作好，运至吊装海域，吊放至海底，由潜水员水下作业。安装时采用400t施工方驳配400P拖轮浮运至施工现场，60T浮吊吊放安装。先揭开垂直顶升立管顶部的闷板，然后将取水构筑物安装在立管上，取水构筑物与立管顶头管节通过法兰连接。待立管顶升完成后，在立管四周10m范围内采用抛石防冲刷保护。

5 结语

φ4000mm左右直径的盾构法隧道在火力发电厂有相当成熟的运用经验，而内径φ6200mm的盾构法隧道及多点式垂直顶升法取水构筑物目前在电力行业是首次设计。设计过程中，运用了我院自行开发的电厂取排水盾构隧道计算软件，并与有盾构法隧道设计软件分析经验的大学进行了合作，通过建立三维实体模型对三门电厂盾构法隧道垂直顶升立管结构受力及变形进行了深入研究，补充和完善了盾构法隧道的计算分析，使三门核电一期取水盾构法隧道垂直顶升立管的设计更加合理，开创了我国电力行业采用大直径盾构法隧道、大口径垂直顶升取水设计的新天地。

三门核电一期工程#1、#2盾构法取水隧道及多点式垂直顶升取水构筑物已分别于2011年11月底及2012年2月建成，目前正在进行水下保护抛石整平。

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