中國散裂中子源靶站熱室施工關鍵技術

袁 斌

廣東省建筑工程機械施工有限公司 廣東 廣州 510500

1 工程概況

中國散裂中子源是世界四大脈沖式中子源之一，屬于大型射線裝置。其質子束流線在經過充分加速轟擊重金屬鎢靶產生中子的過程中，瞬發的高劑量輻射會污染靶心內部的所有部件和物質。當這些部件需要進行必要的維護、調整、清潔等作業時，如靶體更換、慢化器反射體插件（M-R插件）轉運和廢管剪切縮容等均必須在熱室內部進行，在采取去污、包裝和相關屏蔽等措施，使部件或物質的輻射劑量達到清潔解控標準后，才能夠轉運出熱室。所以熱室必須是科研人員可在室外操作室內作業，同時屏蔽輻射且易于清潔的完全密閉空間。中國散裂中子源（CSNS）熱室位于靶站東北側，其結構與靶心相連，并設有拖車通道，主要由內襯不銹鋼殼體、功能構件和各類預埋管線、外包高結晶水重質混凝土墻體與嵌合式重質混凝土蓋板組成（圖1）。

圖1 靶心與熱室平面示意

2 特點和難點

1）熱室內襯為304不銹鋼殼體，底板厚度10 mm，邊板厚度4 mm，內徑尺寸為18 000 mm×4 650 mm×4 000 mm（長×寬×高）。安裝完成后要求向地漏傾斜坡度為1/200；殼體各墻面垂直度公差為5 mm（1 m范圍）；熱室地面平面度允許偏差為3 mm（1 m范圍）；墻體平面度允許偏差為5 mm（1 m范圍）；其光潔度達到1.6，墻角焊縫光潔度達到3.2。大尺寸金屬薄殼結構在制作運輸和精準安裝過程中，尺寸和變形控制是施工的重、難點。

2）為實現熱室屏蔽防護及室外操作等功能，其周邊側墻設置了大型鉛玻璃窺視窗與鑄鐵屏、機械手、拖車通道、防護門、廢液排放、壓空、照明、攝像、劑量探測及供水等19種各類系統近百個（根）預埋構件及迷宮管道，且空間位置精準度要求極高。如何保證安裝準確牢固且作業全過程無變形偏移是施工控制的難點。

3）熱室墻體及嵌合式蓋板為高結晶水重質混凝土澆筑成形，主要承擔屏蔽防護功能，要求現澆墻體尺寸精準平整，無任何貫穿裂縫。由于墻體中預埋構件及管道密布，如何確保施工性能迥異于普通混凝土的重質混凝土在澆筑過程中達到密實均勻是施工的控制難點。

3 關鍵施工技術

為將厚4 mm的不銹鋼板拼裝成各面的垂直度公差小于2 mm（1 m范圍）的超大型殼體，并在后續工序中不產生超出允許值的變形，確保近百根預埋管的精確定位，采用了在專業車間分2段制作（每段9 000 mm×4 650 mm×4 000 mm的側頂兩面開口盒體）、分段運輸、現場拼裝的方案，同時運用了殼體分體式制作拼裝技術、大型功能件精確安裝技術以及重質混凝土墻體施工技術[1-3]。

3.1 不銹鋼殼體制作安裝技術

3.1.1 分體式龍骨框架及覆面板制作拼裝

1）龍骨架制作。龍骨框架由16#和10#槽鋼交替焊接組成。在操作平臺上分別預制四面側壁龍骨架，按圖紙形式和尺寸拼裝點焊成形，用水平儀調平調正后，將框架和平臺進行固定，以防焊接變形，焊接完成后將焊縫區飛濺、藥皮打磨平整。龍骨架上設置與不銹鋼覆面板之間的過渡板，采用間斷焊分別從兩側焊接，焊縫長100 mm，間斷150 mm，兩側焊縫錯開。完成后，將焊縫打磨平整，檢查過渡板的平面度和直線度，保證型鋼龍骨架符合方案及圖紙的技術要求。

2）覆面板的焊接。在型鋼龍骨架上進行板材鋪設前，運用計算機模擬排板確定方案。鋪設后，沿對接間隙兩側對稱進行定位點焊，焊點長10～20 mm，間距150～ 160 mm，從中間向四周放射狀焊接塞焊點。定位后，同樣采用放射狀順序拼焊，每焊一段需用木槌輕敲焊縫邊緣，使其與襯墊緊貼并減小應力，嚴禁在母材表面引弧。拼焊后的覆面板在不加任何限制的情況下放在平臺上，在拼接焊縫處測量其平面度，并進行全面積無損檢驗（圖2）。

3）分段組裝。組裝場地精調平整并設置5 mm斜坡（1 m范圍，前高后低），支撐穩固后，精確放樣，按前墻、后墻、左墻、右墻的順序，精準對位，龍骨之間先點焊再滿焊，保證熱室內部尺寸和側壁整體垂直度允許偏差滿足設計要求（圖3）。

圖2 覆面板的排版

圖3 組裝完成后的數據復核

3.1.2 大型不銹鋼殼體運輸與安裝

分段在工廠制作的熱室殼體為上部和一側敞口的槽式結構，為防止運輸吊裝過程中發生變形，確保殼體尺寸精度，設置了臨時內支撐以增強殼體剛度（圖4）。

現場采用350 t吊車進行吊裝。吊裝前精確澆筑殼體各底座墩柱，底座埋置鋼板，嚴控各鋼板位置及相互平整度，鋼板上設可調節裝置（圖5）；使用鋼絲線設置兩側軸線，用全站儀和高精度水準儀復核殼體的位置和標高，利用調節裝置微調，直至符合設計要求（圖6）。

圖4 殼體內支撐

圖5 熱室底部可調節裝置

圖6 殼體的整體吊裝

3.1.3 底部覆面板焊接

殼體安裝固定后，進行底部龍骨的填充混凝土施工，并刷涂油性防腐漆隔離覆面板和填充層。熱室地板荷載較大，要求填充層牢固密實，平整度控制在1 mm（1 m范圍）以內，確保與厚10 mm的底部覆面板緊貼無空隙。

根據計算機模擬排版方案，從底部彎角處開始拼裝，平整貼覆并點焊在型鋼框架的過渡板上（圖7）。在不銹鋼板材全部鋪設完成后檢驗覆面板的初始平整度，滿足要求后進行焊接。采用E347奧氏體不銹鋼焊條及H0Cr20Ni10Ti奧氏體不銹鋼實心焊絲。首先進行塞焊孔的點焊，由中間向四周呈放射狀焊接塞焊焊點，施焊中嚴禁在母材表面引弧和熄弧；再焊接對接焊縫；最后焊完余下的塞焊孔，焊接時微調底部水平彎角的鋼板角度以確保彎角不銹鋼板平滑過渡。完成后，檢驗（滲透、射線）、清潔（鈍化）及半成品保護嚴格按照專項方案進行。

圖7 覆面板轉角

3.2 大型預埋功能構件及各類管線的安裝技術

熱室邊墻為厚1 000 mm的重質混凝土墻體，各類預埋穿墻功能性構件和管件眾多，尤其是前墻，要求定位精準、密封性高。

3.2.1 鑄鐵屏安裝

鑄鐵屏位于熱室前墻，用于安置窺視窗及加強屏蔽隔離。1 800 mm×160 mm×4 000 mm尺寸的鑄鐵屏3塊，1 800 mm×160 mm×3 500 mm尺寸的鑄鐵屏1塊，鑄鐵屏上設置吊耳，預留孔道由數控機床加工，貫穿件采用嵌入式法蘭螺栓連接固定，屏間接縫采用迷宮形式。

安裝時，提前設置帶調整螺栓的定位型鋼支撐（圖8），鑄鐵屏就位采用麻繩牽溜，就位時控制下降速度，以保護調整螺栓，確認緊密接觸后摘鉤。以鑄鐵屏A面為基準，用框式水平儀測量其水平度，允許偏差為0.5 mm（1 m范圍）；以鑄鐵屏B面為基準測量其垂直度，允許偏差為0.5 mm（1 m范圍）；以鑄鐵屏B面為基準復測與殼體的平行度，在18 000 m全長范圍內允許偏差為3 mm；標高及空間位置以鑄鐵屏3個窺視窗孔中心為基準，其允許偏差為±3 mm。滿足要求后將殼體、鑄鐵屏的調節部件及槽鋼斜支撐焊接固定（圖9）。

圖8 鑄鐵屏及支撐

圖9 鑄鐵屏安裝

3.2.2 窺視窗安裝

熱室作業時，操作人員在觀察視頻影像之外，仍需通過窺視窗獲得最直觀的操作反饋，故窺視窗必須兼顧密封屏蔽與透明可視的功能。其安裝包括預埋框安裝和鉛玻璃安裝兩部分。利用塔吊將預埋框支撐就位，使其中心與鑄鐵屏窺視窗孔中心對齊，同心度3 mm，同時保證窺視窗外框與殼體覆面焊接時有足夠的操作空間。

鉛玻璃質量大且易碎，故設置了專用工裝（圖10）。通過支撐調節裝置將工裝拖板水平面標高與窺視窗預埋框底標高調至一致。

標高復核無誤后將鉛玻璃吊運至小車拖板上，調整中心線與小車拖板中心線重合。利用油壓千斤頂推動小車使鉛玻璃進入預埋框，到達設計位置后調整好間隙，間隙處填充鉛皮并壓實（圖11）。

3.2.3 鑄鐵防護門及不銹鋼通道安裝

鑄鐵防護門質量大，臨空安裝。為確保安裝準確，且在澆筑重質混凝土時不產生超過允許值的位移，采用了與鑄鐵屏類似的可調支撐體系；不銹鋼通道需承載250 t的運載質量，其底座安裝位置、與防護門連接處等均進行了相應的加強，確保了穩固及精度（圖12）。

圖10 鉛玻璃安裝示意

圖11 鉛玻璃窺視窗

3.2.4 各類管線安裝

熱室墻體內需安裝預埋的各種管線繁多（圖13）。運用BIM技術確定各種管線排布，編制專項方案確定施工順序、臨時定位支撐等具體措施，嚴格控制各類管線空間位置允許偏差±5 mm，水平度允許偏差1 mm（1 m范圍）。

圖12 不銹鋼通道

圖13 墻體內管線安裝

3.3 重質混凝土墻體施工技術

熱室內輻射劑量大且污染射線種類復雜，為達到在滿足屏蔽安全標準的同時減小相關構件的幾何尺寸，以節約空間及投資的目標，本熱室墻體使用了富含結晶水及微量元素的重質混凝土澆筑。研究表明，同等尺寸的重質混凝土的屏蔽效能約相當于普通混凝土的1.5倍，而混凝土體中的結晶水對中子射線具有顯著的慢化作用。

3.3.1 研制和模擬澆筑

按設計及工藝要求，重質混凝土表觀密度不小于3 600 kg/m3，硼原子含量不低于0.7 kg/m3，氫原子含量不低于12 kg/m3。考慮到原材料質量波動以及水泥的水化程度，以防中子輻射重質混凝土中包含110 kg/m3的非蒸發水為標準進行配合比設計和控制。經大量的原材料實地考察及比選，選定的含水細骨料為結晶水含量不低于12%的褐鐵礦，重元素材料使用重晶石、重晶砂摻入部分高表觀密度的鐵砂調配；經實驗室前后四百余次的試配，研制出相應的配合比。

重質混凝土的坍落度為140 mm±20 mm，0.5 h后坍落度仍保持120 mm±20 mm，初凝時間為3.6 h，終凝時間為7.1 h，濕表觀密度為3 665 kg/m3以上。試拌過程中，混凝土和易性良好，無泌水，流動性好。

根據試驗配比，考慮到其組成原材料密度差異較大，為確保成品的骨料均勻，進一步掌握其施工性能，確定其與常規混凝土迥異的特殊施工工藝及參數，除在現場設置專用攪拌站之外，還分兩步進行了模擬澆筑：首先澆筑了設置簡單預埋件的6個小件，進行參數記錄、工藝探索、效果檢測及性能分析；在此基礎上，進行1∶1帶中子通道、窺視窗、機械手水平管等預埋件的熱室及靶心部位試驗墻模擬澆筑（圖14）。根據模擬澆筑結果，總結出該富含結晶水重質混凝土的上料、攪拌、運輸、入槽、布料、振搗（方式、工具、間距、時間等）、溫控、養護、接縫處理等一系列特殊的施工參數。

圖14 1∶1 模擬件示意

3.3.2 熱室墻體澆筑

1）由于重質混凝土密度大，且成品允許誤差極小，故模板及支撐體系的計算設計比常規工程保守，以面板允許撓度小于0.5 mm控制；由于內側以不銹鋼殼體為模板，故殼體內支撐除考慮一般因素外，還需設置全面積保護墊板及支撐點膠墊；由于墻體的防輻射性能要求極高和殼體的整體性要求高，故未設置對穿拉桿，利用殼體龍骨交叉點設置拉桿，結合外操作間墻體做外支撐以滿足施工要求。

2）根據有限元水化熱模擬計算、重質混凝土施工性能特點以及內側殼體的強約束力等因素，設計分層分段澆筑方案，將熱室重質混凝土分7次進行澆筑，每次澆筑高度約為2 m，每次澆筑重質混凝土約100 m3，每次澆筑時間間隔為3～7 d。鋼筋和模板均隨澆筑高度逐層安裝。交界處設置臺階。施工中的測溫數據表明，混凝土內外溫差小于20 K。

3）根據模擬澆筑及檢測總結編制的專項方案，在施工中嚴格控制各工序的工藝及參數，通過重質混凝土澆筑時入模下落高度控制、布料點的間距控制、分層厚度控制、振搗點的間距控制、振動棒振搗時間控制（特別是嚴格將振搗時間確定為5～8 s，振搗點間距控制在20～25 cm）等措施，既保證了重質混凝土的振搗密實度，又確保了密度大的骨料不下沉，使重質混凝土骨料分布均勻，很好地滿足了中子輻射屏蔽要求；采用三層鋼絲網重疊，制作臺階狀水平和豎向防輻射施工縫，將有強內約束力的大型筒體重質混凝土分塊錯位澆筑，防止了墻體混凝土收縮裂縫的產生，同時也解決了靶心、熱室及延遲罐交界處等復雜結構的裂縫控制問題；通過底板開孔技術，解決了窺視窗等大型預埋件底板下重質混凝土的澆筑密實度問題；通過采用均勻布料，小型振動棒振搗結合人工鐵釬插搗的措施，確保了熱室前墻預埋管線、大型預埋鋼構件、鋼筋密集部位重質混凝土的密實度。

施工完成后的檢測表明，構件整體性優良，墻體密實均勻無裂縫，殼體內壁光滑平整，底板傾斜角準確，各類預埋件準確穩固（圖15），墻體內外射線輻射劑量衰減百萬倍，屏蔽性能完全達到設定的工藝目標（圖16）。

圖15 熱室內部

圖16 熱室前墻外操作間

4 實施效果

本熱室所屬項目于2017年8月28日首次打靶便成功捕獲中子，于2018年3月25日通過中國科學院的鑒定和驗收，于2018年8月23日通過國家驗收，各項指標達到或優于設計指標，獲得高度評價。同時，通過精心策劃和科學組織，本項目的施工技術先后獲得國家發明專利授權16項、第十九屆中國土木工程詹天佑獎、2018—2019年度中國建設工程魯班獎等多項榮譽。項目正式運行期間，本熱室運作優良，設計功能完全實現。

5 結語

1）運用分體式龍骨框架及不銹鋼覆面板拼裝技術、大型薄殼結構的運輸和定位組裝技術，能很好地實現類似結構的精確加工安裝，實現污染環境下污染物的快速清理、維修等功能。

2）運用BIM技術進行預埋件及管線設計，設置專用支撐調節及穩固系統，能很好地實現大型預埋件及密布管線的精準預埋安裝作業。

3）利用特殊成分的鐵礦石、高密度重晶石等特種材料，研發高結晶水重質混凝土的配比，及專用的攪拌、運輸、振搗、養護施工方案，針對結構的特殊構造，設計對應的分塊分縫，利用模擬澆筑獲取施工參數并確定施工工藝，很好地完成了多種類密集預埋條件下重質混凝土墻體的施工，理想地實現了輻射屏蔽功能，為相似工程提供了寶貴的經驗。