上海瑞金医院质子治疗中心项目策划与工程实施

姚 蓁

上海市卫生基建管理中心 上海 200080

1 工程概况

上海瑞金医院肿瘤（质子）治疗中心（下称“治疗中心”）是一个集质子技术研究、开发、生产、临床应用于一体的医疗机构。主要功能可以分为质子治疗区、质子装置设备区、非质子医疗区、研发办公区、能源供应区等。治疗中心总建筑面积24 875 m2，主要建设内容为治疗室（3个旋转治疗室、1个固定束治疗室和1个固定束实验室）、直线加速器区域、质子辅助用房区域（包括放射科区、公共部分、其他辅助用房等区域）、门诊、质子治疗区（地上）、后勤服务、科研用房和应用培训区域。

2 建设难点分析

上海市首家质子重离子治疗机构——上海市质子重离子医院于2015年5月正式开业，我们在该院建设经验的基础上，对治疗中心项目进行了建设难点分析，但质子设施与重离子设施对建设的要求并不完全一致，这类非常规医疗建设项目应该更加注重项目管理的前期介入，为项目后期建设的投资、进度、质量控制奠定良好的基础，从而确保整个项目的正常有序进行[1]。

2.1 辐射防护难度大

由于质子治疗装置是一个高能量的粒子加速器装置，该装置在运行过程中会造成辐射屏蔽墙的活化而产生放射性。因此，从辐射安全的角度，治疗中心必须将因活化而产生的感生放射性对工作人员的辐射降低到尽可能低的水平[2]，辐射剂量约束值为5 mSv/a、屏蔽设计为屏蔽体外表面剂量率小于2.5 μSv/h，因此治疗中心对辐射的防护屏蔽难度极大。

2.2 大体积混凝土裂缝控制难度大

瑞金医院质子治疗用房、直线加速器用房区内有放射源，为屏蔽射线须设置厚度很大的混凝土墙体及顶板。而由于内外温度的变化、收缩和约束变形等共同作用会对大体积混凝土产生裂缝，并且如果裂缝的预防和控制做得不够及时、有效，可能会衍生成贯穿的裂缝，从而严重影响结构的整体安全和使用寿命，更有可能影响屏蔽效果，造成重大的安全隐患，因此治疗中心对混凝土的裂缝控制难度大。

治疗区域墙体厚度不等，最宽处近4 m。结构楼板厚度同样变化较大，为1 100～2 500 mm不等，因此施工起来有很大难度。同时由于治疗区要求防辐射，所以PT区结构裂缝不应出现，如出现裂缝，不得有宽度大于0.2 mm的贯穿裂缝。

2.3 结构沉降要求高

质子治疗设备对建筑结构的沉降要求极高，要求不均匀沉降差前3 a为每10 m不超过0.35 mm/a，3 a后每10 m不超过0.25 mm/a。

2.4 变形和振动控制要求高

质子治疗装置的正常运转依赖于设备所有部位的精确定位，一旦振动和变形超过要求范围，质子治疗装置都将无可避免地需要重新校准，从而严重影响质子医院的正常运营。根据《上海先进质子治疗装置建安及公用设施设计要求》：“质子装置建筑正式交付设备安装1 a以后，加速器大厅、输运线隧道和固定治疗仓、输运线和实验治疗仓基础底板差异变形每10 m小于0.5 mm/a，微振动控制指标为5～35 Hz频率范围内小于50 μm。”

2.5 工艺冷却水系统要求高

质子治疗装置正常运行的关键因素是工艺冷却水系统的要求符合标准[3]。质子治疗装置的能量在肿瘤患者治疗期间内会不断持续地变化，所以要求冷却水进水口的温度以及压力控制的精度都保持稳定不变，同时，全容量的水循环全年不间断，并且每天24 h持续运转，因此必须保证冷却水系统的开机率达99.9%，从而满足质子治疗设备在负荷变化阶段的正常运行。同时冷却水要求使用高纯、低电导率水质，所以对冷却水控制系统及材质、对输送管道的清洁均提出了很高的要求。另外为了确保质子重离子设备的安装调试，要确保冷却设备具有无负荷状况下运行能力。

由于质子治疗技术的特殊性，治疗中心具有不同于传统医院建筑的特点，这使得治疗中心项目实施策划的重点落在前期技术策划环节上。前期技术策划的主要内容包括对项目重大技术方案的分析、关键技术的论证以及技术标准与规范的选用，对于可能涉及引进技术或新技术的质子医院项目，还需制订相应设计标准。

3 项目实施方案前期策划

3.1 工程的设计策划

3.1.1 基础微变形、微振动控制方案的设计策划

本工程质子区基础采用钻孔灌注桩深基础，采取桩端后注浆技术措施，并严格控制桩顶荷载水平，同时加强基础底板刚度[4]。根据本工程地质条件，以⑨层粉砂作为桩端持力层工后不均匀沉降估算值每10 m约0.43 mm/a，满足每10 m不超过0.5 mm/a的控制要求。质子区桩基础采用φ800 mm钻孔灌注桩，单桩抗压承载力设计值取用值约为1 500 kN，有效桩长66 m，桩数共计约359根。

非质子区域采用φ650 mm常规灌注桩，有效桩长36 m，以⑧1层土作为桩端持力层，桩端不注浆，单桩抗压承载力设计值约为1 490 kN，单桩抗拔承载力设计值为1 100 kN，共计574根。根据辐射屏蔽要求和结构底板受力要求，质子区侧墙最大厚度为2 800 mm，底板厚度为2 400 mm。

3.1.2 空调专业工程技术方案策划

保证质子治疗效果的必要条件是恒温恒湿的室内环境，因此治疗中心空调专业的技术难点在于工艺冷源设计，工艺冷源是指工艺空调和工艺冷却水系统冷源。

瑞金质子医院冷源设计方案综合工艺要求、系统安全可靠、技术、经济等因素考虑，工艺冷源与空调冷源的配置决定采用质子治疗区的工艺冷却水和工艺空调冷源联合集中设计，非质子治疗区的舒适性空调冷源独立设计[5]。

根据质子重离子医院的经验，要求冷机能够在系统零负荷状态下正常运行，保证不停机。因此本次设计工艺冷源冷水机组策划采用制冷剂管路热气旁通技术满足工艺冷源零负荷运行要求。

3.1.3 项目给排水专业工程技术方案策划

1）废水处置的技术方案策划：一次冷却水采用封闭回路进行循环冷却，但在设备相关部位检修时，或者一次冷却水循环系统发生故障，从而导致泄漏事故时，需将含有短半衰期放射性物质的冷却水收集与存储在废水贮存池内，待放射性元素衰变和辐射净化后，监测符合标准要求并经环境监管部门同意后方可排入市政道路排水管网。加速器大厅、高能束流输运线隧道及各治疗仓地面靠墙一侧沿途设有排水沟，专门收集管道破裂等导致排放的废水。通过排水沟内设置的地漏及底板内敷设的管道排入专门的事故集水井中。事故集水井有效容积约3.5 m3，集水井底部和四周需要至少2 m的防护厚度。集水井内设置排水泵，通过预埋管道排至质子治疗装置建筑外的衰变池。事故集水井和废水贮存池都需有防渗功能。

2）管道布设策划：作为放射性治疗装置的辐射防护有特殊要求，所有进出管道，在穿越墙处套管与管道之间缝隙均应用柔性不燃密实防火封堵材料和防水油膏填实。根据辐射安全的相关要求，采用专用厚壁不锈钢管道作为穿越质子治疗区的排水和供水管道，穿越质子治疗工艺设备隧道的排水管道在穿越隧道墙壁处设置厚壁不锈钢专用套管，排水套管的壁厚均满足50 a的防辐射要求。

3.1.4 项目电气专业工程技术方案策划

1）质子区医疗设施的电气设计策划：相关规范中对质子区医疗设施的供电负荷等级、类别划分以及要求自动恢复供电的时间均未提及，为此在初步设计阶段确定了质子装置工艺设备中的加速器控制系统、治疗控制系统、旋转治疗室的大型旋转机架等的供电电源为一级负荷中特别重要负荷。最终确定质子装置配置4台10 kV/0.4 kV的变压器作为质子装置工艺设备的供电电源，其余公共部位配置2台2 000 kV·A干式变压器，防止二者在使用过程中相互干扰。在地上1层设置800 kW室外型柴油发电机组作为第3路电源，为消防设施、弱电系统、加速器控制系统、治疗控制系统、旋转治疗室的大型旋转机架、真空泵等特种医疗设备用电提供应急电源[6]。

2）质子治疗装置接地方案设计策划：质子治疗装置要达到高精度、高稳定、高可靠的运行，接地系统是其中重要的因素之一。由于质子治疗装置包含有高功率微波系统的运行，因此装置设备接地系统采用平面接地装置、高频多点接地母排的形式，尽量降低地线阻抗。质子治疗装置加速器设备接地系统包括接地装置、接地导体和接地母排组成，其中接地装置在建筑混凝土层之下，接地导体在混凝土或墙体中，接地母排在墙面或地沟中。

3.2 工程的施工工艺策划

3.2.1 超厚混凝土墙板施工技术方案实施策划

为了保证大体积混凝土构件的顺利施工，避免产生过大裂缝。治疗中心在施工时要从混凝土材料和施工工艺两方面出发，提高混凝土的抗裂性能和其他多方面性能，具体措施为：优化混凝土配合比；采用满足整体连续性要求的混凝土浇筑方法，不出现施工冷缝；采用外蓄内散的综合养护措施加强对混凝土的养护；为保证大体积混凝土构件的顺利施工，避免产生过大裂缝，在施工前进行了足尺墙体浇筑模拟试验。

1）足尺墙体浇筑模拟试验。足尺墙体浇筑模拟实验的试件尺寸为长3 m、厚2.8 m、高4 m，基础尺寸为长4 m、宽3.8 m、高0.3 m；混凝土强度等级为C30，混凝土密度为2.35 t/m3，混凝土内掺入混合型膨胀纤维抗裂防水剂SY-K，掺量为胶凝材料的8%，埋件500 mm×500 mm×14 mm，预留管3根S形埋管。试验目的是确定混凝土配合比、检测混凝土密度（取芯检测）是否满足设计要求、测试大体积混凝土的养护方式、确定拆模时间、确定模板安装方案和确定埋件、预留管加固方案。

2）优化混凝土配合比，提高混凝土极限抗拉强度，减少混凝土硬化过程的收缩。在混凝土浇筑前，结合产地材料，优化原材料，配制高性能混凝土，采用双掺技术，降低水泥水化热，减少单位水泥用量，采用低水胶比，延长混凝土凝结时间，确定优化的配合比。

3）混凝土浇筑必须满足整体连续性的要求，不出现施工冷缝。浇筑方法采用斜面分层，薄层浇筑，自然流淌，连续浇筑到顶的方法，分层厚度为500 mm，自然流淌坡度控制在1∶6～1∶10；振捣采用φ50 mm插入式振捣器振捣，钢筋密集区采用φ30 mm插入式振捣器，着重注意混凝土的坡顶、坡中、坡脚处的振捣，确保混凝土的密实，振捣间距不超过50 cm，振捣棒插入下一层50 mm。

3.2.2 高精度大型预埋件施工技术方案实施策划

治疗中心核心区由于对变形控制要求高，故该处的预埋件设计有严格的控制要求。

为满足最小变形精度要求，治疗中心此部分的预埋件锚固连接件采用型钢锚固构件代替传统的预埋钢筋锚固连接形式，从而有效地提高设备连接构件的刚度，将旋转机架运行过程中，由振动荷载作用引起的连结端变形降低到目标控制范围之内，从而保证满足设备的使用功能上的精度要求。

4 项目工程实施

4.1 高精度大型预埋件施工

考虑到高精度大型预埋件制作、运输和安装难度大，本次预埋件施工技术方案从高精度大型预埋件制作、运输和安装3个方面展开。

4.1.1 高精度大型预埋件制作

高精度大型预埋件尺寸较大，在预埋件制作过程中难以避免变形、翘曲等问题，并且收缩量和钢板预埋件变形难以控制，所以治疗中心采取预埋件整体制作的方案。为了确保预埋件的平整满足要求，预埋件与水平型钢采用工厂加工焊接，为便于运输、安装，将整个埋件分成3部分，钢立柱总长度9.85 m，总质量约11 t，钢柱分2段吊装，分段后单根长度约5 m，质量约6 t，水平段悬臂钢梁长约3.3 m，沿中部设置分段缝，一部分与钢梁柱相连，在工厂完成焊接，另一部分与端部钢板相连，现场待钢立柱初步定位安装后对悬臂钢梁及连接钢板进行平面度、垂直度误差调整，再行紧固连接。

4.1.2 高精度大型预埋件运输

预埋件每段的质量和尺寸均较大，在运输前先查看预埋件的尺寸、型号和厚度等，确保其各方面都满足相关的质量标准后，才可以安排专用的运输车辆运至施工现场。并且预埋件在运输途中要做好防护，防止在运输过程中磕碰受损。当预埋件运输至现场后，在安装前为了避免预埋件受潮生锈，不可直接放置地面，并要做好相应的防雨防潮的措施。

4.1.3 高精度大型预埋件安装

预埋件安装按照施工图进行定位和安装，在安装的过程中，应该时刻控制好埋件的平整度。当准确地放好位置后，可以先采用贴身等固定埋件，直到其水平定位合格，再最终对预埋件进行固定。

4.2 预防和控制大体积混凝土的裂缝施工

4.2.1 控制混凝土温差值、延缓降温速率

采用外蓄内散的综合养护措施，厚度为2.8 m的混凝土墙板，减少温度应力和控制混凝土裂缝至关重要，除了优化混凝土配合比、降低混凝土水化热，最大限度地降低混凝入模温度外，在内外温差＞20 K时，混凝土表面用保温效果好的材料覆盖，提高表面温度，保温与保湿结合养护。

测温系统采用“大体积混凝土温度远程监测系统”，该系统采用全数字式方式对大体积混凝土水化热过程中温度变化状况进行监测，测点布置须全面反映大体积混凝土内各部位的温度，从大体积混凝土厚度断面考虑，应包括底面、中心和上表面，从平面考虑应包括中部和边角区（图1），大体积混凝土试件内部设温度测点56个（距C测轴旁10 cm处备份1根测轴），另设环境温度测点1个，共设57个温度测点。

图1 温度测点布置示意

墙体温度监控结果显示（以墙中心点为例）：该处至墙体外侧厚度为1.4 m，混凝土浇筑3 d后温度达到峰值，墙中部温度达62.1 ℃，墙内侧达57.3 ℃，墙外侧达54 ℃，其后开始缓慢下降。混凝土浇筑时温度为18 ℃左右，在升温阶段，温差最大时为8.2 K，在降温阶段，温差最大时为11.3 K，整个过程，内外温差不超过25 K。

根据对测温原始记录资料分析以及混凝土内的温度变化曲线反映的情况，本工程墙板与顶板的内外温差均小于25 K，满足有关规范的要求，不会出现因温度变化引起的有害裂缝；通过取芯测定的混凝土密度均大于2.35 t/m3；墙板内外温差较小，说明本工程用的胶合板支模兼作为混凝土的保温材料保温效果良好；养护过程中，对混凝土的表面作检查，未见较大的有害裂缝，从混凝土温度实测数据来看，养护情况良好。总体来看，基本达到了预期的试验目的，为大体积混凝土施工方案提供了有效的依据。

4.2.2 减少混凝土构件收缩

实用的措施包括：科学设计水灰比，严格控制水泥和拌和水的用量；选择合适的骨料级配，合理降低砂率，增加骨料粒径；严格控制混凝土的砂、石含泥量；设置混凝土后浇带等。

4.2.3 改善混凝土的约束条件

在充分考虑混凝土构件整体性的前提下，设置永久性伸缩缝，将超长、超大体积的现浇混凝土构件分成若干段，释放变形，减少约束应力，质子区域的混凝土浇筑分为深坑二区底板、实验仓地下1层结构、加速顶板2.80 m结构、中控室6.50 m结构、深坑1区大底板、旋转治疗仓第1节钢筋模板混凝土、旋转治疗仓第2节钢筋模板混凝土、旋转治疗仓第3节钢筋模板混凝土、旋转治疗仓第4节钢筋模板混凝土、旋转治疗仓第5节钢筋模板混凝土、深坑1区封顶和设备房封顶至6.5 m（图2）。

4.2.4 对混凝土构件进行合理的保温、保湿养护

图2 分段浇筑模拟

具体的做法是：在混凝土浇筑完毕后，即在其表面覆盖一层或多层隔热材料，模板采用加厚九夹板，确保其保温性能。当内表温差大于23 K时，模板外围包裹保温材料。模板的拆除，除了满足强度要求外，也应满足温度的要求，当环境温度与侧表层的温差小于20 K，并且侧表层的温度与中心的温度之差小于20 K时，拆除一侧轴的模板，如24 h后相应的温差仍小于25 K的，可拆除全部模板。

5 结语

项目实施策划作为前期策划中的主要部分，对项目实施阶段起着决定性作用。由于治疗中心与传统医院相比的特殊性，建设治疗中心必须有着完善的项目实施策划方案，方可顺利完成。

上海瑞金医院质子治疗中心具有工期进度紧张、技术要求高、协调沟通难、整体系统复杂等特点，国内尚没有现成案例可以借鉴。在实际施工中按照前期策划中确定的实施策划方案高质量高水平的实施建设，实施过程中未出现施工安全和质量问题，在保质保量的基础上顺利按时完成了该项目，达到了设计需要的各项技术要求，为将来同类工程提供了思路和借鉴。