大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站工程建設(shè)對核電站安全運(yùn)行影響研究

翟利軍，吉曉紅

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 鄭州450003）

1 概述

大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)站土建配套工程位于深圳大鵬半島南側(cè)、大亞灣核電站以及嶺澳核電站的北部中低山-丘陵區(qū)，地面高程一般為60～450 m，實(shí)驗(yàn)站由5個地下實(shí)驗(yàn)大廳和連接這些廳室的隧道組成。

圖1 中標(biāo)出了核電站位置，1#和2#實(shí)驗(yàn)廳分別離大亞灣核電站和嶺澳核電站最近，稱作近點(diǎn)；3號實(shí)驗(yàn)廳距2 個核電站最遠(yuǎn)，又稱遠(yuǎn)點(diǎn)。連接隧道按功能分為進(jìn)入隧道、施工隧道和主隧道，總長度約3 152 m。4#廳（水凈化廳）設(shè)在主隧道交會處。在1#、2#實(shí)驗(yàn)廳各放置2個中微子探測器，3號實(shí)驗(yàn)廳放置4個中微子探測器。5 號實(shí)驗(yàn)廳用于實(shí)驗(yàn)用的液體閃爍體混制、灌裝，以及其它潔凈處理［1］。

本工程不同于一般的地下工程，它是作為測量世界上最小粒子中微子的振蕩參數(shù)θ13的實(shí)驗(yàn)室［2］，對安全、環(huán)境等要求很高，并且中微子實(shí)驗(yàn)站工程距離大亞灣核電站及嶺澳一期、二期核電站核島最近僅幾百米，因此研究如何在施工中保證核電站的安全運(yùn)行［3］，保證實(shí)驗(yàn)站工程順利進(jìn)行，使中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙M早、順利地進(jìn)行具有十分重要的意義。

圖1 大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)站布局示意圖Fig.1 Layout of Daya Bay Reactor Neutrino Experimental Station

本文對核島等建筑物的爆破振動控制和輸水管線的安全防護(hù)措施2個主要問題進(jìn)行研究。

2 核電站振動安全要求

核電站核島以質(zhì)點(diǎn)峰值加速度為控制標(biāo)準(zhǔn)，核電站其它地面建筑物以質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度為控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)大亞灣核電站相關(guān)資料，核電站核島允許質(zhì)點(diǎn)峰值加速度0.01g；根據(jù)該工程附近地面建筑物結(jié)構(gòu)情況，依據(jù)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，結(jié)合已建水電站地下廠房、核電站、地鐵等工程爆破振動監(jiān)測成果［4-7］，按照核電運(yùn)營單位提供的資料，極易遭受爆破振動影響的核電設(shè)施為：核島、TB廠房、SEP水箱、觀景平臺、洞頂水管以及高壓輸電線塔等。根據(jù)嶺澳核電站一期、二期工程爆破施工振動控制要求以及爆破試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合核電運(yùn)營單位提出的安全指標(biāo)，爆破監(jiān)測的控制標(biāo)準(zhǔn)［2］為：

⑴核島：振動加速度不超過0.01g；

⑵TB廠房：振動速度不超過0.2 cm/s；

⑶通訊發(fā)射站：振動速度不超過1.5 cm/s；

⑷觀景平臺：振動速度不超過2.5 cm/s；

⑸醫(yī)療中心和行政中心辦公樓：振動速度不超過2.5 cm/s；

⑹北區(qū)變電站：振動速度不超過0.5 cm/s；

⑺SEP水箱：振動速度不超過1.5 cm/s；

⑻微波站：振動速度不超過1.5 cm/s；

⑼水管支墩：振動速度不超過12 cm/s。

3 開挖爆破控制措施研究

在核電站這個特殊地理環(huán)境中進(jìn)行地下工程爆破，核島對爆破振動有更高和更特殊的要求。為絕對保證爆破振動不引起核島的停堆事故和對其他核電建筑物的損害，對施工爆破控制措施進(jìn)行了研究，通過爆破試驗(yàn)得到適合該工程條件的地震波最大峰值加速度、速度轉(zhuǎn)播衰減規(guī)律和合理的起爆段間時差，據(jù)此確定本工程的施工爆破實(shí)施方案，按照核電的要求，嚴(yán)格控制振動影響在安全閾值的70%以下［8］。

3.1 爆破安全試驗(yàn)

爆破安全試驗(yàn)的主要目的為通過對本次爆破試驗(yàn)觀測結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到適合該工程條件的3條測試方向地震波最大峰值加速度和速度轉(zhuǎn)播衰減規(guī)律和合理的起爆段間時差，為爆破方案的制定提供初步依據(jù)。爆破試驗(yàn)提供的工程區(qū)衰減規(guī)律如下：

加速度衰減規(guī)律：

α水平=20.26（Q3/R）1.75，r2=0.95

α垂直=13.86（Q3/R）1.66，r2=0.94

速度衰減規(guī)律：

V水平=199.53（Q3/R）1.75，r2=0.93

V垂直=87.56（Q3/R）1.56，r2=0.92

式中：V為質(zhì)點(diǎn)峰值速度（cm/s）；α為質(zhì)點(diǎn)峰值加速度（g）；Q為最大段藥量（kg）；R為測點(diǎn)到藥包中心距離（m）；r為相關(guān)系數(shù)。

3.2 施工爆破振動控制設(shè)計(jì)

為了確保核電站及其建構(gòu)筑物的絕對安全，在施工前依據(jù)試驗(yàn)提供的工程區(qū)衰減規(guī)律對爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行爆破振動計(jì)算和校核，確定安全的單響藥量，并根據(jù)每天、每次的監(jiān)測結(jié)果調(diào)整裝藥量。

運(yùn)用衰減規(guī)律公式對爆破參數(shù)進(jìn)行反算，檢驗(yàn)其對核電各關(guān)鍵點(diǎn)產(chǎn)生的振動加速度或振動速度，對進(jìn)入主隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面爆破安全進(jìn)行了分析。根據(jù)分析結(jié)果，所有關(guān)鍵點(diǎn)的振動加速度或速度均在安全允許范圍內(nèi)，能夠滿足核電安全要求。

4 核電站供水管線保護(hù)措施研究

在進(jìn)入隧道洞口正上方有一輸水管線橫穿隧道拱頂。水管距隧道洞口18 m，其4#水泥鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)正坐于隧道拱頂3.2 m 處。進(jìn)入隧道洞口段施工可能對輸水管道安全構(gòu)成威脅。

影響輸水管道變形的主要因素為，由于洞內(nèi)爆破振動和水管正下方因隧道開挖形成臨空面后可能引起的地表下沉，如果振動和下沉超過水管接頭的允許范圍，接頭處將會開裂漏水。管線破壞的可能形式主要是因變形過大造成水管開裂漏水。在方案研究中主要從爆破振動藥量控制和防止水管下沉控制方面采取了謹(jǐn)慎的措施。

根據(jù)核電運(yùn)行提出的安全指標(biāo)，水管的振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)為振速小于12 cm/s；水管鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)的沉降標(biāo)準(zhǔn)為不超過3 mm。

4.1 施工方案及措施

遵循“預(yù)支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉，嚴(yán)控制，勤觀測”的原則，分臺階打小導(dǎo)洞開挖進(jìn)入隧道過供水管線段［1］。

4.1.1 加強(qiáng)洞內(nèi)支護(hù)

采用復(fù)合式襯砌，爆破開挖前用直徑φ42，長度3.5 m，間排距0.4 m的超前小導(dǎo)管注漿，沿開挖輪廓線以14°的外插角，向開挖面前方較差圍巖中打入小鋼管并進(jìn)行注漿，形成對前方圍巖的預(yù)錨固。在提前形成的圍巖錨固圈的保護(hù)下進(jìn)行爆破開挖，各項(xiàng)爆破參數(shù)嚴(yán)格按照制定的爆破方案進(jìn)行確定。掛鋼筋網(wǎng)并初噴混凝土，架立縱向間距0.5 m 的鋼拱架，最后在隧道開挖一定里程后進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌施工。

4.1.2 加強(qiáng)鎮(zhèn)墩位移監(jiān)測和洞內(nèi)圍巖沉降收斂觀測

為了隨時掌握供水管線鎮(zhèn)墩沉降數(shù)據(jù)，在鎮(zhèn)墩附近布設(shè)9個沉降觀測點(diǎn)。每天對爆破前后的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時分析，為下一次的爆破開挖提供設(shè)計(jì)依據(jù)，動態(tài)掌控鎮(zhèn)墩沉降情況。

在隧道內(nèi)開挖初支護(hù)表面每3 m斷面沿洞壁設(shè)置3個觀測點(diǎn)，測量圍巖沉降和水平收斂并及時分析，如圍巖變形速度過快，則應(yīng)及時修改支護(hù)方案。

4.1.3 供水管線鎮(zhèn)墩加固

首先在進(jìn)入隧道洞內(nèi)拱頂向上打φ45 注漿小導(dǎo)管，間排距0.8 m×0.8 m，沿洞軸方向水平傾角70°～80°。水泥漿液的水灰比取1∶2，注漿壓力控制在1 MPa，在超前小導(dǎo)管尾部焊接直徑6 mm 的鋼筋加勁，確保注漿效果。通過洞內(nèi)注漿小導(dǎo)管加固拱頂較深范圍的巖層，提高鎮(zhèn)墩底部地基的整體強(qiáng)度。

其次在洞外供水管線鎮(zhèn)墩下部坡面上打φ45 注漿小導(dǎo)管，間排距為0.8 m×0.8 m，水平傾角30°，垂直坡面，基本能夠達(dá)到阻止鎮(zhèn)墩產(chǎn)生位移的目的。

4.2 隧道圍巖穩(wěn)定計(jì)算分析

采用彈塑性有限元法對進(jìn)入隧道過供水管線段進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，同時模擬隧道開挖支護(hù)過程［9］。計(jì)算模型邊界采用5 倍的洞徑長度。隧道覆蓋層厚僅為4.7 m，左右兩側(cè)巖層厚取38 m，下部巖層厚取40 m。模型考慮隧道頂部鎮(zhèn)墩及其兩側(cè)各2 個支墩，核電站供水管線的作用折算為荷載直接加在鎮(zhèn)墩及支墩上。

計(jì)算工況考慮未支護(hù)和支護(hù)后，由計(jì)算結(jié)果可知，如果開挖時不進(jìn)行支護(hù)，拱頂兩側(cè)將形成較大范圍的塑性區(qū)，并一直延伸至地面，因此拱頂可能發(fā)生坍塌危險(xiǎn)，鎮(zhèn)墩也將發(fā)生沉陷，直接影響到拱頂核電站供水管線的安全。隧道開挖過程中同時按設(shè)計(jì)進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿和支護(hù)，圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小，僅在拱腳部位出現(xiàn)較小范圍塑性區(qū)。

4.3 保護(hù)措施實(shí)施效果評價(jià)

進(jìn)入隧道施工后對鎮(zhèn)墩及洞內(nèi)圍巖的觀測分析表明大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站工程在淺埋土質(zhì)軟巖隧道穿越供水管線鎮(zhèn)墩施工中，很好地應(yīng)用了爆破振動控制、測量監(jiān)測控制、鋼拱架支撐及噴錨支護(hù)、注漿小導(dǎo)管加固等多種控制技術(shù)措施。充分發(fā)揮并有機(jī)結(jié)合各種施工工藝的不同優(yōu)點(diǎn)，抑制供水管線鎮(zhèn)墩產(chǎn)生毫米級位移，確保核電供水管線鎮(zhèn)墩的安全，順利通過了進(jìn)入隧道供水管線段施工。

5 結(jié)論

⑴爆破試驗(yàn)監(jiān)測初步確定中微子試驗(yàn)站隧道爆破開挖振動衰減規(guī)律，為隧道爆破設(shè)計(jì)提供了初步依據(jù)。根據(jù)嶺澳核電站一期、二期工程經(jīng)驗(yàn)，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站隧道爆破開挖時，核島主體結(jié)構(gòu)的振動控制標(biāo)準(zhǔn)定為0.01g，TB 廠房的振動速度不超過0.2 cm/s，同時提出了其他部位適合本工程的開挖爆破監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足核設(shè)施的安全要求，并獲得了國家核安全局的批準(zhǔn)。

⑵通過對大亞灣核電站、嶺澳一期、二期核電站核島附近的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站工程地下隧道及實(shí)驗(yàn)廳施工爆破中對核電站安全運(yùn)行的影響進(jìn)行研究，確定了合適的爆破參數(shù)和技術(shù)措施，運(yùn)用衰減規(guī)律公式對爆破參數(shù)進(jìn)行反算，檢驗(yàn)其對核電各關(guān)鍵點(diǎn)產(chǎn)生的振動加速度或振動速度，根據(jù)分析結(jié)果，所有關(guān)鍵點(diǎn)的振動加速度或速度均在安全允許范圍內(nèi)，能夠滿足核電安全要求。

⑶對淺埋土質(zhì)進(jìn)入隧道穿越核電站技術(shù)供水管線鎮(zhèn)墩技術(shù)措施進(jìn)行了研究，提出了爆破振動控制、測量監(jiān)測控制、鋼拱架支撐及噴錨支護(hù)、注漿小導(dǎo)管加固等多種控制技術(shù)措施，實(shí)際施工中根據(jù)觀測結(jié)果，鎮(zhèn)墩最大累計(jì)下沉量3 mm，隧洞內(nèi)拱頂下沉量2 mm，最大水平收斂值0.14 mm，掌子面爆破對鎮(zhèn)墩的振動影響不超過規(guī)定閾值的10%，確保了核電供水管線鎮(zhèn)墩的安全，表明技術(shù)措施是有效和可靠的。

⑷在隧道爆破施工過程中，對隧道內(nèi)圍巖及隧道外鎮(zhèn)墩、邊坡和核島等主要建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測和爆破振動監(jiān)測，確保施工引起的變形和振動影響在安全范圍以內(nèi)，嚴(yán)格控制了振動影響在安全閾值的70%以下。

⑸目前國內(nèi)外很少有在已運(yùn)行核電站附近進(jìn)行地下工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)可循，本工程的順利實(shí)施為此類工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為中國開展中微子實(shí)驗(yàn)研究提供了一個平臺，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行以來取得了重大成功，大亞灣中微子團(tuán)隊(duì)獲得了“基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎”［10］。