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中国核工业华兴建设有限公司 崔正严 张明皋 王德桂 丁健 董德文
1 前言
核电站反应堆厂房安全壳是保证核安全的重要屏障,一般设计为预应力钢筋混凝土壳体结构。随着我国核电站建造的迅速发展, 安全壳预应力结构的类型也在不断更新,其中呈倒“U”形布置的预应力体系将常用的竖向直段和穹顶曲线段预应力钢绞线束分别布置的形式合并成一个整体，增强了安全壳结构的整体性和安全性，但该结构类型的钢绞线若仍采用目前大多数核电站使用的单根多次穿束的方法，由于无法穿过呈倒U形布置的大曲率长孔道，满足不了施工要求。
中国核工业华兴建设有限公司在江苏田湾核电站反应堆安全壳的竖向倒U形布置的预应力体系的施工中，与各方专家和技术人员共同研究，吸取国内外其他核电站及相关行业预应力施工的经验，创造性的采用了钢绞线整体穿束的施工工艺，成功解决了竖向倒U形孔道预应力钢绞线的穿束难题，经查新证明，该工艺的成功应用，填补了国内空白，经江苏省建筑业主管部门组织的技术鉴定，该工艺技术达到国内领先水平。
倒U形预应力钢束整体穿束施工工法，先后在江苏田湾核电站1号机组和2号机组的反应堆安全壳预应力施工中得到成功应用。该工法获得了2008年度江苏省省级工法；作为田湾核电站双层安全壳综合建造技术的重要组成部分，该关键技术在2005年获得国防科学工业技术委员会国防科学技术二等奖（2005GFJ2015-1），2003年获中国核工业建设集团公司科技进步一等奖（2003HJKJ102）；安全壳倒U形预应力施工技术获得中国核工业建设集团公司2005年度科技进步三等奖（2004HJKJJ301）；田湾核电站1#反应堆厂房被授予“2004年江苏省建筑业新技术应用示范工程”，该工法关键技术作为创新技术被认定国内领先。
2 工法特点
2.1在建筑物结构体外对单根钢绞线进行整体编束作业。
2.2 整体束端部采取错开焊接，形成锥形柔性连接体，确保穿束头的柔性。 2.3采用气梭法将辅助牵引钢丝绳穿过倒U形预应力孔道。
2.4通过计算选择卷扬机吨位，并通过专用滚轮链串装置将钢绞线整体束牵引穿过复杂形状孔道（见图2.4所示）。
图2.4 倒U形预应力钢束布置图
2.5钢绞线整体穿束工艺，解决了多根单钢绞线在倒U形复杂孔道中穿束难题
2.6整体穿束工艺，保证了钢绞线在孔道内的顺直和松弛度，减少预应力钢束在张拉时应力的损失，降低了钢绞线之间的应力偏差。
2.7与单根钢绞线多次穿束工艺相比，节约时间，提高工效、满足核电建设节奏不断加快的需求。
3 适用范围
本工法适用于同类型核电站安全壳预应力钢束施工，同时也为其它领域空间结构相似、形状复杂和长孔道内预应力钢束施工提供参考。
4 工艺原理
4.1利用穿束机将钢绞线逐根穿入固定在建筑物结构体外的的钢导管中，在导管出口端的焊接平台上整理钢绞线，将钢束端头焊接成整体，形成锥形柔性穿束头。
4.2将栓有辅助钢丝绳的特制绳梭置入待穿束孔道的一端，利用压缩空气推动绳梭使辅助钢丝绳穿过倒U形孔道，然后将辅助钢丝绳与大吨位卷扬机上的主牵引钢丝绳相连，再通过小型卷扬机牵拉辅助钢丝绳使主牵引钢丝绳通过倒U形孔道。
4.3将主牵引钢丝绳与锥形柔性穿束头连接，利用大吨位卷扬机通过专用滚轮链串装置将钢绞线束整体牵引通过倒U形孔道。
2
5 施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
穿束机安装、导管长度标识 编束导管安装、导向滑轮及滑轮组安装、焊接平台安装 设备机具定位安装 牵引设备选型
5.2操作要点 5.2.1牵引设备选型
牵引钢绞线束的卷扬机型号需通过计算确定，考虑在穿束头到达穹顶最高点处为最不利情况时的牵引力。所需牵引力F应大于钢绞线重量和摩擦阻力之和，可按下式计算：
F≥w(1+f)k
式中：F——牵引力；
W——钢绞线总重；
f——摩擦系数，取0.16～0.19； k——裕度系数，取1.1～1.4。
（5.2.1）
钢绞线切割固定 钢绞线牵引穿束牵引钢丝绳引入 安装焊接头T18钢绞线及四叶分线器 辅助钢丝绳引入 钢绞线穿束头焊接 滑轮链串安装 钢绞线编束 3
5.2.2 设备机具定位和安装
主要设备机具的布置，应根据穿束工艺对各设备机具的使用要求安装到相应的位置（见图
5.2.2所示）。
图5.2.2 主要设备机具布置平面图
5.2.3编束导管安装、导向滑轮及滑轮组安装、焊接平台安装 5.2.3.1编束导管安装
使用薄壁钢管加工编束导管，导管长度、弧度及数量应根据实际情况确定。导管需使用特制的管夹将这些导管连接，并固定于廊道内墙上的支撑架上，导管可在支撑架上上下移动以便对准穿束机、焊接平台和滚轮链串。
5.2.3.2导向滑轮及滑轮组安装
导向滑轮组安装在靠近卷扬机，并固定于廊道外墙上的支架中，方向与卷扬机钢丝绳释放方向相同，导向滑轮结构见图5.2.5所示。
固定螺栓导向滑轮
图5.2.3.2 导向滑轮示意图
4
5.2.3.3焊接平台安装
焊接平台的位置视钢束的长度改变而定，从穿束机处切割位置起开始测量的钢束长度应标注清楚，调整编束导管长度以使焊接平台安装在正确的位置，在入口和出口方向，调节编束套管的标高与焊接平台标高一致，必要时使用一段合适长度的短管连接焊接平台和最后一段套管。钢束焊接平台（见图5.2.3.3-1）上有5个凹槽，根据凹槽的位置布置相应根数的钢绞线（见图5.2.3.3-2）。
图5.2.3.3-1钢束焊接平台示意图 图5.2.3.3-2钢绞线在焊接平台上布置图 5.2.4 钢绞线穿束机安装和导管长度标识
钢绞线穿束机安装在预定的位置，并固定。解线盘和穿束机之间应安装一段直径50mm的PN10聚乙烯套管以保护钢绞线。穿束机安装布置见图5.2.4所示。
导管安装在廊道内墙上之后，应从钢束切割位置起，在导管上标出距离，这样便于确定钢束的长度。距离应沿着套管中线测量并标记在墙上，可每隔5m做一个标记，并在数字下面用箭头来表示穿束方向。穿束位置改变时，应使用不同的颜色重新标记。
保护套管导管切割点钢绞线盘穿束机支架
图5.2.4 穿束机安装布置图
5.2.5钢绞线编束
钢绞线穿束前，须先在预先安装好的编束套管中将钢铰线整理并编为一整束。编束时采用单根穿束法将钢绞线穿入编束套管中。先按照待穿钢束的计算长度，在编束套管的末端做好待穿束钢绞线长度的标记，然后用单根穿束机将钢绞线逐根穿入编束管道中。在位于编束管末端的焊接平台上进行整理，用切割机在标记处切割出满足要求的长度。
5.2.6钢束头焊接
钢束头焊接在焊接平台上进行，焊接分为5个阶段（以55束钢绞线穿束头的焊接为例）。第一阶段（见图5.2.6-1）将焊接平台上槽1中的6根钢绞线围绕在一根中心钢绞线上进行焊接，焊缝长度
5
大于75mm，中心钢绞线比外围6根钢绞线最少长100mm。
钢绞线焊缝
图5.2.6-1 第一阶段钢绞线焊接
随后将T15/18钢绞线专用连接器的T15一端安装在焊接第一阶段的中心钢绞线上，另一端T18钢绞线暂不能安装。接着安装焊接保护管和焊接护套，焊接护套与专用连接器之间至少确保150mm的间隙；然后进行第二阶段钢绞线的焊接（见图5.2.6-2），将焊接平台上槽2中的12根钢绞线焊接到焊接护套上（见图5.2.6-3），焊缝长度100mm。当12根钢绞线焊接完毕后，安装链接套管、链接球、第二个链接套管和焊接护套；然后进行第三阶段的焊接（见图5.2.6-4），将焊接平台上槽3中12根钢绞线焊接到对应的焊接护套上。按照同样的步骤，进行后面第四、第五阶段的焊接。
12根钢绞线焊接保护管及6根钢绞专用连接器线（一阶段）焊接护套 图5.2.6-2第二阶段钢绞线焊接
焊接护套焊缝钢绞线焊缝焊接保护管焊接保护管钢绞线端头焊缝焊接护套 图5.2.6-3 后4阶段钢绞线焊接剖面图
12根钢绞线链接球12根钢绞线链接套管焊接护套
图5.2.6-4第三阶段钢绞线焊接
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当所有钢绞线焊接牢固后，切割一根约3m长的T18钢绞线并将其一端磨成钝边，并用此端穿过焊接保护管，伸入T15/18特制专用连接器中并使用专用工具将其卡紧。然后将焊接保护管拆除，并安装四叶分线器及T18专用连接卡具（见图5.2.6-5所示），以连接大吨卷扬机钢丝绳连接头。
12根钢绞线12根钢绞线12根钢绞线焊接护套钢绞线专用连接器12根钢绞线4叶分线器专用卡具
图5.2.6-5柔性钢束头系统
5.2.7滚轮链串装置安装
钢绞线束两端各安装一套滚轮链串装置，见图5.2.7所示。滚轮链串装置支架上安装有螺杆千斤顶以调节滚轮链串支架高低，使支架对准钢束锚固端的喇叭口，并与廊道顶板紧密接触，以保证链串组能稳定承受牵引钢丝绳施加的外力。
喇叭口钢支架滚轮链组可调节底座
图5.2.7 滚轮链串装置
5.2.8牵引钢丝绳穿入
先将小卷扬机钢丝绳安装在橡皮绳梭（见图5.2.8-1）的尾部，将橡皮绳梭系统（见图5.2.10-2）安放入预应力管道中并固定，连接压缩机气管，开动空压机并控制一定压力，橡皮绳梭借助气体压力被引入孔道并穿过孔道到达另一端，同时便将小卷扬机钢丝绳牵引出孔道。
然后将小卷扬机钢丝绳，通过滚轮链串和滑轮组，并与大吨位卷扬机钢丝绳连接，便可将大吨位卷扬机钢丝绳拉入到另一端的编束焊接头的位置。
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图5.2.8-1橡皮绳梭示意图 图5.2.8-2绳梭装置系统示意图 5.2.9钢绞线整体牵引
在牵引前应确保卷扬机、两个滚轮链串及焊接平台等处操作人员的通讯联络设备的畅通；另外需要对穿束头、滚轮链串、大吨位卷扬机钢丝绳及滑轮组和所有导管和传动装置进行检查。确认无误后将大吨位卷扬机钢丝绳与编好的锥形柔性钢束头连接在一起，启动大吨位卷扬机并缓慢提升拉力，当钢束头已抬起并向前移动1m时，停止牵引，检查钢束头与机具设备及各接头处的连接是否牢固正常，如无滑动现象则可在低速状态下继续牵引钢绞线束进入导管（见图5.2.9所示）。
水平钢束竖向钢束廊道整体钢束水平环向编束管滚轮链串定向轮大吨位卷扬机 图5.2.9 倒U形竖向钢束整体穿束示意图
在牵引钢束通过孔道过程中，采用专用润滑剂润滑钢束，以减小摩擦，确保钢束牵引顺利流畅。当穿束头到达滚轮链串时，监测其通过喇叭口和灌浆连接件的情况，若正常通过后则可增大卷扬机牵引速度；当钢绞线在出口端出现时，应降低卷扬机速度且时刻注意两端钢绞线长度，检查最短一根钢绞线是否大于规定的预留长度，当两端钢绞线长度符合设计要求时停止牵引。
最后拆除T18专用连接卡具和滚轮链串，在标识处切割钢绞线束，并按工艺要求的方法将整束钢绞线立即进行固定。
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6材料与设备
6.1主要材料
本工法的主要材料性能和质量必须满足设计要求，主要材料的规格见下表6.1。
主要材料规格表 表6.1 序号 1 2
项目 钢绞线
薄壁钢管
规 格 标定直径：15．7mm 断面积：150 ±3mm 每米质量：1.17kg/m
φ165×2.9
2
备注
钢绞线技术参数和设计要求一致
6.2机具设备
本工法采用的主要机具设备见下表6.2。
机具和设备表 表6.2
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
设备名称 双速穿束机 解线盘 大卷扬机 小卷扬机 直流焊机 钢束穿束头焊接台
空压机 绳梭发射装置
型号 MP2V
20t（按计算定）2t（按计算定）
ZX300 10m
3
单位台 台 台 台 台 台 台 套
数量2 6 1 1 2 1 1 1
备注
带有导管固定支架
自制 300m钢丝绳 300m钢丝绳 焊丝0.8mm 自制
自制
包括：绞接部件、T18钢绞线接头、T18钢绞线、中心定位器、焊接套管、球接头、T15/18接头、接头焊接套管、钢绞线焊缝
护管
自制 自制（带支架）
9 钢束穿束头组件 组 1
10 11
轮式滚轮链串装置 钢丝绳导向滑轮组
套 套
2 1
9
7 质量控制
7.1质量控制标准
7.1.1工程施工必须遵照《核电厂建造期间的质量保证》HAFOO3的要求进行施工质量的控制。 7.1.2钢绞线除按设计要求的指标外，还要按《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224要求进行检验。 7.1.3钢绞线和钢构件的焊接，要满足《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81的相关要求。 7.1.4本工法专项控制要求：
1、穿束位置准确，穿束顺序符合设计要求。
2、钢绞线焊接时，中间钢绞线长度大于外围钢绞线100mm。 3、两根钢绞线之间焊接长度满足相应的设计要求。 4、焊接护套和专用连接器间距：≥150mmm。 5、钢束露出锚固端喇叭口长度按照设计的要求。 7.2质量控制技术措施
7.2.1使用的钢绞线应由合格供应商供货，其产品质量和性能等均需满足设计要求。
7.2.2施工前，对使用材料的型号、规格、质量指标、包装等都应检查，材料进场时应附相应的质保书。
7.2.3对于需要进行现场试验检测的材料，应进行复检，不合格的材料不得使用。材料贮存要按相应的工作程序执行。
7.2.4计量器具必须满足设计规定的精度等级，且按照相应要求进行定期校验和检查；机具设备严格按照程序和设备操作说明书使用。
7.2.5从事预应力施工人员都需经过专业技术培训，经考核合格后方可上岗作业。作业前应进行相应操作的技术交底和指导，以保证操作人员熟练掌握工艺流程和操作方法。
7.2.6施工作业前，应编制施工质量计划，严格按照质量计划进行控制。在每道工艺施工过程中各项操作都应严格按照相应工作程序要求，在技术人员、质检人员、监理人员监督下进行。
7.2.7要及时、如实地进行施工原始资料记录，记录经复核填写无误后，交施工检查员和项目监督人员签字验收。
7.2.8用穿束机逐根将钢绞线穿入编束管时，应控制好钢绞线穿入时的长度尺寸，在编束前认真复核孔道长度，预留长度要充分，必要时可多预留1m左右长度。
7.2.9钢绞线的焊接是穿束的关键，焊工必须经过培训合格后方能上岗。
7.2.10在钢绞线束的穿入端安装滚轮链串，以便钢绞线束能过渡平缓，可以采取润滑措施减少穿束时的额外阻力，并避免钢绞线束受损伤。
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7.2.11为减小摩阻力、保护牵引钢丝绳，钢绞线束的出口端也必须使用滚轮链串，对牵引钢丝绳进行导向。
7.2.12大吨位卷扬机、定向轮承受动载荷，不宜采用焊接形式固定，应用专用锚固件固定，锚固件每穿过一束钢绞线后，应检查固定螺栓是否松动。
7.2.13钢束牵引过程中，随时检查钢束头与机具设备连接情况，时刻监测其通过喇叭口和灌浆连接件的情况，若钢束在喇叭口和灌浆连接件中发生堵塞，立即停止穿束，倒转卷扬机退回100mm，然后再次缓慢牵引直至通过。
8 安全措施
8.1认真执行国家有关安全生产的法律法规和公司相关安全管理程序的要求。
8.2施工操作人员必须经过三级安全教育方可上岗，施工前做好安全交底和危害辨识工作。 8.3进入现场的人员必须佩戴好相应的安全防护用品。
8.4根据预应力施工的特点，编制专项安全防护措施，施工中严格执行。 8.5对操作人员定期进行身体检查，不符合高空作业要求者不得登高作业。
8.6钢绞线穿束施工时，应设置安全防护区，并派专人看护，严禁无关人员进入施工区内。 8.7卷扬机、穿束机等专用机具设备，必须有专人负责保管，定期检查、维护，保证机具设备的安全可靠，严格按安全操作规程操作，严禁违章作业。
8.8施工时，要保证通讯畅通，统一指挥。
8.9钢束进出口端5m范围内，非操作人员不得进入或通行，操作人员应站在滚轮链串装置侧后方。
8.10采用压缩空气穿橡皮绳梭时，要在管道的另一侧用钢丝笼接收绳梭，压缩空气排出前，管道出口一侧不得站人。
8.11橡皮绳梭在出口端堵塞时，不能用增加气体压力的方法将其推出，应用专用工具将其拖出。 8.12穿束作业前要认真检查穿束头焊接是否良好，各连接处是否连接牢固。
8.13用辅助钢丝绳牵引大吨位钢丝绳前，要使两端滑轮链组完全进入规定位置，与廊道顶板紧密接触。
8.14穿束过程中，发现设备故障、通讯中断或其他原因不能正常作业时，应立即停止穿束，切断设备电源，按操作程序处理完毕后方可进行下一步工作。
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8.15卷扬机使用前要认真检查其固定是否牢固，卷扬机钢丝绳要正确安装在滑轮组中，穿束过程要随时检查钢丝绳的磨损情况，不符合要求时必须立即更换。
8.16所有导管和传动装置要固定牢固，安排专人定期检查。 8.17钢束穿完后，应立即用专用锚固锁定件进行固定。
8.18设置通风设备，保证作业环境空气流畅，焊接产生的废气及时排出。 8.19机具设备使用完后应切断电源，关闭配电箱并上锁。 8.20现场配备足够的灭火器材，严禁违章动火，禁止吸烟。
9 环保措施
9.1严格执行国家和地方关于环保的政策和有关规定，加强对施工人员的环保意识教育，制定相应的环保措施和保护环境的规章制度。
9.2施工过程中，合理布置施工区域，现场材料、机具设备实行定置化管理，做好标识，保证施工场地整洁、文明。
9.3机具设备维护时，应将零配件放置在隔油布上，防止漏油污染环境。施工中的机械废油、润滑剂等进行专门管理与回收。
9.4钢绞线切割产生的铁屑应及时清理，并集中存放和回收。 9.5钢束润滑时，应采取覆盖措施防止润滑剂污染结构和设备。 9.6加强对设备的润滑和维护，减少噪声污然。
9.7施工产生的废料和垃圾采用垃圾斗收集，定期运到场外指定区域。 9.8通讯工具使用的废旧电池不得随意丢弃，集中回收处理。 9.9不得在施工区域内进食和乱扔其他杂物。 9.10每天施工结束后要清理现场，做到文明施工。
10 效益分析
10.1本工法的成功应用，不仅解决了例U形预应力钢束的穿束难题，保证了施工质量，同时开创了该技术在核电站施工中的先例，填补了国内空白。通过工程实践，验证了该工艺的可靠性和先进性，为类似工程施工提供了理论依据和实践经验，有很好的社会效益。
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10.2该工法具有创新性，且实用性强，可推广应用于其它领域类似空间结构复杂的预应力工程，该工法关键技术的推广，对我国预应力施工技术的发展和提高会起到一定推动作用。
10.3传统的核电站安全壳竖向预应力钢束均设计为竖向垂直的两段加穹顶一段，共三段，而倒U形钢束虽然增加了穿束的难度，但减少了锚固端数量，减少了施工环节，减少了穿束次数，因此能够节省材料，可以缩短工期10天，节约800工日。
10.4倒U形钢绞线穿束工艺，减少了施工工序，节约工期的同时还相应地节约了能源，减少了废料产生，产生了一定的环保效益。
10.5倒U形钢束整体穿束作业，主要在廊道内部操作，而常规的竖向穿束作业通常在穹顶高空作业，因此本工法可减少高空作业时间，有利于保证安全施工。
11 应用实例
11.1江苏田湾核电站一号机组反应堆厂房
江苏田湾核电站是中俄两国在核能领域开展的高科技合作项目，也是我国“九五”计划的重点核电建设工程之一。厂址位于江苏省连云港市连云区田湾，厂区按4台百万千瓦级核电机组规划，并留有再建2到4台的余地。一期工程建设2台单机容量106万千瓦的俄罗斯AES-91型压水堆核电机组，设计寿命40年，年发电量达140亿千瓦时。田湾核电站采用俄AES-91型核电机组，采用国际上成熟的核电技术完成的改进型设计，在安全标准和设计性能上具有起点高、技术先进的特点。
田湾核电站反应堆厂房安全壳采用双壳结构，内壳采用预应力钢筋混凝土结构，高50.2m，筒身内径22000mm，壁厚1200 mm，穹顶半径22000 mm，壁厚1000 mm。预应力体系为55C15后张拉体系，竖向55束钢束呈倒U形布置，结构复杂，施工难度大，技术要求高。一号核岛工程于1999年10月20日正式开工。中国核工业华兴建设有限公司作为核岛工程主承包商，在1#反应堆厂房内安全壳厂房预应力体系施工中，结合以往施工经验，与中外专家和广大技术人员一起，通过技术攻关，开发出倒U形预应力钢束整体穿束施工工法，解决了壳体结构整体穿束空间结构复杂、施工工序多等工程难点，2002年5月首次在一号机组反应堆厂房的预应力施工中成功应用，整体穿束550吨钢绞线，保证了施工质量，各项指标均满足设计要求，受到各方的肯定，同时简化了工序、降低了工程造价、提前了工期，保证了施工安全。
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图11.1-1田湾核电站反应堆厂房安全壳倒U形预应力钢束整体穿束作业
图11.1-2首次应用本工法的田湾核电站一号机组反应堆厂房
11.2田湾核电站二号机组反应堆厂房
2003年8月在田湾核电站二号机组反应堆厂房内安全壳倒U形钢束整体穿束施工中，本工法通过总结在田湾核电站一号机组施工中的经验和不足，再次成功应用。在二号机组反应堆厂房应用中，穿束550吨，工期比一号机组又提前5天，该工法不仅得到进一步验证，其关键技术还得到了进一步完善，效益更加明显。
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图11.2应用该工法的田湾核电站二号机组反应堆厂房
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