CAP1000核岛碗状狭窄区域压力灌浆质量控制研究

冯亚亮

（中核四达建设监理有限公司  河北石家庄市）

摘要：CAP1000机型作为我国在建核电堆型之一，其核岛土建阶段特有的关键工艺——核岛钢制安全壳底封头与基础A层混凝土表面间碗状狭窄区域（约100mm±50mm）压力灌浆工艺，是本文质量控制研究的对象。本文以三门核电4号机组工程实践为基础，聚焦工艺存在的灌浆作业需一次成型、灌浆面积大、碗状狭窄区域作业空间受限、灌浆液面监测困难、灌浆材料性能要求高五大核心难点，系统解析了从工艺方案审核、模拟试验、灌浆材料进场验收、钢制安全壳底封头吊装前、灌浆作业前、灌浆作业到浆体养护全过程质量控制要点。通过实践应用，成功实现碗状狭窄区域大面积灌浆一次性高质量成型，为国内在建及后续CAP1000、CAP1400等堆型核电机组的同类灌浆作业提供了直接质量控制参考依据。同时，所提炼的质量控制要点与经验，亦为其他工程领域应对类似高难度灌浆工序挑战提供了显著借鉴价值。

关键词：CAP1000机型  碗状狭窄区域  灌浆面积大 一次成型 质量控制  

• 引  言

我国核能发展目前进入黄金发展阶段，2022至2025年连续四年核准核电机组均保持在10台以上。在迎接发展机遇的同时，行业面临核电从业人员存在断层，专业人才数量与技能水平难以匹配快速发展需求等现实挑战。在坚决贯彻“安全第一、质量第一”根本方针背景下，亟须强化关键工艺质量控制，以满足核电建设高标准要求。目前在建的CAP1000机组与华龙一号机型、高温气冷堆机型在核岛土建施工阶段，特有的关键工序之一就是碗状狭窄区域压力灌浆。核岛钢制安全壳（以下简称“CV”）底封头安装后与核岛 A 层基础间存在呈碗状结构约 100mm±50mm 的空隙，为确保CV球面底座密实，需采用一种碗状狭窄区域压力灌浆的工艺方法，该工艺方法面临灌浆作业需一次成型、灌浆面积大、碗状狭窄区域作业空间受限、灌浆液面监测困难、灌浆材料性能要求高五大核心难点。该工艺原为AP1000机型专利技术，填补了国内外同类机型技术空白。经多台AP1000/CAP1000机组实践，施工技术持续完善。但质量监督表明，建设单位、监理单位及总包单位的质量管理人员对该工艺控制仍显薄弱，尤其在新引进CAP1000机型的电厂中更为突出。本文结合三门核电4号机组核岛碗状狭窄区域压力灌浆工艺质量控制实践，针对五大核心难点开展质量控制研究，为同类型机组现场质量控制提供借鉴，保障大面积压力灌浆工序高质量一次性完成。

1 工程概况

三门核电3、4 号机组采用CAP1000技术， CAP1000是在AP1000技术消化吸收与依托项目设计、建造及安全审评的基础上，结合我国国情，参考最新法规标准形成的国产化AP1000设计。4号机组核岛反应堆厂房包括屏蔽厂房、反应堆厂房。屏蔽厂房的外部基础指核岛底板之上、反应堆厂房钢制安全壳底封头（简称“CV底封头”） 之下部分的钢筋混凝土结构，呈碗状结构，分五层施工（如图1）。灌浆区域钢制安全壳底封头为类球体（如图2），分别由半径R34053.83mm,半径R31898.15mm,半径R23904mm的圆弧绕平行与直径但不通过圆心的旋转轴旋转而成的曲面。其中CV 底封头与外部基础A层之间预留 100mm 的缝隙（如图3）。为确保底座密实，需采用压力灌浆技术对下CV底封头下306m²区域进行灌浆施工。

图1：钢制安全壳（CV）底封头位置示意图

图2：钢制安全壳剖面图

图3：灌浆区域示意图

本文同时借鉴了三门核电厂1号、2号AP1000机组、山东海阳核电厂1、2号AP1000机组，徐大堡核电1号CAP1000机组等底封头大面积压力灌浆施工过程中遇到的难点和优化改进意见，通过对工艺方案审核、模拟试验、灌浆材料进场验收、CV底封头吊装前、灌浆前、灌浆作业及浆体养护等全过程实施阶段的质量控制要点进行分析和研究，以便提高大面积灌浆工艺一次成型质量。同时，为现场质量控制人员提供借鉴和参考。

2灌浆施工核心难点

2.1灌浆作业需一次成型

CV 底封头下约 100mm 的缝隙灌浆区域呈类碗状结构且操作空间受限，一旦灌浆施工质量存在缺陷（如空洞、不密实、分层等），将导致返工难度巨大且代价高昂、对后续关键路径工期造成严重冲击及潜在结构性能风险。

2.2灌浆面积大

CV 底封头与外部基础A层之间狭窄区域灌浆面积约306m²,总量约30.6m³。灌浆面积大，且需要一次性高质量完成灌浆，避免灌浆过程中留存施工缝及温度裂缝，进一步增加了灌浆过程质量控制的难度。

2.3碗状狭窄区域作业空间受限

由于CV 底封头与外部基础A层之间设计缝隙约100mm，灌浆作业区域狭窄，一方面导致常规施工工序操作受限，比如灌浆前基层的湿润与积水的清除；另一方面导致灌浆实施中出现的突发问题处理困难，比如存在预先固定的灌浆管道被CV底封头吊装时破坏、区域内的杂物的清理及灌浆时灌浆管道堵管后的处理等。

2.4灌浆液面监测困难

因灌浆位置为碗状狭窄区域且灌浆面积大，施工区域具体液面情况无法观察，常规液面监测方法不可行。受下方A层混凝土浇筑后顶表面误差影响，表面形状为非规则曲面，增加了液面位置监测的难度，如何保证灌浆软管始终位于灌浆液面500mm以下以及保证灌浆液面均匀上升是灌浆工艺质量控制的重点和难点。

2.5灌浆材料性能要求高

为保证灌浆强度、密实度、与CV底封头贴合紧密和减少后续对CV底封头内部作业的工期影响，需选择强度高、无收缩、微膨胀、流动性能良好、强度增长快的材料，因灌浆材料直接与钢制安全壳底封头接触，灌浆材料应为不老化，避免对钢制安全壳产生锈蚀。

3质量控制研究

针对CAP1000机组核岛CV 底封头灌浆施工存在的核心难点，为保证灌浆过程有序开展，提升灌浆质量，本文从该工序施工全过程质量控制角度进行逐步分析，以便于相关业主单位、监理单位等质量控制人员掌握质量控制要点，避免因控制疏漏，导致质量缺陷或问题的发生。

3.1工艺方案审核阶段

针对灌浆作业需一次成型，施工单位根据施工图纸和设计文件，编制详细可行的施工方案，质量管理人员应重点关注施工方案中关于施工工序重难点的应对措施，对“人、材、机、法、环”等要素进行审核，确定是否满足灌浆工艺需要。应重点审核灌浆材料的性能、设备布置方式和选型、浆体液面监测方法等工艺选择。

3.1.1施工方案审核质量控制要点

（1）灌浆材料：灌浆材料强度应满足A层混凝土强度要求，通过施工方案确定。4号机组A层混凝土强度等级为C30，灌浆材料应在满足设计要求的强度同时，要具有无收缩、微膨胀、流动性能良好、强度增长快、不泌水和氯离子含量符合规范要求等特点，重点查验选择的灌浆材料产品质量说明书中参数是否满足要求，本工程采用灌浆材料为BY-Ⅱ改进型灌浆料；

（2）设备布置方式和型号：为保证灌浆作业连续和拌合料浆体性能，避免出现因运输振动导致浆体离析等问题，采用在灌浆区域周边四个垂直方向上，依次配套设置灌浆泵和搅拌机，极大缩短拌合料运输距离和灌入模板时间。同时，根据凝结时间、灌浆体积、灌浆压力选择合适的灌浆设备、制浆设备及配套的灌浆管径，保证灌浆连续和密实，且尽量减少灌浆时间，避免产生施工缝。

本项目制浆能力和灌浆能力分析如下：

灌浆能力分析：本项目选择的灌浆泵垂直泵送高度30m,水平输送距离120m,远远大于现场灌浆高度和灌浆直径，满足要求。灌浆泵的最大出浆量为1.5m³/h。

搅拌机制浆能力分析：本次制浆采用 JZ-300型灰浆搅拌机，每次搅拌（10包料 250kg，拌合水 35kg），搅拌时间约为 3～5分钟。按5分钟考虑，1h制浆量次数为：60÷5=12次。根据厂家说明书 1包料可产出 12.7L砂浆，10包产出 127L砂浆，搅拌机出浆量 127×12=1524L/h=1.524m³/h＞1.5m³/h，故制浆能力大于灌浆能力，可连续不间断进行灌浆作业。

管道管径采用与搅拌机配套的内径为50mm的灌浆管，经已经投运的三门核电1、2号机组等施工经验，满足要求。

（3）方法选择：灌浆作业涉及的常规施工作业的方法关注一般工艺例如凿毛工艺的同时，重点关注灌浆液面监测方法和液面标高测量方法，确保能够有效监测出实际灌浆液面位置。本项目采用在距中心1000mm，3500mm，6000mm，8500mm位置放置液面检测仪探头（如图5、图6），用于观测实际液面位置，以保证灌浆管出浆端始终位于灌浆液面以下^[2]。在灌浆前计算出液面理论高度与灌浆时间关系的液面控制表，并根据实际灌浆情况进行调整，以更精确地了解液面位置。

图4：液面监测仪布置图

图5：液面监测仪和探头

3.2模拟试验阶段

为验证灌浆施工的操作流程、验证灌浆料拌合水水温、灌浆料可施工时间、流动度，在方案制定后，应组织对方案中施工计划采用的现在投稿高峰期，编辑都比较忙，论文检测和审核都是需要时间的，论文检测都是付费检测，审核的话需要办理100元审核定金，这个您不用担心，如果是文章审核通过了，是算版面费里面的，如果审核不通过，退稿，这个定金也是全部退还给您的，不会扣除您任何费用，只是避免部分作者审核通过的文章，随意黄稿、弃稿，您看可以吗材料、设备、机具等施工工艺、灌浆料配合比进行模拟验证。应重点检查灌浆料拌制完成后的流动度测试，初始流动度应不低于340mm，30min流动度不应低于310mm；灌浆料入模温度测试结果，应保持在10°C-30°C；根据测试的施工时间，计算可施工时间。入模温度测试结果不合格，则需调整拌合水温度，浆体流动度测试不合格，且经水温调整后，仍不合格，则需更换灌浆材料，完善灌浆方案，直至模拟试验合格。

3.3灌浆材料进场验收

本项目确定的灌浆材料品牌是BY-Ⅱ改进型灌浆料。为保证灌浆材料合格，应重点对材料验收和灌浆前的材料储存进行质量控制。

灌浆材料选择同一批次进场，材料进场后，应进行灌浆料出厂合格证、型式检验报告、出厂检验报告和使用说明书等质量证明文件核查和抽样检测。同时，对灌浆料随机抽样，对灌浆料的净含量和灌浆料的抗压强度、最大集料粒径、凝结时间、泌水率、竖向膨胀率、氯离子含量等主要性能指标进行复验^[4]，主要性能指标均合格后，批准进场使用。

灌浆工艺开始作业前，应定期对灌浆料贮存场所、环境进行检查，灌浆料应保管在不受湿气影响和有垫层设施的仓库内。同时，关注灌浆料生产日期，如超过材料要求的保质期，应报废并清理出场，重新购买，待进场验收合格后才能使用。BY-Ⅱ改进型灌浆料保质期为6 个月，本工程使用灌浆料生产日期与灌浆工艺施工时间间隔为3个月，在保质期内。

为保证拌合料浆体性能，灌浆材料用水须重点控制，应检查水质检测报告，水质应符合混凝土拌合用水水质要求^[5]。

3.4底封头吊装前实施阶段

因CV底封头吊装后存在灌浆操作区域狭窄难点，基层处理、灌浆软管与吸水软管的安装和固定、液面监测仪探头安装、基层清理等工序在CV底封头吊装后无法施工，必须严格控制CV吊装前的以上工序施工质量。

3.3.1凿毛质量控制

灌浆基层为A层混凝土基础上表面，为保证灌浆料与A层混凝土结合紧密，应进行凿毛处理，对凿毛质量和凿毛深度进行重点控制。

（1）凿毛工序完成后，应进行验收，确保凿毛应充分、预留槽位置满足施工方案要求、露出基层混凝土骨料、无露筋、基层表面无松动的石子和浮浆等现象。同时，为便于灌浆与吸水软管的固定和防止 CV 底封头变形过大对软管造成挤压导致软管后续抽出困难，需对软管固定位置凿出100mm×50mm的预留槽（如图6）。

图6：基础A层表面凿毛图

（2）重点控制凿毛深度。因基础A层混凝土表面为非规则曲面，为避免基础表面或预先安装灌浆管与CV底封头接触挤压，凿毛后应均匀布点，测量A层混凝土标高，并与CV底封头吊装后的理论标高进行对比，应满足以下公式：

H₀-H₁-Δ>H₂+d                       式（1）

式中：

H₀：CV底封头理论安装后的内表面标高；

H₁：A层混凝土凿毛后的基础表面标高；

Δ：CV底封头壁厚（本工程为41.3mm）；

H₂：安装固定后的灌浆软管标高；

d：Ⅱ型灌浆料适用的最小灌浆层厚度。

如计算结果不满足式（1）的要求，则应继续凿毛，以保证留出灌浆空间和避免挤压灌浆管等。

3.3.2软管及液面监测仪探头安装质量控制

因灌浆作业和吸水作业时，会导致相应软管摆动，为保证作业效果，灌浆、吸水软管应进行固定（如图7）。软管安装后，应检查确定固定牢固、位置正确、抽动顺畅、软管顶表面均未超出凿毛面40mm等。

图7：灌浆软管固定点示意图

为解决液面监测的难点，应重点检查液面监测仪的探头安装位置。根据方案核对液面检测仪位置布置，布置在四个方向上，按要求位置安装后，应检查探头安装的规范性，是否与固定的金属接触，避免影响监测结果。

3.3.3CV底封头吊装位置质量控制

底封头吊装后，应及时测量底封头内对应位置表面标高，复核灌浆软管不会受底封头外表面变形导致挤压和灌浆空间不足，应满足式（2）的要求。

H₃-H₂-Δ>d                     式（2）

式中：

H₃：CV底封头安装后的内表面标高；

H₂：安装固定后的灌浆软管标高；

Δ：CV底封头壁厚（本工程为41.3mm）；

d：Ⅱ型灌浆料适用的最小灌浆层厚度。

3.5灌浆作业前阶段

为避免CV底封头吊装后，因受操作区域狭窄限制导致杂物进入灌浆区域后，清理不到位和存在积水，影响灌浆质量，应重点做好防异物管控和基层湿润质量控制，同时，在灌浆前做好先决条件检查。

3.5.1防异物质量控制

CV底封头吊装完成后，应检查灌浆区域周边是否采取措施防止雨水、杂物进入灌浆区域，本工程采用塑料胶布加塑料防雨布措施进行防护，质量管理人员应定期检查防异物措施，避免杂物进入灌浆区域。

3.5.2基层湿润质量控制

基层湿润在保证基层全部湿润的同时，重点控制积水清理干净，以避免影响浆体的配合比。湿润完成后，要及时清理积水，质量管理人员应重点查验基层湿润后有无积水。本工程采用从A层混凝土四周外沿向灌浆区域内灌水，使A层基础混凝土表面充分湿润。由于灌浆区域呈碗状结构，积水最终均汇入到了A层混凝土中心点，并通过中心区域埋设的吸水管，利用抽水泵将积水吸出，湿润的基层的同时，对灌浆管同步进行湿润，并将全部积水，一同吸出，中心位置不能吸出的积水，将灌浆软管和空压机连接在一起，将积水吹干^[1]。质量管理人员应通过内窥镜，深入中心区域，核实积水是否清理干净。

3.6灌浆作业实施阶段

核岛基础A层混凝土基础表面湿润完成并且积水清理验收后，在正式开始灌浆作业前，对全部参与灌浆作业的人员进行安全技术交底。灌浆过程中，应对拌合的拌合料浆体质量和灌浆过程进行重点质量控制。

3.6.1拌合料浆体质量控制

为保证灌入的拌合料浆体质量，制备灌浆料时严格按照灌浆料配合比进行称量、投料、搅拌。在制备灌浆料时，质量管理人员应进行旁站并控制搅拌作业时不得将搅拌机内的水溅出，以免影响材料的水、料配比；同时，要搅拌要均匀，不得有块状、干粉等现象出现，当发现有大块物料时，应立即拣出打散后放回搅拌机继续搅拌，以不影响到灌浆料水灰比，制浆完毕后，重点控制流动度检测结果（如图9），测试合格后，方可灌浆，注意制备好的浆体在30min内使用完毕，否则应进行流动度检测，同时注意见证灌浆料标准养护试块的制作。

图8：现场截锥流动度检测

本工程水、料配合比为3.5：25（35kg水，10包料250kg），采用标定的量具和称重设备，进行水体积和灌浆料重量控制，每次搅拌后，测量浆体入模温度并记录，进行温度控制，对同一批次的灌浆料以50t的频率做1组标准养护抗压强度试块，标准试块尺寸为40mm×40mm×160mm,每组3块。根据灌浆料产品说明书，新拌灌浆料密度为2.2kg/L,本工程浆体总重量为30.6×2.2=67.32t，因此需制作2组试块。本工程实际浆体消耗为50.5t。

3.6.2润管作业

灌浆正式开始前，预先进行灌浆管润管，润管采用压力浆润管的方式。提前将灌浆料利用筛子（筛孔公称直径 2.5mm）将 BY-Ⅱ改进型灌浆料中骨料筛除，采用筛选后得到的细料按照 3.5:25 的比例配制润管料，将润管料从灌浆管的上端注入，使得整个灌浆管道完全湿润。润管的浆料直接灌入灌浆区域，后续的灌浆施工与润管工作连续进行。

3.6.3灌浆管操作控制

为保证灌浆管操作顺序正确，并且灌浆管出口始终位于灌浆液面之下500mm，应根据监测仪显示情况和灌浆液面理论控制表（见表1），重点控制作业顺序与拔管的操作时间和长度。

本工程采用将搅拌完成的灌浆料先通过 1 根灌浆管输送到灌浆区域底部中心位置，在灌浆料液面未到达四根灌浆管前（即灌浆液面到达距中心500mm弧长位置前），再由四根灌浆管共同从底部开始逐步向上灌浆。每台灌浆泵的速度应严格控制，随着灌浆时间的推移，需要缓慢向外移动灌浆导管，具体拔管长度和开始拔管时间，可根据表2，并结合实际操作时间，不断对表格进行调整。

在保持 1-4 号台灌浆管同时灌浆，每台灌浆泵的速度应严格控制，随着灌浆时间的推移，当灌浆高度到达所有 a#液位仪位置时,所有灌浆管及备用灌浆管均需缓慢抽出200mm，其余按照理论控制表，拔管频次进行拔管作业（如图9），依照此步骤直到灌注到出现浆液外流（用土工布堵住），为保证灌浆密实，应续压力灌注 1min 后，停止灌浆作业 5min，再压力灌注 1min 后，将 1-4#灌浆管同时抽出模板预留口（灌浆管时刻保持灌浆液面以下位置），查看灌浆料使用量接近计算值，且可以在灌浆面四周观看到浆体均匀溢出，则灌浆结束。

图9：2#灌浆点现场灌浆施工作业

灌浆过程中，要检查到达监测仪探头位置理论计算值与实际时间的差距，如有差距应及时调整理论计算值和灌浆速度及灌浆管外抽时间和长度，将灌浆管出浆口位置控制在灌浆液面以下至少500mm。

表1： 灌浆液面理论控制表

液面位置 （距中心弧长）m	总表面积m2	灌浆层厚度m	总体积m3	净体积m3	每分钟约出浆料m3	需要时间min	抽管频次
0.5	0.79	0.1	0.06	0.05	0.025	2.00	拔管一次，拔出距离200mm
1	3.14	0.1	0.30	0.25	0.1	2.514852763
抽出200mm
1.5	7.06	0.1	0.69	0.44	0.1	4.390039798	每十分钟拔管一次，一次拔管500mm，一共拔四次管，共拔出长度2000mm
2	12.56	0.1	1.24	0.80	0.1	8.009036321
2.5	19.62	0.1	1.95	1.15	0.1	11.4531494
3	28.25	0.1	2.81	1.66	0.1	16.64039057
3.5	38.45	0.1	3.83	1.02	0.1	10.19978611
抽出2000mm
4	50.21	0.1	5.01	1.18	0.1	11.76023006	每二十五分钟拔管一次，一次拔管500mm，一共拔四次管，共拔出长度2000mm
4.5	63.54	0.1	6.34	1.33	0.1	13.33009645
5	78.44	0.1	7.83	1.49	0.1	14.89965348
5.5	94.91	0.1	9.48	1.65	0.1	16.46870832
6	112.95	0.1	11.28	1.80	0.1	18.03706818
抽出2000mm
6.5	132.55	0.1	13.24	1.96	0.1	19.60454034	每四十分钟拔管一次，一次拔管500mm，一共拔四次管，共拔出长度2000mm
7	153.69	0.1	15.35	2.11	0.1	21.13940884
7.5	176.31	0.1	17.61	2.26	0.1	22.61541635
8	200.50	0.1	20.03	2.42	0.1	24.1851296
8.5	226.25	0.1	22.61	2.58	0.1	25.75425009
抽出2000mm
9	253.57	0.1	25.34	2.73	0.1	27.32243452	每二十分钟拔管一次，一次拔管500mm，直至灌浆结束全部拔出
9.5	282.46	0.1	28.23	2.89	0.1	28.88933975
9.754	306.00	0.1	30.60	2.37	0.1	23.70039794

3.6.5灌浆温度控制

根据模拟试验结果，控制用水温度的同时，在灌浆过程中，还需对灌浆浆体温度控制和环境温度控制。浆体温度控制，采用入模时温度监测并记录，同时，选择温度合适的天气进行作业，为避免太阳直晒导致钢制安全壳温度升高，进而影响浆体温度，在钢制安全壳内表面进行麻袋覆盖，必要时洒水降温。

本工程在9月份开始灌浆作业，白天温度高于35°C，为保证灌浆料作业环境温度，避免温度裂缝，选择加入冰水，同时在CV底封头内部铺设麻袋，避免太阳直晒，并定期洒水，安排专人对内表面温度进行监测和记录，确保不超过30°C。

3.7浆体养护阶段

灌浆结束后，应重点控制养护质量。应对灌浆体裸露部位和非裸露部位进行养护质量控制。灌浆区域边缘裸露部分，应及时洒水覆盖薄膜，确保养护时间。灌浆区域内部非裸露部位，应在钢制安全壳内部铺设土工布，并定期洒水养护，并且铺设范围应超出灌浆区域2m,避免因钢制安全壳导热，导致灌浆区域内外部温度不一致，产生温度裂缝，同时，均匀布点定期监测温度。应重点控制平面不同区域温度差以及同一点降温梯度，避免温差过大，产生温度裂缝。

• 结束

三门核电4号机组CV底封头灌浆实践中，通过精准把控材料性能、细化参数及强化过程监控，实现了浆体均匀充盈与一次性高质量成型。后续随机敲击证实灌浆密实，无空鼓缺陷，工艺效果显著。同时，针对基础表面非规则性导致的间隙不确定性，未来需应用高精度三维扫描精确分析；并研发基于声发射或光纤传感的实时无损监测技术，替代传统敲击法。随着CAP1000机组批量化建设，持续深化工艺研究、融合技术创新并完善质控体系，是提升灌浆质量可靠性、夯实核电工程建造质量基础的关键。

参考文献

• 程兴龙 AP1000核电机组钢制安全壳压力注浆技术浅谈 河北 《科技风》杂志社 2013
• 刘兆瑞，邓国平，刘学良，刘涌，刘向荣，张炳畅 AP1000核电站CV底封头LED灯触点显示压力灌浆设计与施工 重庆 《工程技术》杂志社 2014
• 中国核工业第二二建设有限公司 一种在核岛反应堆厂房基础A层砼与CV底封头之间的空隙中进行压力灌浆的方法 中国 CN102900085B 2014-11-26
• GB/T 50448-2015 水泥基灌浆材料应用技术规范
• JGJ 63-2006混凝土用水标准

...