高能同步辐射光源项目综合施工技术

高能同步辐射光源（HEPS）项目是在我国“十三五”期间建设，为国家重大科技需求和前沿基础科学研究提供技术支撑平台的国家重大科技基础设施，是中国科学院和北京市立足于推动落实国家“创新驱动战略”、共建怀柔科学城的核心装置。该项目的整体建筑外形似一个放大镜，寓意为探测微观世界的利器。建成后的高能同步辐射光源将是我国第一台高能同步辐射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。1 工程概况高能同步辐射光源项目位于北京市怀柔科学城核心区，工程占地面积约650 000 ㎡，总建筑面积124 780.37 ㎡，项目包括1号装置区、2号环外低温厅和综合动力站、3号安全技术楼、4~8号环境监测站等。建筑设计为一层，局部二层，基础结构为独立基础，主体结构框架柱为钢筋混凝土框架。抗震设防烈度为8度，使用年限为50年，耐火等级为二级，屋面防水等级为一级。1号装置区为主体实验建筑，主要包括主环、增强器隧道和直线隧道、增强器设备楼、直线设备楼、超长光束线隧道和实验站。2号环外低温厅及综合动力站为1号装置区电力、制冷等提供能源支持，环外低温厅与环内低温厅管道连通，为高频厅提供制冷源；3号安全技术楼主要是实验室、储存间等用房；环境监测站布置在项目周边区域，项目运行期间用于监测周边环境。工程各单体布置如图1所示。图1 工程各单体平面布置1号装置区建筑面积114 450.84 ㎡，建筑高13.01 m，建筑为环形平面布置，外环半径255 m，外周长1 601.4 m，内环半径189 m，内周长1 186 m，径向轴线共133道，环形轴线7道。1号装置区中间为实验大厅，上部为单跨H型钢结构，屋面钢结构梁跨度为33~41 m，工程钢结构总用量约8 000 t。1号装置区屋面体系为多曲面直立锁边板，屋面面积约92 000 ㎡，檩条为高300~350 mm H型钢，0.7 mm厚直立锁边钢板，钢板型号为YX92–420，钢板表面为5 %镀铝锌，双面镀层含量200 g/㎡，表面氟碳预辊涂，涂层总厚度不低于30 μm，防水为1.5 mm厚TPO防水卷材，保温为65 mm+65 mm厚憎水岩棉板，0.3 mm厚PE隔汽膜，0.8 mm厚压型镀锌钢板，双面镀锌含量275 g/㎡。2 工期要求高能同步辐射光源项目自2019年8月19日开工建设，2019年12月30日完成1号装置区土方、独立基础结构，2020年4月14日完成实验大厅防微振换填，2020年12月30日完成钢结构安装，2021年12月完成金属屋面、外墙封闭。为了配合工艺专业进行设备安装，根据工艺设备专业要求已经完成部分工程移交，主要完成及移交工程：2020年6月30日完成准直系统；2021年5月31日完成地下管沟；2021年6月30日完成2号环外低温厅及综合动力站；2021年6月28日完成直线加速器隧道，第一台电子枪安装成功；2021年10月30日完成增强器隧道、直线设备楼；2022年2月28日完成储存环隧道。全部建设工程计划于2022年6月29日完成竣工交付，全部实验用工艺设备安装、调试计划于2024年12月30日完成。3 工程重点与难点3.1 工程重点3.1.1 对地基的稳定性及不均匀沉降要求高本工程储存环隧道不均匀沉降限值10 μm/10 m/year，同步辐射实验大厅底板30 μm/10 m/year，增强器隧道、直线加速器隧道，低能、高能输运线隧道20 μm/10 m/year，长束线实验站100 μm/10 m/year，沉降要求及实验设备差异沉降量近乎按零沉降控制。超常规的地基稳定性及不均匀沉降要求，需要对地基换填混凝土施工质量采取科学的技术措施，才能实现要求指标。3.1.2 机电系统要求精度高，专业性强本工程为大型科学实验装置，设备安装需要稳定的外部环境，各机电系统要求均需实现严苛的技术指标，其中实验大厅储存环隧道内温度控制精度要求为25 ℃±0.1 ℃，增强器隧道为25 ℃±0.5 ℃，实验大厅为25 ℃±1 ℃。实现高精密设备的施工安装，必须通过精心地设计、施工、调试、运行，才能保证设备正常使用。3.1.3 工程微振动控制要求高变形及振动控制要求高，本工程的核心功能要求是保证设置在主体建筑内部的同步辐射装置发射光源的稳定性，由于工艺对防微振要求较高，防微振施工包括地基、基础防微振、动力设备及管道的隔振措施。振动标准：振动频率在1~100 Hz的地面振动在1 s内的均方根位移积分小于25 nm。工程施工基础阶段，需要满足定量指标才能满足微振要求指标，如何确定将指标分解到基础实体上的验收标准是工程管理的重点。3.2 工程难点3.2.1 具有特殊性能的混凝土指标要求高本工程基础微振动要求，需要对实验大厅基础、储存环隧道基础、增强器隧道基础、直线加速器隧道基础进行素混凝土换填，实验大厅基础换填采用3 m厚素C 15混凝土浇筑，要求不能出现影响微振动的裂缝，内部材料密实均匀，特别是素混凝土施工没有用于施工作业的钢筋支撑、马凳等外部措施，总浇筑量约120 000 m³，超长、超厚大体积素混凝土浇筑是施工的难点。3.2.2 主体结构复杂储存环隧道墙体、顶板（部分）采用防辐射混凝土（重晶石混凝土），总长约1 381.6 m，高4.1 m，墙厚700 mm、800 mm，顶板厚度800 mm、1 000 mm，属于超长大体积混凝土结构，储存环隧道墙体为不规则锯齿形布置。混凝土容重要求不小于3.4 t/m³，重晶石防辐射混凝土终极收缩值控制在不大于0.000 2 mm，不得出现贯通构件厚度方向的裂缝。混凝土运输和浇筑过程中易分层离析，对混凝土的浇筑和养护要求高，锯齿墙型墙体的施工、模板布置均为异形，对模板体系要求高。本工程钢结构主要包括大跨度钢结构屋盖、超长准直桩钢护筒、大截面锥管钢结构、防辐射钢板墙、弧形吊轨和钢连桥等六部分。总用钢量约8 000 t，屋面板约12万㎡。钢结构最大跨度为47 m，最大高度为21.1 m。钢结构工程量大，且作业面长约1 400 m，由于准直桩系统的工艺间歇，导致大跨度钢梁无法采用大吨履带吊在跨外依次吊装就位，需要在实验大厅内的狭小空间进行大跨钢梁吊装，分散作业。高空作业，构件种类和数量繁多，需加强组织协调控制。本工程准直桩系统是隧道设备基准点，是目前国内同类工程护筒最长、成桩最深、要求最高的系统。其84 m长嵌岩桩双护筒施工精度要求较高。平面位置允许偏差为±20 mm，规范要求为100 mm，垂直度要求2.5 ‰（1/400），规范要求为1 %。准直点预埋件安装精度要求高（中间预留磁芯孔位要求+0.015°~0°，同心度要求为0.03 mm，埋件水平度为1 mm），如何保证预埋件的同心度、水平度，准直系统垂直度的控制，需要制订科学的施工工艺才能保证。3.2.3 环状多曲面金属屋面板施工难度大本工程为大型科学实验装置工程，实验设备繁多精密，工程运行环境要求高。屋面建筑造型复杂，呈环状布置，从屋面至外墙立面采用大跨度多曲面直立锁边金属屋面板体系，防水要求高，屋面防水由直立锁缝钢板和卷材防水层构成。多曲面金属屋面板加工精度和安装操作对锁缝节点影响较大，大跨度坡型屋面对控制直立锁缝板支座的水平位置角度及平面角度要求精准控制，防止支座在扭转力的作用下产生旋转，影响锁缝节点严密及屋面板的平整。3.2.4 测量精度要求高本工程为环形结构，占地面积大，施工单体多，测量定位路线长，而且根据工艺要求储存环锯齿墙与束流线位置误差小于±10 mm，工程设计有安装校核束流线等实验装置的准直永久点桩和静力水准箱，位置偏差均需要达到毫米级精度。实验装置用的埋件安装精度和实验大厅地坪平整精度等均超过施工规范要求。设备安装区域，特别是储存环、增强环束流线等实验设备安装施工，需进行高精度定位测量和静力水准测量控制。3.2.5 场地施工区域大，协调组织要求高本工程占地650 000 ㎡，施工区域面积大，场区内临时道路、管线等设施多，场地施工区域内临时机械多，现场覆盖区域大，属于超大型现场施工管理，对施工现场的管理需要精心组织，合理规划布局，合理投入施工资源，提高施工效率，降低管理成本。4 施工总体部署4.1 合理划分施工作业区域高能同步辐射光源项目施工阶段根据建筑平面的特点，结合各单体位置和施工工期，将全部工程基础、主体施工划分为6个区，每个区内按结构后浇带及变形缝划分施工段。施工区划分如图2所示。其中对于面积最大的1号装置区主环，环形结构宽度约66~73 m，如果施工从环外到环内径向顺序施工，外环为框架结构，实验大厅为筏板及3 m厚混凝土换填，内环是框架结构，因基础标高不一、换填工序复杂，无法形成正常流水作业，为此在施工空间、顺序上确立，以实验大厅中间换填区域为开始作业区，完成防微振素混凝土换填，进行筏形基础施工，同时进行外环基础、主体结构施工。筏形基础完成段，顺序对内环基础、主体结构施工。混凝土主体完成后，外环、内环同时进行钢结构梁安装，再进行实验大厅内储存环隧道施工、金属屋面板施工、外墙金属板施工、室内砌筑及机电安装、装修施工。图2 施工区划分示意1号装置区，实验大厅防微振换填共分为3层浇筑，每层46段，共138段；主环基础、主体阶段分为6个区51个施工段；储存环隧道施工分为48个施工段；增强器隧道分为20个施工段。与施工划分密切相关的包括人员、材料管理。施工区域划分后，每个区域组织单独施工人员进行流水作业，减少大区域的人员频繁调配，施工作业能保持连续，材料能多次周转，特别是对框架结构、隧道结构，配置标准型模板，提高周转利用率，减少人员窝工，提高施工综合效益。4.2 施工机械部署高能同步辐射光源项目建筑大部分为一层建筑，部分为二层，施工作业区域大，单体建筑间距大，如果采用固定式塔式起重机作业，内外环需要量多达数十台，而且塔式起重机不能满足大范围作业同时吊装，加上塔式起重机需要固定基础、场内二次倒运费、租赁周期有最低起租要求，经综合考虑，现场基础施工材料就近搬运，主体混凝土结构施工采用汽车式起重机，钢结构梁安装采用履带式起重机，金属屋面板采用汽车式起重机，根据各个施工阶段特点，充分发挥各种机械的利用效率，对现场施工机械进行高效管理。4.3 以满足工艺专业为前提的协调组织高能同步辐射光源项目作为第四代国际技术领先的一项超级科研装置工程，建设过程没有可以借鉴的经验，多项工艺的设计、施工、调试是在逐步完善过程中，虽然在土建施工过程中提前进行了专业沟通，但如果施工中工艺有新的需求，施工需要进行紧密配合，调整施工部位或进行工艺要求的技术间歇，以满足工艺安装需要的条件。在增强器隧道、储存环隧道施工期间，用于工程设备安装、校验的准直系统，在隧道顶板封闭前需要通过卫星进行准确定位，定位的时间需要在一定规定期间，为此，施工现场及时协调管理，对施工部位进行调整作业，对该区域进行技术间歇，为工艺准直系统安装、调试创造条件。4.4 技术创新部署4.4.1 超大体量防微振素混凝土换填本工程实验大厅为储存环隧道、线站主要位置，根据同步辐射装置安装环形线路，在线路上的设备要求在安装、运行过程中不能有影响光线传输的细微振动，即使是普通人无法感觉到的振动，对于光线的传输是无法接受的，严重影响设备运行，为此对设备安装的基础需要稳定的平台，能够抵抗细微的振动影响。基于超大稳定平台的要求，实验大厅采用C 15素混凝土换填，换填厚度3 m，将微振动指标与混凝土实体质量建立等效检验指标，换填混凝土密度不小于2.35 t/m³，弹性模量不小于2.2×104 N/m㎡，泊松比0.16~0.2，剪切波速不小于2 000 m/s。储存环隧道实验大厅防微振换填共分为4层浇筑，每层46段，共138段。每层采用跳仓法浇筑，跳仓封仓间隔7 d。上下层接缝间隔2~3 d（即强度达到1.2 MPa）即可进行上部叠层浇筑。实验大厅防微振换填划分如图3所示。图3 实验大厅防微振换填划分示意防微振素混凝土换填，对无配筋混凝土振捣采用自创振捣技术排布型振捣棒，施工采用汽车式起重机吊运，解决了人工在混凝土面无法作业的难题。采用的分层、分仓浇筑最大限度地解决了素混凝土开裂及竖向通缝问题，降低了微振动的不利影响。4.4.2 重晶石混凝土施工储存环隧道结构墙体及部分顶板采用重晶石混凝土，混凝土密度必须达3.4 t/m³，混凝土骨料重量超重，隧道墙体采用不规则锯齿墙布置，总高度4 m，总长度约1 400 mm，采用普通C 30混凝土浇筑、振捣后极易沿竖向产生分层，重晶石骨料下沉底部，上部浆料多，混凝土内部密度不均问题严重，混凝土结构防辐射性能降低。高能同步辐射光源项目在施工现场多次模拟浇筑工艺，从重晶石混凝土配合比开始进行研究，选用硫酸钡含量均匀，骨料密度、粒径合理的粗、细骨料，经过多次试配确定了最优配合比。为了对浇筑实体质量进行验证，现场对施工结构采用“一比一”的样板段进行试验，从混凝土运输、浇筑、振捣、养护，并对最后一层浇筑进行补偿法技术保证，确定了可行的浇筑工艺，对锯齿形墙体进行优化模板配置，采用定型大钢模板，配置异形板进行组合，提高模板的刚度，保证混凝土外观尺寸。在全部隧道墙体5 500 m³重晶石混凝土浇筑完成后，通过对实体结构随机钻芯取样，混凝土密度全部达到设计要求，保证了结构的防辐射功能。4.4.3 无干涉准直系统双护筒施工高能同步辐射光源项目储存环隧道、增强器隧道、长束线站实验棚，共设计12根准直桩。准直桩系统是全部工程设备安装、调试、运行、维护的基准，施工精度要求极高。准直桩设计在地坪以下，最大深度达84 m，上部40 m桩长采用钢制双护筒，内护筒混凝土灌注桩与外侧护筒之间只有100 mm间隙，要求不能接触外护筒，下部桩全部嵌固在基岩，且入微风化岩≥1 m，与岩石保持相对稳定。在准直系统双护筒施工时，以双护套加工、拼接、吊运及内环护筒隔离为重点，创新护筒内外隔离技术，保证了内外护筒加工过程之间的间隙，吊装过程不变形，安装到地下过程中能方便拆除隔离措施，保证了双护筒最终质量。对超长准直桩的施工，采用多重测量技术措施，对灌注钢筋加工焊接、吊装、混凝土浇筑、后压浆、垂直度控制等重点控制，保证了桩点位置准确，桩垂直度达到1.5 ‰，远超一般灌注桩垂直度偏差1 %的控制要求，达到工艺准直部门的要求，施工技术水平达到国内先进水平。准直桩双护筒设计如图4所示。图4 准直桩双护筒设计示意4.4.4 大跨度环形钢结构施工本工程1号装置区主环及实验大厅主体采用大跨钢结构屋盖排架结构形式，最大跨度为47 m，由外环大跨钢梁、内环钢梁、室外机位钢结构、系杆、水平撑、檩条和双曲面直立锁边屋面组成。大跨钢梁共计146根，截面分别为H1 600~800×700×36×45,H1 300~800×500×25×40,H1 300~800×300×25×36,H1 300~800×550×25×40,H1 300~800×400×25×40和H1 300~800×600×25×40，钢梁最大跨度为47 m，最大单根重量为40 t，钢梁顶标高为12.000 m，钢梁采用工厂分段加工、设置临时支撑、分段吊装、高空就位的施工方法，采用75 t汽车式起重机在跨内吊装，采用260 t汽车式起重机在跨外吊装。受到准直桩工艺定位影响的钢梁，采用工厂分段加工、75 t履带式起重机跨外组装、350 t履带式起重机跨外直接吊装就位的施工方法。4.4.5 大面积超平耐磨地坪施工该工程1号装置区实验大厅地坪作为实验接收装置区，规划线站多达40多条，每条线站均沿储存环隧道墙体切线方向布置，储存环隧道墙体出光孔位置至实验大厅范围约35 000 ㎡地坪，设备安装的地坪平整度要求任意位置控制在1 mm/2 m，地坪要求平整度、洁净、耐磨，且具有足够的承重能力，地坪的技术指标表面莫氏硬度≥6级，耐磨度比＞300 %，24 h表面吸水量不大于1 mm，摩擦系数≥0.56。对于超大环形超平耐磨地坪，施工时应对施工环节进行重点控制，严格控制测量精度，将环形地坪布置的标高控制点进行准确抄测，多次检核精准定位，对地坪采取分仓浇筑，全部浇筑区域分为4个区，总浇筑仓84仓。对混凝土原材料进行控制，采用无粉煤灰混凝土配合比，严格控制骨料及坍落度；对混凝土浇筑振捣和标高控制，采用安装导轨（浮模）的技术措施，使用振捣梁进行振捣找平，克服采用振捣棒效果不均匀、标高不易控制问题，在混凝土收面，采用超长刮杠进行多次交叉找平，并辅助用机械找平、磨平，将混凝土地坪平整度控制在允许范围内；对耐磨工艺进行控制，通过分步抛洒骨料，多次找平打磨，涂刷固化剂，精细研磨地坪，保证了混凝土的耐磨技术要求，混凝土地坪施工质量达到设计要求指标，观感质量良好。4.4.6 大跨度多曲面金属屋面板施工本工程1号装置区环形结构，屋面面积约92 000 ㎡，屋面体系设计造型独特，从空中看像一面放大镜，屋面就是这个放大镜的环框，对内部高精密仪器做好保护，设备运行期间的环境温度要求高，室内封闭环境的温度要求稳定。本工程屋面采用直立锁边技术，屋脊中间向两侧非对称由高到低排布，内外环两侧均设计有高低差台阶，高低也不均匀，构成大屋面、小屋面连接布置，屋面与外墙交接部位