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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

时间:2020年10月20日 分类:科学技术论文 次数:

摘 要:为满足核电站安全运行要求,结合大亚湾中微子地下实验站工程建设项目,通过对核电站有关建筑物的爆破监测控制标准进行研究,提出了爆破振动控制、测量监测控制、超前注浆小导管、钢拱架支撑及喷锚支护等多种控制技术措施。通过爆破 试验验证,设计提

  摘 要:为满足核电站安全运行要求,结合大亚湾中微子地下实验站工程建设项目,通过对核电站有关建筑物的爆破监测控制标准进行研究,提出了爆破振动控制、测量监测控制、超前注浆小导管、钢拱架支撑及喷锚支护等多种控制技术措施。通过爆破 试验验证,设计提出的技术措施有效解决了工程建设对核电站的安全运行影响,目前工程已建成并投运,建设期没有出现过影响 核电站安全运行的突发事件。

  关键词:核电站;安全运行;爆破控制;保护措施;供水管线

中国核电

  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。 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] 。

  电力论文范例:核电站不锈钢水池覆面射线检测工艺探讨

  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 q 13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。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; ⑵ TB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; ⑺ SEP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: a 水平=20.26( Q3 /R)1.75,r 2 =0.95 a 垂直=13.86( Q3 /R)1.66,r 2 =0.94 速度衰减规律: V 水平=199.53( Q3 /R)1.75,r 2 =0.93 V 垂直=87.56( Q3 /R)1.56,r 2 =0.92 式中:V为质点峰值速度(cm/s);a 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 f 42,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 f 45 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 f 45 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] 。

  参 考 文 献

  [1] 史仁杰,柴志阳,翟利军,等. 大亚湾反应堆中微子实验站 建设配套工程初步设计报告[R]. 郑州:黄河勘测规划设 计有限公司,2012.

  [2] 王贻芳 . 大亚湾中微子实验——小中见大[J]. 现代物理 知识,2012,24(3):3-4.

  [3] 胡伟华 . 中国核电站运行安全性分析[J]. 产业与科技论 坛,2017,16(21):81-82.

  [4] 马华原,龙源,郭涛 . 田湾核电站基础开挖爆破振动检测 与数据分析[J]. 爆破,2015,32(3):85-90.

  作者:翟利军,吉晓红

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