核电站取水隧洞二衬设计探究

□林 海 王 健

我国目前的核电站均分布在沿海地带，核电站需要从外部引入海水进行循环冷却，受厂区布置限制，部分核电站从海岸取水口到联合泵房有一定陆域距离，且地貌条件决定只能采用隧洞进行海水引入。核电站取水隧洞长度从数百米到数公里不等，一般采用圆形断面，根据水量需求直径4～8米不等。核电站取水隧洞承担的功能是向核岛提供重要厂用水和向常规岛提供循环冷却水，从安全分级上被划分为核安全一类物项。

一、地质条件影响

地质条件是决定隧洞开挖、二次衬砌设计的主要因素，它包括围岩岩性、上覆岩层厚度、地下水情况等。根据地质条件的不同，《核电厂取排水隧洞结构设计规范》(NB/T 20389-2016)将围岩分为I～VI类，其中I～III类围岩为硬质岩，IV～VI类围岩为软岩或土体。围岩的类别直接影响二次衬砌的厚度，在相同埋深和洞径的条件下，围岩越差二次衬砌所需要的厚度越厚。

二、衬砌结构设计

核电站取水隧洞为核安全一类物项，应同时采用运行安全地震动SL-1和极限安全地震动SL-2进行抗震设计。核电站取水隧洞采用以概率理论为基础的极限状态设计法，采用分项系数的设计表达式按承载能力极限状态、正常使用极限状态的要求进行结构计算和验算，并应符合下列规定：按承载能力极限状态应进行隧洞结构的抗震承载力计算和整体稳定性验算；按正常使用极限状态应进行隧洞结构的变形验算、裂缝宽度的验算。

作用在隧洞二次衬砌上的荷载可分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。其中永久荷载包括结构自重、围岩压力、土压力、内水压力、地下水压力(外水压力)等；可变荷载包括地面活荷载、施工荷载、灌浆压力荷载以及温度作用；偶然荷载包括地震作用、爆炸力、撞击力等。

对于衬砌内力的计算，《核电厂取排水隧洞结构设计规范》(NB/T 20389-2016)推荐了若干种方法，分别是反应位移法、自由场变形法(BART抗震设计法)、多点输入弹性支撑动力、反应谱法。自由场变形法适用于矩形截面的隧洞，核电站取水隧洞由于是有压隧洞，截面均为圆形，故该方法不适合用于核电站取水隧洞二次衬砌的设计。

目前在核电站取水隧洞二次衬砌设计中运用较为普遍的为反应位移法。反应位移法，首先通过地层动力计算求得衬砌断面地层位移，然后将地层位移施加在衬砌断面上，最后得到衬砌内力。上述过程一般通过商用有限元软件实现，除此之外，还推荐采用传统的衬砌设计软件进行辅助校核。

需要注意的是在取水隧洞结构的分叉、拐角及局部复杂部位(包括地质条件复杂)通常采用三维有限元动力分析法，目前三维有限元动力分析法已经成功应用于多个核电站取水隧洞的复杂部位设计分析。

三、衬砌材料及技术措施

核电站取水隧洞二次衬砌所采用的混凝土除应符合结构强度要求外，还应满足耐久性以及抗冻、抗渗和抗侵蚀的要求，目前工程中采用C40补偿收缩防水混凝土，混凝土中添加粉煤灰、抗裂防水剂，部分工程还用到了聚丙烯纤维。根据已建核电工程经验，还可以掺加阻锈剂，或对隧洞与海水接触的内表面涂刷防腐涂层。

(一)回填灌浆。在衬砌施工时隧洞顶部会存在缝隙，为保证衬砌和顶部围岩的共同受力，必须对衬砌顶部进行回填灌浆。回填灌浆的一般要求：回填灌浆的范围为顶拱90～120度以内，孔距和排距宜为2～6m。回填灌浆可采用1:3水泥砂浆，水泥用普通硅酸盐水泥，灌浆压力可采用0.3～0.5MPa，灌浆孔应深入围岩100mm以上。

(二)固结灌浆。固结灌浆的目的是为了改善围岩的整体性，提高围岩的变形模量。对于围岩整体性较差的地段需要进行固结灌浆，以下是某核电取水隧洞的固结灌浆要求：在隧洞Ⅳ、Ⅴ类围岩段及进出口钻爆段一定范围进行固结灌浆。固结灌浆应在回填灌浆结束7天后按环间分序，环内加密的原则进行，固结灌浆孔深入围岩的距离可取0.5倍隧洞直径，孔径为Φ50mm，环向按40角布置，每排9个孔，孔距为2,000mm，梅花形布置。固结灌浆采用水泥浆，水泥采用普通硅酸盐水泥。固结灌浆压力应通过现场试验确定，压力范围应控制在1～2倍内水压力。

(三)衬砌分缝。核电站取水隧洞二次衬砌在地质条件明显变化处和井洞交汇处，进、出口处或其他可能产生较大相对变位处，应设置永久缝。围岩地质条件比较均一的洞身段，可只设置施工缝。目前的工程做法是在不同类别围岩分界处设永久缝，在IV～VI类围岩段每隔20m设置一道永久缝，永久缝宽50mm,采用橡胶止水带止水。在地质条件比较均一的I～III类围岩可只设置施工缝。

(四)安全监测。核电站取水隧洞安全监测工作是为了及时掌握洞室围岩变形，二次衬砌工作和安全状态的变化，预测险情、确保安全、验证设计、评估施工，安全监测的方案设计也是工程建设和管理工作中极其重要的组成部分。核电站取水隧洞安全监测的全过程包括施工期监测(过程监测)和运行期监测(验收监测)两部分：施工期监测一般由施工承包商负责，监测时间从开挖至隧洞衬砌前，主要监测围岩的变形情况，并应按设计要求提供监测报告作为竣工资料。运行期监测是以实现验收为目标的监测，监测时间从在隧洞衬砌前和施工中进行仪器安装埋设开始，直到试运行后交付生产为止，监测对象包括围岩和衬砌。

监测主断面具体位置应结合隧洞实际开挖中围岩稳定状况确定，选择具有代表性的围岩变形较大的地点。对于每条取水隧洞设置监测主断面数一般不少于3个。在确定监测主断面位置和数量时，要兼顾考虑工程费用问题，做到造价经济。

隧洞围岩的应力应变及变形等监测孔(点)的布置包含以下内容：第一，隧洞围岩深部变形监测，通常布置六套多点位移计监测，并考虑内水压力作用，测孔布置环向对称布置。第二，隧洞衬砌的应变计布置，应变计采用标距不宜小于10cm，混凝土衬砌体每个断面对称布置8组应变计，温度计1支；衬砌环向钢筋上相应布置8个钢筋计。第三，隧洞衬砌与围岩接触缝的监测布置，在断面上混凝土与岩土之间对称布置4支三向测缝计。第四，隧洞水压力监测布置，隧洞内水压力的监测用水压计或水位观测管测量最大内水压力。隧洞外水压力监测布置，监测断面上的渗压计可以对称布置在隧洞围岩顶部，腰部及底部的混凝土衬砌附近的围岩中。第五，温度监测布置，温度监测包括洞(气、水)温，管壁温度，衬砌混凝土温度和围岩温度，按管壁、混凝土、围岩表面及深部分别布置1～2支温度计。有的可以与其它观测仪器配合布置。

四、结语

随着规范对混凝土耐久性要求的越来越重视，在取水隧洞二次衬砌中采用的混凝土强度等级已经达到C40，并且设计中增加了一系列抗裂防腐蚀措施。在二次衬砌计算方法上也从传统的断面内力计算发展到计算机三维有限元动力计算。核电站取水隧洞二次衬砌的设计不同于普通的地面结构，由于围岩岩土力学性质不确定性较高，情况比较复杂，在设计时除了准确的理论分析计算，还必须依赖工程类比和经验对照，需要将两种手段结合起来互为补充印证，才能设计出耐久可靠的二次衬砌结构，保障核电站安全运行。