上海瑞金醫院質子治療中心項目策劃與工程實施

姚 蓁

上海市衛生基建管理中心 上海 200080

1 工程概況

上海瑞金醫院腫瘤（質子）治療中心（下稱“治療中心”）是一個集質子技術研究、開發、生產、臨床應用于一體的醫療機構。主要功能可以分為質子治療區、質子裝置設備區、非質子醫療區、研發辦公區、能源供應區等。治療中心總建筑面積24 875 m2，主要建設內容為治療室（3個旋轉治療室、1個固定束治療室和1個固定束實驗室）、直線加速器區域、質子輔助用房區域（包括放射科區、公共部分、其他輔助用房等區域）、門診、質子治療區（地上）、后勤服務、科研用房和應用培訓區域。

2 建設難點分析

上海市首家質子重離子治療機構——上海市質子重離子醫院于2015年5月正式開業，我們在該院建設經驗的基礎上，對治療中心項目進行了建設難點分析，但質子設施與重離子設施對建設的要求并不完全一致，這類非常規醫療建設項目應該更加注重項目管理的前期介入，為項目后期建設的投資、進度、質量控制奠定良好的基礎，從而確保整個項目的正常有序進行[1]。

2.1 輻射防護難度大

由于質子治療裝置是一個高能量的粒子加速器裝置，該裝置在運行過程中會造成輻射屏蔽墻的活化而產生放射性。因此，從輻射安全的角度，治療中心必須將因活化而產生的感生放射性對工作人員的輻射降低到盡可能低的水平[2]，輻射劑量約束值為5 mSv/a、屏蔽設計為屏蔽體外表面劑量率小于2.5 μSv/h，因此治療中心對輻射的防護屏蔽難度極大。

2.2 大體積混凝土裂縫控制難度大

瑞金醫院質子治療用房、直線加速器用房區內有放射源，為屏蔽射線須設置厚度很大的混凝土墻體及頂板。而由于內外溫度的變化、收縮和約束變形等共同作用會對大體積混凝土產生裂縫，并且如果裂縫的預防和控制做得不夠及時、有效，可能會衍生成貫穿的裂縫，從而嚴重影響結構的整體安全和使用壽命，更有可能影響屏蔽效果，造成重大的安全隱患，因此治療中心對混凝土的裂縫控制難度大。

治療區域墻體厚度不等，最寬處近4 m。結構樓板厚度同樣變化較大，為1 100～2 500 mm不等，因此施工起來有很大難度。同時由于治療區要求防輻射，所以PT區結構裂縫不應出現，如出現裂縫，不得有寬度大于0.2 mm的貫穿裂縫。

2.3 結構沉降要求高

質子治療設備對建筑結構的沉降要求極高，要求不均勻沉降差前3 a為每10 m不超過0.35 mm/a，3 a后每10 m不超過0.25 mm/a。

2.4 變形和振動控制要求高

質子治療裝置的正常運轉依賴于設備所有部位的精確定位，一旦振動和變形超過要求范圍，質子治療裝置都將無可避免地需要重新校準，從而嚴重影響質子醫院的正常運營。根據《上海先進質子治療裝置建安及公用設施設計要求》：“質子裝置建筑正式交付設備安裝1 a以后，加速器大廳、輸運線隧道和固定治療倉、輸運線和實驗治療倉基礎底板差異變形每10 m小于0.5 mm/a，微振動控制指標為5～35 Hz頻率范圍內小于50 μm。”

2.5 工藝冷卻水系統要求高

質子治療裝置正常運行的關鍵因素是工藝冷卻水系統的要求符合標準[3]。質子治療裝置的能量在腫瘤患者治療期間內會不斷持續地變化，所以要求冷卻水進水口的溫度以及壓力控制的精度都保持穩定不變，同時，全容量的水循環全年不間斷，并且每天24 h持續運轉，因此必須保證冷卻水系統的開機率達99.9%，從而滿足質子治療設備在負荷變化階段的正常運行。同時冷卻水要求使用高純、低電導率水質，所以對冷卻水控制系統及材質、對輸送管道的清潔均提出了很高的要求。另外為了確保質子重離子設備的安裝調試，要確保冷卻設備具有無負荷狀況下運行能力。

由于質子治療技術的特殊性，治療中心具有不同于傳統醫院建筑的特點，這使得治療中心項目實施策劃的重點落在前期技術策劃環節上。前期技術策劃的主要內容包括對項目重大技術方案的分析、關鍵技術的論證以及技術標準與規范的選用，對于可能涉及引進技術或新技術的質子醫院項目，還需制訂相應設計標準。

3 項目實施方案前期策劃

3.1 工程的設計策劃

3.1.1 基礎微變形、微振動控制方案的設計策劃

本工程質子區基礎采用鉆孔灌注樁深基礎，采取樁端后注漿技術措施，并嚴格控制樁頂荷載水平，同時加強基礎底板剛度[4]。根據本工程地質條件，以⑨層粉砂作為樁端持力層工后不均勻沉降估算值每10 m約0.43 mm/a，滿足每10 m不超過0.5 mm/a的控制要求。質子區樁基礎采用φ800 mm鉆孔灌注樁，單樁抗壓承載力設計值取用值約為1 500 kN，有效樁長66 m，樁數共計約359根。

非質子區域采用φ650 mm常規灌注樁，有效樁長36 m，以⑧1層土作為樁端持力層，樁端不注漿，單樁抗壓承載力設計值約為1 490 kN，單樁抗拔承載力設計值為1 100 kN，共計574根。根據輻射屏蔽要求和結構底板受力要求，質子區側墻最大厚度為2 800 mm，底板厚度為2 400 mm。

3.1.2 空調專業工程技術方案策劃

保證質子治療效果的必要條件是恒溫恒濕的室內環境，因此治療中心空調專業的技術難點在于工藝冷源設計，工藝冷源是指工藝空調和工藝冷卻水系統冷源。

瑞金質子醫院冷源設計方案綜合工藝要求、系統安全可靠、技術、經濟等因素考慮，工藝冷源與空調冷源的配置決定采用質子治療區的工藝冷卻水和工藝空調冷源聯合集中設計，非質子治療區的舒適性空調冷源獨立設計[5]。

根據質子重離子醫院的經驗，要求冷機能夠在系統零負荷狀態下正常運行，保證不停機。因此本次設計工藝冷源冷水機組策劃采用制冷劑管路熱氣旁通技術滿足工藝冷源零負荷運行要求。

3.1.3 項目給排水專業工程技術方案策劃

1）廢水處置的技術方案策劃：一次冷卻水采用封閉回路進行循環冷卻，但在設備相關部位檢修時，或者一次冷卻水循環系統發生故障，從而導致泄漏事故時，需將含有短半衰期放射性物質的冷卻水收集與存儲在廢水貯存池內，待放射性元素衰變和輻射凈化后，監測符合標準要求并經環境監管部門同意后方可排入市政道路排水管網。加速器大廳、高能束流輸運線隧道及各治療倉地面靠墻一側沿途設有排水溝，專門收集管道破裂等導致排放的廢水。通過排水溝內設置的地漏及底板內敷設的管道排入專門的事故集水井中。事故集水井有效容積約3.5 m3，集水井底部和四周需要至少2 m的防護厚度。集水井內設置排水泵，通過預埋管道排至質子治療裝置建筑外的衰變池。事故集水井和廢水貯存池都需有防滲功能。

2）管道布設策劃：作為放射性治療裝置的輻射防護有特殊要求，所有進出管道，在穿越墻處套管與管道之間縫隙均應用柔性不燃密實防火封堵材料和防水油膏填實。根據輻射安全的相關要求，采用專用厚壁不銹鋼管道作為穿越質子治療區的排水和供水管道，穿越質子治療工藝設備隧道的排水管道在穿越隧道墻壁處設置厚壁不銹鋼專用套管，排水套管的壁厚均滿足50 a的防輻射要求。

3.1.4 項目電氣專業工程技術方案策劃

1）質子區醫療設施的電氣設計策劃：相關規范中對質子區醫療設施的供電負荷等級、類別劃分以及要求自動恢復供電的時間均未提及，為此在初步設計階段確定了質子裝置工藝設備中的加速器控制系統、治療控制系統、旋轉治療室的大型旋轉機架等的供電電源為一級負荷中特別重要負荷。最終確定質子裝置配置4臺10 kV/0.4 kV的變壓器作為質子裝置工藝設備的供電電源，其余公共部位配置2臺2 000 kV·A干式變壓器，防止二者在使用過程中相互干擾。在地上1層設置800 kW室外型柴油發電機組作為第3路電源，為消防設施、弱電系統、加速器控制系統、治療控制系統、旋轉治療室的大型旋轉機架、真空泵等特種醫療設備用電提供應急電源[6]。

2）質子治療裝置接地方案設計策劃：質子治療裝置要達到高精度、高穩定、高可靠的運行，接地系統是其中重要的因素之一。由于質子治療裝置包含有高功率微波系統的運行，因此裝置設備接地系統采用平面接地裝置、高頻多點接地母排的形式，盡量降低地線阻抗。質子治療裝置加速器設備接地系統包括接地裝置、接地導體和接地母排組成，其中接地裝置在建筑混凝土層之下，接地導體在混凝土或墻體中，接地母排在墻面或地溝中。

3.2 工程的施工工藝策劃

3.2.1 超厚混凝土墻板施工技術方案實施策劃

為了保證大體積混凝土構件的順利施工，避免產生過大裂縫。治療中心在施工時要從混凝土材料和施工工藝兩方面出發，提高混凝土的抗裂性能和其他多方面性能，具體措施為：優化混凝土配合比；采用滿足整體連續性要求的混凝土澆筑方法，不出現施工冷縫；采用外蓄內散的綜合養護措施加強對混凝土的養護；為保證大體積混凝土構件的順利施工，避免產生過大裂縫，在施工前進行了足尺墻體澆筑模擬試驗。

1）足尺墻體澆筑模擬試驗。足尺墻體澆筑模擬實驗的試件尺寸為長3 m、厚2.8 m、高4 m，基礎尺寸為長4 m、寬3.8 m、高0.3 m；混凝土強度等級為C30，混凝土密度為2.35 t/m3，混凝土內摻入混合型膨脹纖維抗裂防水劑SY-K，摻量為膠凝材料的8%，埋件500 mm×500 mm×14 mm，預留管3根S形埋管。試驗目的是確定混凝土配合比、檢測混凝土密度（取芯檢測）是否滿足設計要求、測試大體積混凝土的養護方式、確定拆模時間、確定模板安裝方案和確定埋件、預留管加固方案。

2）優化混凝土配合比，提高混凝土極限抗拉強度，減少混凝土硬化過程的收縮。在混凝土澆筑前，結合產地材料，優化原材料，配制高性能混凝土，采用雙摻技術，降低水泥水化熱，減少單位水泥用量，采用低水膠比，延長混凝土凝結時間，確定優化的配合比。

3）混凝土澆筑必須滿足整體連續性的要求，不出現施工冷縫。澆筑方法采用斜面分層，薄層澆筑，自然流淌，連續澆筑到頂的方法，分層厚度為500 mm，自然流淌坡度控制在1∶6～1∶10；振搗采用φ50 mm插入式振搗器振搗，鋼筋密集區采用φ30 mm插入式振搗器，著重注意混凝土的坡頂、坡中、坡腳處的振搗，確保混凝土的密實，振搗間距不超過50 cm，振搗棒插入下一層50 mm。

3.2.2 高精度大型預埋件施工技術方案實施策劃

治療中心核心區由于對變形控制要求高，故該處的預埋件設計有嚴格的控制要求。

為滿足最小變形精度要求，治療中心此部分的預埋件錨固連接件采用型鋼錨固構件代替傳統的預埋鋼筋錨固連接形式，從而有效地提高設備連接構件的剛度，將旋轉機架運行過程中，由振動荷載作用引起的連結端變形降低到目標控制范圍之內，從而保證滿足設備的使用功能上的精度要求。

4 項目工程實施

4.1 高精度大型預埋件施工

考慮到高精度大型預埋件制作、運輸和安裝難度大，本次預埋件施工技術方案從高精度大型預埋件制作、運輸和安裝3個方面展開。

4.1.1 高精度大型預埋件制作

高精度大型預埋件尺寸較大，在預埋件制作過程中難以避免變形、翹曲等問題，并且收縮量和鋼板預埋件變形難以控制，所以治療中心采取預埋件整體制作的方案。為了確保預埋件的平整滿足要求，預埋件與水平型鋼采用工廠加工焊接，為便于運輸、安裝，將整個埋件分成3部分，鋼立柱總長度9.85 m，總質量約11 t，鋼柱分2段吊裝，分段后單根長度約5 m，質量約6 t，水平段懸臂鋼梁長約3.3 m，沿中部設置分段縫，一部分與鋼梁柱相連，在工廠完成焊接，另一部分與端部鋼板相連，現場待鋼立柱初步定位安裝后對懸臂鋼梁及連接鋼板進行平面度、垂直度誤差調整，再行緊固連接。

4.1.2 高精度大型預埋件運輸

預埋件每段的質量和尺寸均較大，在運輸前先查看預埋件的尺寸、型號和厚度等，確保其各方面都滿足相關的質量標準后，才可以安排專用的運輸車輛運至施工現場。并且預埋件在運輸途中要做好防護，防止在運輸過程中磕碰受損。當預埋件運輸至現場后，在安裝前為了避免預埋件受潮生銹，不可直接放置地面，并要做好相應的防雨防潮的措施。

4.1.3 高精度大型預埋件安裝

預埋件安裝按照施工圖進行定位和安裝，在安裝的過程中，應該時刻控制好埋件的平整度。當準確地放好位置后，可以先采用貼身等固定埋件，直到其水平定位合格，再最終對預埋件進行固定。

4.2 預防和控制大體積混凝土的裂縫施工

4.2.1 控制混凝土溫差值、延緩降溫速率

采用外蓄內散的綜合養護措施，厚度為2.8 m的混凝土墻板，減少溫度應力和控制混凝土裂縫至關重要，除了優化混凝土配合比、降低混凝土水化熱，最大限度地降低混凝入模溫度外，在內外溫差＞20 K時，混凝土表面用保溫效果好的材料覆蓋，提高表面溫度，保溫與保濕結合養護。

測溫系統采用“大體積混凝土溫度遠程監測系統”，該系統采用全數字式方式對大體積混凝土水化熱過程中溫度變化狀況進行監測，測點布置須全面反映大體積混凝土內各部位的溫度，從大體積混凝土厚度斷面考慮，應包括底面、中心和上表面，從平面考慮應包括中部和邊角區（圖1），大體積混凝土試件內部設溫度測點56個（距C測軸旁10 cm處備份1根測軸），另設環境溫度測點1個，共設57個溫度測點。

圖1 溫度測點布置示意

墻體溫度監控結果顯示（以墻中心點為例）：該處至墻體外側厚度為1.4 m，混凝土澆筑3 d后溫度達到峰值，墻中部溫度達62.1 ℃，墻內側達57.3 ℃，墻外側達54 ℃，其后開始緩慢下降。混凝土澆筑時溫度為18 ℃左右，在升溫階段，溫差最大時為8.2 K，在降溫階段，溫差最大時為11.3 K，整個過程，內外溫差不超過25 K。

根據對測溫原始記錄資料分析以及混凝土內的溫度變化曲線反映的情況，本工程墻板與頂板的內外溫差均小于25 K，滿足有關規范的要求，不會出現因溫度變化引起的有害裂縫；通過取芯測定的混凝土密度均大于2.35 t/m3；墻板內外溫差較小，說明本工程用的膠合板支模兼作為混凝土的保溫材料保溫效果良好；養護過程中，對混凝土的表面作檢查，未見較大的有害裂縫，從混凝土溫度實測數據來看，養護情況良好。總體來看，基本達到了預期的試驗目的，為大體積混凝土施工方案提供了有效的依據。

4.2.2 減少混凝土構件收縮

實用的措施包括：科學設計水灰比，嚴格控制水泥和拌和水的用量；選擇合適的骨料級配，合理降低砂率，增加骨料粒徑；嚴格控制混凝土的砂、石含泥量；設置混凝土后澆帶等。

4.2.3 改善混凝土的約束條件

在充分考慮混凝土構件整體性的前提下，設置永久性伸縮縫，將超長、超大體積的現澆混凝土構件分成若干段，釋放變形，減少約束應力，質子區域的混凝土澆筑分為深坑二區底板、實驗倉地下1層結構、加速頂板2.80 m結構、中控室6.50 m結構、深坑1區大底板、旋轉治療倉第1節鋼筋模板混凝土、旋轉治療倉第2節鋼筋模板混凝土、旋轉治療倉第3節鋼筋模板混凝土、旋轉治療倉第4節鋼筋模板混凝土、旋轉治療倉第5節鋼筋模板混凝土、深坑1區封頂和設備房封頂至6.5 m（圖2）。

4.2.4 對混凝土構件進行合理的保溫、保濕養護

圖2 分段澆筑模擬

具體的做法是：在混凝土澆筑完畢后，即在其表面覆蓋一層或多層隔熱材料，模板采用加厚九夾板，確保其保溫性能。當內表溫差大于23 K時，模板外圍包裹保溫材料。模板的拆除，除了滿足強度要求外，也應滿足溫度的要求，當環境溫度與側表層的溫差小于20 K，并且側表層的溫度與中心的溫度之差小于20 K時，拆除一側軸的模板，如24 h后相應的溫差仍小于25 K的，可拆除全部模板。

5 結語

項目實施策劃作為前期策劃中的主要部分，對項目實施階段起著決定性作用。由于治療中心與傳統醫院相比的特殊性，建設治療中心必須有著完善的項目實施策劃方案，方可順利完成。

上海瑞金醫院質子治療中心具有工期進度緊張、技術要求高、協調溝通難、整體系統復雜等特點，國內尚沒有現成案例可以借鑒。在實際施工中按照前期策劃中確定的實施策劃方案高質量高水平的實施建設，實施過程中未出現施工安全和質量問題，在保質保量的基礎上順利按時完成了該項目，達到了設計需要的各項技術要求，為將來同類工程提供了思路和借鑒。