大亚湾中微子实验站工程建设对核电站安全运行影响研究

翟利军，吉晓红

（黄河勘测规划设计研究院有限公司 郑州450003）

1 概述

大亚湾反应堆中微子实验站土建配套工程位于深圳大鹏半岛南侧、大亚湾核电站以及岭澳核电站的北部中低山-丘陵区，地面高程一般为60～450 m，实验站由5个地下实验大厅和连接这些厅室的隧道组成。

图1 中标出了核电站位置，1#和2#实验厅分别离大亚湾核电站和岭澳核电站最近，称作近点；3号实验厅距2 个核电站最远，又称远点。连接隧道按功能分为进入隧道、施工隧道和主隧道，总长度约3 152 m。4#厅（水净化厅）设在主隧道交会处。在1#、2#实验厅各放置2个中微子探测器，3号实验厅放置4个中微子探测器。5 号实验厅用于实验用的液体闪烁体混制、灌装，以及其它洁净处理［1］。

本工程不同于一般的地下工程，它是作为测量世界上最小粒子中微子的振荡参数θ13的实验室［2］，对安全、环境等要求很高，并且中微子实验站工程距离大亚湾核电站及岭澳一期、二期核电站核岛最近仅几百米，因此研究如何在施工中保证核电站的安全运行［3］，保证实验站工程顺利进行，使中微子实验能尽早、顺利地进行具有十分重要的意义。

图1 大亚湾反应堆中微子实验站布局示意图Fig.1 Layout of Daya Bay Reactor Neutrino Experimental Station

本文对核岛等建筑物的爆破振动控制和输水管线的安全防护措施2个主要问题进行研究。

2 核电站振动安全要求

核电站核岛以质点峰值加速度为控制标准，核电站其它地面建筑物以质点峰值振动速度为控制标准。根据大亚湾核电站相关资料，核电站核岛允许质点峰值加速度0.01g；根据该工程附近地面建筑物结构情况，依据《爆破安全规程》规定，结合已建水电站地下厂房、核电站、地铁等工程爆破振动监测成果［4-7］，按照核电运营单位提供的资料，极易遭受爆破振动影响的核电设施为：核岛、TB厂房、SEP水箱、观景平台、洞顶水管以及高压输电线塔等。根据岭澳核电站一期、二期工程爆破施工振动控制要求以及爆破试验结果，结合核电运营单位提出的安全指标，爆破监测的控制标准［2］为：

⑴核岛：振动加速度不超过0.01g；

⑵TB厂房：振动速度不超过0.2 cm/s；

⑶通讯发射站：振动速度不超过1.5 cm/s；

⑷观景平台：振动速度不超过2.5 cm/s；

⑸医疗中心和行政中心办公楼：振动速度不超过2.5 cm/s；

⑹北区变电站：振动速度不超过0.5 cm/s；

⑺SEP水箱：振动速度不超过1.5 cm/s；

⑻微波站：振动速度不超过1.5 cm/s；

⑼水管支墩：振动速度不超过12 cm/s。

3 开挖爆破控制措施研究

在核电站这个特殊地理环境中进行地下工程爆破，核岛对爆破振动有更高和更特殊的要求。为绝对保证爆破振动不引起核岛的停堆事故和对其他核电建筑物的损害，对施工爆破控制措施进行了研究，通过爆破试验得到适合该工程条件的地震波最大峰值加速度、速度转播衰减规律和合理的起爆段间时差，据此确定本工程的施工爆破实施方案，按照核电的要求，严格控制振动影响在安全阈值的70%以下［8］。

3.1 爆破安全试验

爆破安全试验的主要目的为通过对本次爆破试验观测结果进行回归分析，得到适合该工程条件的3条测试方向地震波最大峰值加速度和速度转播衰减规律和合理的起爆段间时差，为爆破方案的制定提供初步依据。爆破试验提供的工程区衰减规律如下：

加速度衰减规律：

α水平=20.26（Q3/R）1.75，r2=0.95

α垂直=13.86（Q3/R）1.66，r2=0.94

速度衰减规律：

V水平=199.53（Q3/R）1.75，r2=0.93

V垂直=87.56（Q3/R）1.56，r2=0.92

式中：V为质点峰值速度（cm/s）；α为质点峰值加速度（g）；Q为最大段药量（kg）；R为测点到药包中心距离（m）；r为相关系数。

3.2 施工爆破振动控制设计

为了确保核电站及其建构筑物的绝对安全，在施工前依据试验提供的工程区衰减规律对爆破设计进行爆破振动计算和校核，确定安全的单响药量，并根据每天、每次的监测结果调整装药量。

运用衰减规律公式对爆破参数进行反算，检验其对核电各关键点产生的振动加速度或振动速度，对进入主隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面爆破安全进行了分析。根据分析结果，所有关键点的振动加速度或速度均在安全允许范围内，能够满足核电安全要求。

4 核电站供水管线保护措施研究

在进入隧道洞口正上方有一输水管线横穿隧道拱顶。水管距隧道洞口18 m，其4#水泥镇墩基础正坐于隧道拱顶3.2 m 处。进入隧道洞口段施工可能对输水管道安全构成威胁。

影响输水管道变形的主要因素为，由于洞内爆破振动和水管正下方因隧道开挖形成临空面后可能引起的地表下沉，如果振动和下沉超过水管接头的允许范围，接头处将会开裂漏水。管线破坏的可能形式主要是因变形过大造成水管开裂漏水。在方案研究中主要从爆破振动药量控制和防止水管下沉控制方面采取了谨慎的措施。

根据核电运行提出的安全指标，水管的振动安全控制标准为振速小于12 cm/s；水管镇墩基础的沉降标准为不超过3 mm。

4.1 施工方案及措施

遵循“预支护、短进尺、弱爆破、快封闭，严控制，勤观测”的原则，分台阶打小导洞开挖进入隧道过供水管线段［1］。

4.1.1 加强洞内支护

采用复合式衬砌，爆破开挖前用直径φ42，长度3.5 m，间排距0.4 m的超前小导管注浆，沿开挖轮廓线以14°的外插角，向开挖面前方较差围岩中打入小钢管并进行注浆，形成对前方围岩的预锚固。在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行爆破开挖，各项爆破参数严格按照制定的爆破方案进行确定。挂钢筋网并初喷混凝土，架立纵向间距0.5 m 的钢拱架，最后在隧道开挖一定里程后进行钢筋混凝土衬砌施工。

4.1.2 加强镇墩位移监测和洞内围岩沉降收敛观测

为了随时掌握供水管线镇墩沉降数据，在镇墩附近布设9个沉降观测点。每天对爆破前后的观测数据进行及时分析，为下一次的爆破开挖提供设计依据，动态掌控镇墩沉降情况。

在隧道内开挖初支护表面每3 m断面沿洞壁设置3个观测点，测量围岩沉降和水平收敛并及时分析，如围岩变形速度过快，则应及时修改支护方案。

4.1.3 供水管线镇墩加固

首先在进入隧道洞内拱顶向上打φ45 注浆小导管，间排距0.8 m×0.8 m，沿洞轴方向水平倾角70°～80°。水泥浆液的水灰比取1∶2，注浆压力控制在1 MPa，在超前小导管尾部焊接直径6 mm 的钢筋加劲，确保注浆效果。通过洞内注浆小导管加固拱顶较深范围的岩层，提高镇墩底部地基的整体强度。

其次在洞外供水管线镇墩下部坡面上打φ45 注浆小导管，间排距为0.8 m×0.8 m，水平倾角30°，垂直坡面，基本能够达到阻止镇墩产生位移的目的。

4.2 隧道围岩稳定计算分析

采用弹塑性有限元法对进入隧道过供水管线段进行稳定计算，同时模拟隧道开挖支护过程［9］。计算模型边界采用5 倍的洞径长度。隧道覆盖层厚仅为4.7 m，左右两侧岩层厚取38 m，下部岩层厚取40 m。模型考虑隧道顶部镇墩及其两侧各2 个支墩，核电站供水管线的作用折算为荷载直接加在镇墩及支墩上。

计算工况考虑未支护和支护后，由计算结果可知，如果开挖时不进行支护，拱顶两侧将形成较大范围的塑性区，并一直延伸至地面，因此拱顶可能发生坍塌危险，镇墩也将发生沉陷，直接影响到拱顶核电站供水管线的安全。隧道开挖过程中同时按设计进行超前小导管注浆和支护，围岩塑性区范围明显减小，仅在拱脚部位出现较小范围塑性区。

4.3 保护措施实施效果评价

进入隧道施工后对镇墩及洞内围岩的观测分析表明大亚湾中微子实验站工程在浅埋土质软岩隧道穿越供水管线镇墩施工中，很好地应用了爆破振动控制、测量监测控制、钢拱架支撑及喷锚支护、注浆小导管加固等多种控制技术措施。充分发挥并有机结合各种施工工艺的不同优点，抑制供水管线镇墩产生毫米级位移，确保核电供水管线镇墩的安全，顺利通过了进入隧道供水管线段施工。

5 结论

⑴爆破试验监测初步确定中微子试验站隧道爆破开挖振动衰减规律，为隧道爆破设计提供了初步依据。根据岭澳核电站一期、二期工程经验，大亚湾中微子实验站隧道爆破开挖时，核岛主体结构的振动控制标准定为0.01g，TB 厂房的振动速度不超过0.2 cm/s，同时提出了其他部位适合本工程的开挖爆破监测控制标准，能够满足核设施的安全要求，并获得了国家核安全局的批准。

⑵通过对大亚湾核电站、岭澳一期、二期核电站核岛附近的大亚湾中微子实验站工程地下隧道及实验厅施工爆破中对核电站安全运行的影响进行研究，确定了合适的爆破参数和技术措施，运用衰减规律公式对爆破参数进行反算，检验其对核电各关键点产生的振动加速度或振动速度，根据分析结果，所有关键点的振动加速度或速度均在安全允许范围内，能够满足核电安全要求。

⑶对浅埋土质进入隧道穿越核电站技术供水管线镇墩技术措施进行了研究，提出了爆破振动控制、测量监测控制、钢拱架支撑及喷锚支护、注浆小导管加固等多种控制技术措施，实际施工中根据观测结果，镇墩最大累计下沉量3 mm，隧洞内拱顶下沉量2 mm，最大水平收敛值0.14 mm，掌子面爆破对镇墩的振动影响不超过规定阈值的10%，确保了核电供水管线镇墩的安全，表明技术措施是有效和可靠的。

⑷在隧道爆破施工过程中，对隧道内围岩及隧道外镇墩、边坡和核岛等主要建筑物进行变形监测和爆破振动监测，确保施工引起的变形和振动影响在安全范围以内，严格控制了振动影响在安全阈值的70%以下。

⑸目前国内外很少有在已运行核电站附近进行地下工程建设的经验可循，本工程的顺利实施为此类工程积累了宝贵的经验，为中国开展中微子实验研究提供了一个平台，实验运行以来取得了重大成功，大亚湾中微子团队获得了“基础物理学突破奖”［10］。