“华龙一号”核电堆型外挂水箱土建施工技术与改进

廖初峰

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

福清核电 5号机组“华龙一号”做为具有我国自主知识产权的第三代核电技术首堆工程，采用单堆布置，其外层安全壳（以下简称外壳）布置有环形外挂水箱结构，外挂水箱为一环形封闭、悬挑、大跨度的特殊结构，其结构复杂，上部荷载大，施工安全风险高。外挂水箱外半径为 32.2 m，结构标高为 38.75～56.2 m，悬挑宽3.9 m，外环墙长202 m，结构楼层包括39.05 m、42.3 m、50.6 m、56.2 m标高四层楼板，楼板厚度分别为300 mm、600 mm、800 mm、600 mm；其中42.3～50.6 m层为设备层，50.6～56.2 m层为水箱层，水箱层内设置不锈钢覆面。

外挂水箱安全等级为LS级（核相关级），质保等级为QA1，外挂水箱结构采用C60混凝土，其混凝土强度试验结果应满足GB/T 50107的规定，现场施工需满足技术规格书、图纸及国家标准规范；根据《福清核电5 + 7号机组一体化三级进度计划》B版，外挂水箱主体结构施工工期为150天。外挂水箱布置形式如图1所示。

图1 5号机组核岛外挂水箱三维图Fig.1 3D diagram of the external hanging water tank in the nuclear island of Unit 5

“华龙一号”外挂水箱相对其他核电机组为新增结构，目前国内外核电没有相关结构施工的经验可借鉴，其土建结构顺利实施极具挑战性。因此，在外挂水箱土建结构施工前，需要解决相关的关键技术问题，包括总体施工逻辑的确定，施工支撑体系的选择与实施、高精埋件的施工及如何分层分段等问题。本文通过系统性的研究分析外挂水箱的施工逻辑和施工技术，针对外挂水箱施工的技术难点，制定应对措施和改进方法。

1 外挂水箱施工逻辑分析

1.1 支撑体系的确定

外挂水箱结构为悬挑 3.9 m的悬臂结构，最低标高为38.75 m，与周边厂房高差较大，外挂水箱与周边厂房结构关系如表1所示，其支撑体系如何设置为现场施工的难点。

表1 外挂水箱与周边厂房结构关系表Table 1 The relationship between the external hanging water tank and the surrounding building structure

根据目前核电现场主要施工经验和方法，现场施工选择的支撑体系主要有两种：脚手架支撑和三角钢平台支撑。对于这两类支撑的优缺点分析如表2所示。

表2 支撑体系分析Table 2 Analysis of the supporting system

综合两种支撑体系的优缺点，三角钢平台实施难度更大，且结合福清核电现场实际工况，外壳施工进度较快，在外壳预埋件在工期上已不满足实际需求。因此，福清核电5号机组外挂水箱采取脚手架支撑方式更适合现场施工工况。

1.2 外壳和外挂水箱的施工逻辑

外挂水箱结构在施工前需确定与外壳的施工逻辑关系，1.1节已分析采取脚手架支撑的施工方法，外挂水箱存在两种施工逻辑：

（1） 外挂水箱与 5RB外层安全壳整体施工，待周边厂房施工完成后实施。

（2） 先施工外壳，再施工外挂水箱，在外壳留设施工缝，外挂水箱作为二次浇筑区。

通过对上述两种施工逻辑从施工难度和总体工期进行分析，这两种施工逻辑的优缺点如表3所示。

表3 外挂水箱与外壳施工逻辑分析Table 3 Analysis for the construction logic of the external hanging water tank and the outer shell

通过对比两种施工逻辑的优缺点，结合现场实际，外壳施工进度快于周边厂房屋面施工，外挂水箱整体留设二次浇筑区的可行性更高，更有利于首堆工程整体工期。因此，建议采用留设二次浇筑区的施工方法，该方法的施工难点及应对措施在下文进行分析。

1.3 钢覆面施工方法的选择

外挂水箱的水箱内设置有钢覆面，各个面均需铺贴不锈钢覆面板，如图2所示。不锈钢覆面施工难度较大，特别是顶板钢覆面的施工，需重点针对顶板施工方法进行分析研究，根据钢覆面的施工工艺和与混凝土施工的逻辑关系，有两种施工方式可以选择：顶板先贴法、后贴法。对于两种方式的选择，需单独进行分析。

图2 不锈钢覆面布置示意图Fig.2 The layout of the stainless steel liner

顶板先贴法：不锈钢覆面在车间进行加工，待顶板底模支设完成后，将加工完成的钢覆面先吊装就位并焊接，进行保护层施工，再施工顶板结构。

后贴法：在结构完成后进行钢覆面施工，为正常的施工工序进行施工，但是顶板的铺贴及焊接难度较大，存在施工质量风险，施工工期相对较长。

根据外挂水箱施工特点，顶板先贴法和后贴法优缺点如表4所示。

表4 钢覆面施工方法分析Table 4 Analysis of the construction method of the steel liner

从上表分析，先贴法对现场施工更加有利，可节约总体工期约25天。

1.4 设备引入逻辑关系

外挂水箱施工过程中涉及设备引入的交叉作业，外挂水箱内布置有15台设备，分别为6台PRS补水箱、6台PCS汽水分离器、3台PRS换热器，其布置关系如图3所示。

图3 外挂水箱内设备布置示意图Fig.3 The layout of equipment in the external hanging water tank

从上图分析，设备引入和土建结构楼板施工存在密切的逻辑关系，为保证设备能正常引入，其施工逻辑如下：

PRS补水箱位于 42.3 m板，需在 42.3～49.8 m墙施工完成后50.6 m板施工前进行引入。

PCS汽水分离器位于50.6 m板，该设备位于水箱内，需在50.6～56.2 m墙施工后完成设备底部不锈钢埋件施工，并在顶板施工前引入。

PRS换热器位于标高42.3 m板，因设备尺寸较大且在水箱内，需待不锈钢覆面施工完成后才能引入，因此，采用后期引入安装，在其顶部56.2 m板上各预留（5.8 × 3.15）m设备吊装孔，等设备引入后进行楼板二次浇筑区施工。

1.5 外挂水箱总体施工逻辑

综合上述分析，外挂水箱结构施工采用二次浇筑区的施工方法，在周边厂房屋面施工完成后启动施工，并在结构施工过程中引入水箱内设备，梳理出外挂水箱的整体施工逻辑如图 4所示。

图4 外挂水箱整体施工逻辑图Fig.4 Integral construction logic diagram of external hanging water tank

2 外挂水箱施工技术

2.1 外壳二次浇筑区施工缝留设

2.1.1确定施工缝留设方式

该施工缝的设置主要指外挂水箱与外壳之间的接槎部位如何处理，经与设计核实，现场可留设施工缝，为保证结构抗剪满足要求，施工缝不宜留在外壳墙体根部。根据上述要求，水箱结构与外壳施工缝可留设在外壳墙体内或往外留在水箱结构楼板上，经分析，两种留设方式的优缺点如表5所示。

表5 施工缝留设方案可行性评估Table 5 Feasibility evaluation for the construction joint setting scheme

通过上述分析，对比两种方案的优缺点，留在筒体内侧更符合现场施工需求。

2.1.2施工缝支设施工方法

根据2.1.1分析，二次浇筑区施工缝留设在墙体内侧，因施工缝位置钢筋密集，施工缝如何进行支设为主要施工难点。

常规施工缝的施工方法一般采用铁丝网及麻袋或无纺布进行拦设，后续支设及拆除难度太大。通过对各种材料进行梳理分析，采用白色泡沫板拦设更有利于现场施工；其施工方法是将白色泡沫板切割成长方形状，用透明胶四周进行缠绕封闭，防止施工过程中破损，利用钢筋网格间隙及扎丝进行固定，在外侧用黑色硬质泡沫板固定钢筋，能达到留设施工缝的目的，并可降低后期施工缝的剔凿难度。

2.2 脚手架支撑体系施工难点及控制要点

外挂水箱脚手架的施工难点为支撑体系承重荷载大，脚手架高度高，KB及LB楼梯间结构尚未施工完成，楼梯间跨度达到 8 m，无法直接搭设脚手架。

为保证脚手架支撑体系满足承载要求，综合水箱结构布置及周边厂房结构实际状态，确定如下应对措施：

（1） 明确承重脚手架计算原则：按照最不利的原则进行计算以确保安全，楼板按最厚板荷载进行计算，设备部位需考虑设备荷载。

（2） 楼梯间区域结构施工滞后，且楼板厚度小，无法直接支撑上部荷载，因此，需设置钢梁作为脚手架支撑点，通过图 3可以看出，需在楼梯间两侧墙体预埋件及安装牛腿或利用周边屋面支撑，才能进行工字钢梁架设，并在钢梁上部搭设脚手架，每个楼梯间工字钢梁设置6道。钢梁布置如图5、图6所示。

外挂水箱脚手架搭设方法按如下：

楼板下方：（900 × 900 × 1 200）mm

外环墙体下方：（450 × 450 × 1 200）mm

补水箱设备下方：（450 × 450 × 1 200）mm

无 42.3 m 层楼板区域墙体下方：（300 ×300 × 1 200）mm

周边厂房楼梯间位置下方设置钢梁支撑，在钢梁上方搭设脚手架，间距：（900 × 900 ×1 200）mm

图5 楼梯间钢柱布置示意图Fig.5 The layout of the steel column in the stairwell

图6 脚手架搭设立面示意图Fig.6 Schematic of the scaffolding erection

脚手架搭设施工技术控制要点：

连墙件设置：设置间距为两步两跨。

剪刀撑设置：纵横向均需设置连续剪刀撑，横向剪刀撑每隔 6 m设置一道[1]，纵向剪刀撑沿外圈连续设置，在架体底部、顶部及竖向间隔不超过8 m分别设置连续水平剪刀撑。

每搭设6 m高进行一次验收，并设置水平安全兜网，验收合格后方可进行下一层脚手架搭设。

脚手架搭设完成后进行荷载试验，验证脚手架的支撑能力，并核实脚手架的压缩变形值，为后续底模支设标高控制提供依据。

2.3 结构分层分段的划分

外挂水箱为悬挑结构，需长期蓄水，并布置 PRS、PCS系统的设备和管道，结构受力荷载较大；因此，结构施工分层分段设置的合理性非常重要，既要保证结构受力不受影响，又要保证现场施工便捷，形成流水施工，现场分层分段需考虑如下原则。

根据结构层高度，合理设置模板高度模数，通过对各层结构分析，模板高度为 3.9 m较为合适，42.3～50.6 m层墙体分两层施工，每层高度为 3.75 m，50.6～56.2 m 层墙体留设一层施工缝。

42.3 m板为首层受力板，按结构自然分段进行划分，共分为3段。

施工缝位置可根据现场实际情况适当调整，但须保证上下层施工缝错开1 m以上。

根据现场实际情况，各分层分段可合并浇筑。

综合上述因素，外挂水箱分层分段如下。

外挂水箱水平分层整体分8层施工，标高分别为39.05 m板、39.05～42.3 m墙板、42.3～46.05 m 墙、46.05～49.8 m 墙、50.6 m 板、50.6～54.1 m墙、54.1～56.2 m墙板、女儿墙。

外挂水箱竖向分段在42.3 m板及以下分为3段，42.3 m以上4个楼梯间和3个换料器贯穿件部位单独设置分段，其他区域不再设置分段，总共分为13段，各段之间可根据现场情况合并浇筑；外挂水箱分层分段如图7所示。

图7 外挂水箱分层分段图Fig.7 Layered and segmented diagram of external hanging water tank

2.4 混凝土施工技术

外挂水箱为悬挑结构，其悬挑根部受力大，施工缝的处理、混凝土的密实度、坍落度的控制及如何控制混凝土的泵送问题需重点控制，外挂水箱混凝土施工技术主要控制点如下：

（1） 施工缝处理：外挂水箱与外壳施工缝处理的好坏直接影响外挂水箱结构的施工质量和安全性，该施工缝设置于外壳墙体内侧约180 mm部位，施工缝处理时需剃凿至钢筋内，将预留施工缝的泡沫板全部剔除干净并保持混凝土面的粗糙度，同时不得损伤或破坏结构钢筋。

（2） 合理选择布料设备，外挂水箱整圈长202 m，外圈直径为64.4 m，布料设备需对水箱结构区域全覆盖。

（3） 外挂水箱采用C60高强混凝土，混凝土浇筑时需严格控制混凝土坍落度（控制230 mm为宜）和入模温度（25 ℃为宜），并控制混凝土现场等待时间，混凝土从搅拌至浇筑时间不超过1.5 h，混凝土分层浇筑应采用自然流淌形成斜坡，并沿高度均匀上升，分层厚度不宜大于500 mm[2]，每层接缝时间不得超过混凝土初凝时间。

（4） 外挂水箱垂直高度达50余米，混凝土浇筑布料管线需尽可能缩短，并减少泵管弯头，条件允许的情况下采用二级地泵接力泵送的方式，降低堵管的风险。

（5） 混凝土养护采取带模养护和覆盖浇水养护，在模板拆除后立即涂刷养护剂，避免墙体水分散失而产生裂缝。

（6） 外壳施工缝位置因留设在墙体内侧，该位置混凝土振捣质量尤为重要。为保证施工质量采取如下措施：

施工缝上口剃凿层斜口，便于振捣棒伸入振捣和确保混凝土的密实度。

在楼板钢筋上支设吊模，施工缝位置混凝土加高浇筑，浇筑完成后剔除。

安排专人进行振捣，并安排技术员重点关注跟踪振捣状态。

2.5 钢筋工程

外挂水箱墙、板中锚入筒体的钢筋采用抗飞机撞击用钢筋机械接头，增加的抗剪钢筋可采用普通的钢筋接头，外挂水箱其他位置的钢筋连接采用普通的钢筋接头。钢筋绑扎施工难点及控制措施如下。

（1） 外壳二次浇筑区钢筋预留控制

外挂水箱采取二次浇筑的施工方法，与外壳相连处采取 100%接头率，且增加有直径32 mm的抗剪钢筋，施工缝位置钢筋较为密集，钢筋预留位置的准确对后续外挂水箱施工的非常关键；因此，需严格控制好钢筋位置。

应对措施：

1）通过技术策划提前进行钢筋放样，确定外壳筒体钢筋位置，并预留出预埋插筋的位置。

2）现场绑扎时保证预埋插筋接头在同一水平线上，并保证上下钢筋的间距大于水平钢筋机械接头的直径，确保水平钢筋能够正常绑扎。

3）预埋插筋绑扎时需确保钢筋水平度和角度，避免后续外侧钢筋连接时上下左右位置偏差超差。

4）采取强度较高的黑色泡沫板固定钢筋位置，墙体内侧设置引筋固定，避免混凝土浇筑过程中振捣造成钢筋偏位。

（2） 与外壳相连钢筋机械接头施工质量的控制

外挂水箱为悬挑结构，钢筋受拉受剪较大，施工缝位置采用100%钢筋机械连接，其钢筋连接的施工质量非常重要；因此，钢筋绑扎过程中，对预埋外壳的抗飞机机械接头的力矩进行100%检查，确保接头合格率达到100%。

2.6 设备高精预埋件安装

依据施工图纸，PRS换热器和PRS补水箱设备预埋件安装精度较高。

换热器设备如图 8所示，其预埋物项由三部分组成，包含外壳墙体上一块侧壁埋件、板底2块埋件以及隔墙2个贯穿件，其组成较为复杂，需考虑埋件本身安装误差以及各埋件间的相对误差。侧壁固定埋件位于外壳第17层，埋件包含预埋板、预埋螺栓、锚固板等组成；42.3 m板上每个换热器布置有2块预埋件，预埋件上留设 4个螺栓孔；在水箱隔墙上布置两个贯穿件，内径为2 300 mm。

图8 换热器设备图Fig.8 Buried parts of the makeup water tank

PRS换热器埋件安装控制要点如下所示。

（1） PRS换热器侧边固定埋件位于外壳第17层，需提前跟踪设备埋件的到场情况，于现场使用前1个月到场，并提前对预埋件进行组装，该埋件需在17层钢筋绑扎前提前将埋件就位。

（2） PRS换热器贯穿件施工前，根据贯穿件套筒的具体位置预埋槽钢作为加固支撑，需保证上下两个套筒的同轴度，并严格控制与42.3 m板上预埋件的相对位置，确保设备能准确就位安装。

（3） 提前跟踪材料采购进度，PRS换料器贯穿件为不锈钢材质，钢板厚度25 mm及其他多种材料和型号，且为核二级材料，采购周期长，需重点关注采购进展和材料种类。

（4） 为减少埋件偏差对设备安装的影响，PRS换料器设备本体底部支撑板和侧壁连接杆件预留螺栓孔，根据现场实际位置进行开孔，避免现场偏差导致后期处理困难。

PRS补水箱设备预埋件位于 42.3 m楼板上，包含24个螺栓组件和预埋环板，其安装精度较难控制。补水箱设备埋件需在底层钢筋绑扎完成后进行设备埋件定位放线，同时制作固定螺栓的环板工装，确定螺栓位置，螺栓初步固定位置后再进行顶层钢筋的绑扎，可避免后期螺栓安装调整与钢筋干涉。

混凝土浇筑过程中，对高精度埋件进行实时监测，并安排专人进行微调，振动棒避免直接碰触埋件本体，减少混凝土浇筑和振捣对埋件的扰动。

2.7 设备区域楼板支撑

根据1.4节设备引入的施工逻辑，在结构施工过程中，需提前将设备引入，因设备尺寸较大，设备位置楼板支撑脚手架无法正常搭设，需采取应对措施；外挂水箱内设备信息如表6所示。

表6 设备信息Table 6 Equipment information

PRS换热器位于 42.30 m板，上部预留吊装洞口，待设备引入后进行洞口部位混凝土施工。从表6可知，换热器设备尺寸较大，距离两侧墙体约350 mm，设备上方净空超过6 m；因此，预留洞口施工脚手架支撑无法直接搭设，需在设备上方架设钢梁进行支撑，采用四管柱支撑钢梁，钢梁铺设完成后在其上方搭设满堂脚手架支撑体系。

PRS补水箱同样距离两侧墙体很近，无法直接搭设脚手架支撑，且设备上部空间较小，需采用型钢支撑方式，并控制钢梁标高，在钢梁平台上直接铺设底模。

PCS汽水分离器尺寸较小，不影响支撑体系的搭设，但因设备顶部和顶部距离仅10 cm，主次龙骨需避开设备最顶部，同时设备顶部无法进行防护，底模施工时需重点关注避免对设备的污染和损伤。

2.8 实施效果

通过采用上文中分析的施工逻辑和施工技术，施工质量得到有效的保证，福清核电 5号机组“华龙一号”外挂水箱结构施工过程进展顺利，于2018年9月施工完成；在支撑脚手架及模板拆除后，混凝土结构表观质量良好，并通过主体结构验收，外挂水箱主体结构施工满足技术规格书、图纸和混凝土结构工程施工质量验收规范等要求，混凝土强度达到设计要求。在主体结构施工完成后，于2019年7月进行外挂水箱盛水试验（水箱悬挑结构不锈钢覆面水池内盛满水），通过 15天的盛水观察，各边界及检漏管均正常，无渗漏及滴水情况，土建结构未见明显缺陷和裂缝，同样说明外挂水箱土建结构施工满足设计要求。

3 改进与优化建议

3.1 采用预埋型钢桁架支撑代替脚手架支撑体系

因 5号机组外挂水箱脚手架支撑体系工程量大，脚手架搭设时间长，且对周边厂房APC防护厂房屋面施工影响较大，为有效解决该问题，采取钢桁架作为外挂水箱支撑体系，降低外挂水箱的施工难度及风险，力求最大限度的方便施工，其主要优缺点如表7所示。

表7 钢桁架施工优缺点Table 7 Advantages and disadvantages of the steel truss construction

从表7分析，采用钢桁架支撑相对脚手架支撑更利于现场施工，与外壳整体施工，可提前完成外挂水箱的结构施工，为 PRS、PCS系统安装赢得较多的安装时间，可避免PRS、PCS系统安装成为热试的施工主线。因此，建议采用桁架钢平台作为外挂水箱支撑体系钢桁架的设置形式如图9和图10所示。

图9 钢桁架的设置形式Fig.9 The setting form of the steel truss

图10 钢桁架总体效果图Fig.10 Overall effect diagram of the steel truss

福清核电6号机组已使用该施工方法，支撑体系为在外壳筒体内预埋型钢立柱，通过立柱与钢桁架连接保证桁架的受力，同时在水箱结构外侧设置1 m可拆卸的桁架平台，作为施工操作平台，待结构施工完成后拆除，水箱结构正下方的钢桁架永久保留。

通过采用钢桁架的施工方法，周边厂房屋面不受水箱结构施工影响，如6号机组6LB电气厂房APC壳屋面在外挂水箱结构50.6 m板施工时已完成屋面施工，对比5号机组该部位施工工期提前完成约 5个月；同时外挂水箱结构在外壳13层施工时即开始施工，对比福清核电5号机组可提前约 6个月启动外挂水箱结构施工，有利于热试等节点的实现。

3.2 增加不锈钢覆面先贴法施工范围

福清核电 5号机组筒体外壳外挂水箱不锈钢覆面施工时，顶板使用先贴法施工，壁板及底板采用传统工艺施工。壁板及底板工程大，外挂水箱为密闭结构，其施工难度大、施工效率低、施工周期长。为有效解决该问题，降低施工难度，后续机组施工时建议进行改进，增加先贴法施工的范围。

和顶板先贴法相比，增加水箱池壁先贴法更符合外挂水箱施工需求，采用单片模块化进行施工可达到节约工期和降低施工难度的目的。池壁顶板先贴法施工优缺点分析如表8所示。

图11 覆面单片式模块化布置图Fig.11 The modular layout of the single-chip liner

表8 侧壁顶板先贴法优缺点Table 8 Advantages and disadvantages of the priority assembly method for the side wall roof

经上表分析，采用侧壁顶板单片式模块化施工对工期贡献比顶板先贴法更大，虽然会增加土建结构施工时工期，但采用模块化施工方法，大量焊接和探伤工作在加工厂内完成，可以大量地减少后期不锈钢覆面安装的时间和探伤检测的时间，从而节约总体工期，根据先贴法工程量及前后台人员施工效率对比后贴法施工，可节约不锈钢覆面盛水试验主线工期2个月，福清核电6号机组已采用该施工方法。

4 结论

综上所述，“华龙一号”堆型外挂水箱的施工要点主要为提前确定可行的施工逻辑和支撑体系、合理的分层分段、控制好与外壳连接区域施工质量及混凝土的浇筑质量等，是施工达到良好效果的关键。本工程在外挂水箱施工的各个环节，有针对性的采取技术措施有效的对外挂水箱施工过程中存在的问题和困难进行了预防和解决，主体结构工程施工过程顺利，未出现质量事故事件，施工效果良好。文中分析改进优化的施工技术，对降低外挂水箱的施工难度和节约施工工期均有较大优势，福清核电6号机组已采取改进措施。

本文关于“华龙一号”外挂水箱土建结构的施工逻辑和施工技术对后续类似的核电工程悬挑结构施工具有一定的借鉴价值和指导意义。