地下核反应堆洞室超大跨度穹顶中空导向开挖结构及开挖方法与流程

本发明属于核电工程技术领域，具体地指一种在核电站开发建设中的地下核反应堆洞室超大跨度穹顶中空导向开挖结构及开挖方法。

背景技术：

我国在“十二五”能源规划中提出，要加快推进核电建设。在日本福岛核事故的影响下，刚从切尔诺贝利阴影中走出的核电产业又陷入了低谷。国家对核电项目的审批更加严格和慎重，对核电厂的安全性要求更高。于是，将地面核电站全部或核岛部分置于地下的新型地下核电站将为核电发展提供新的途径。

我国目前研究的第三代商业地下核电站洞室群，其核反应堆洞室穹顶开挖跨度达到约48m，远大于国内外已有的地下核电站开挖跨度，也大于国内外已有水电站地下洞室的开挖跨度，因此，其开挖工艺是地下核电站可行性的关键内容之一。

大跨度地下洞室开挖过程中，其顶拱稳定安全是关键。类似穹顶结构，在部分水电站地下调压井中曾有应用，其开挖施工工艺也是在探索中应用：直接由直径一端点向对侧全面推进；或先沿直径方向打通导洞，再通过导洞两侧扩挖成形；或先沿穹顶内轮廓打向上盘旋的导洞，再通过导洞自上而下扩挖成形；或先沿半径打导洞至中心，接向上导洞至顶拱，再自下而上扩挖成形；或扇形对称扩挖成型。这些开挖工艺可归纳为两类：垂直向分部向前推进或左右推进或水平向分层推进；且这些开挖工艺主要用于一般跨度穹顶施工，不适应与超大跨度穹顶的开挖。

地下核反应堆洞室超大跨度穹顶开挖如其开挖工艺不当，容易引起工期延误、质量失控、投资增加、严重时甚至会引发安全事故。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提出一种程序简单、施工方便、安全可靠的地下核反应堆洞室超大跨度穹顶中空导向开挖结构及开挖方法。

为实现上述目的，本发明所设计的地下核反应堆洞室超大跨度穹顶中空导向开挖结构，其特殊之处在于，包括位于穹顶中心下方的中空导洞，所述中空导洞由穹顶轮廓岩面中部沿竖直方向延伸至穹顶轮廓拱脚所在的水平面，所述中空导洞与洞室岩体之间设置有开挖接露面，所述穹顶轮廓岩面与中空导洞之间设置有第一施工通道和第二施工通道，所述第一施工通道从穹顶外边缘一侧沿直径方向向中空导洞延伸，所述第二施工通道具有与第一施工通道位于同一方向上的横向通道，所述横向通道从穹顶外边缘另一侧沿直径方向向中空导洞延伸，第一施工通道、横向通道在中空导洞处连通。

进一步地，所述第二施工通道还包括两条纵向通道，所述两条纵向通道与横向通道垂直、分别从穹顶外边缘两侧沿直径方向向中空导洞延伸，与第一施工通道、横向通道在中空导洞处连通。第二施工通道呈t型，进一步增加施工通道接露面。

更进一步地，所述第一施工通道位于穹顶轮廓拱脚所在的水平面上，将施工通道设置于穹顶内部，节省开挖施工工作量。

更进一步地，所述中空导洞横截面呈弧形，所述第一施工通道、横向通道、纵向通道横截面呈矩形，易于施工作业。所述中空导洞与第一施工通道、横向通道、纵向通道之间的夹角为90°，易于施工过程中的通行与运输。

更进一步地，所述第一施工通道、横向通道、纵向通道与洞室岩体之间设置有扩挖掌子面。所述扩挖掌子面上设置有临时支护，用于随时监护施工对岩体带来的变形、破坏和其他影响。

一种应用于上述地下核反应堆洞室超大跨度穹顶中空导向开挖结构的开挖方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

1)开挖第一施工通道：由穹顶一外边缘处沿直径方向向穹顶中心下方开挖，形成第一施工通道；

2)开挖中空导洞：由所述第一施工通道尽头、穹顶中心下方竖直向上开挖，直至穹顶轮廓岩面，形成中空导洞；

3)开挖第二施工通道的横向通道：由中空导洞沿直径方向向穹顶外边缘处开挖，形成横向通道；

4)沿第一施工通道横向通道两侧同步扩挖至穹顶边缘，直至形成完整穹顶。

优选地，所述步骤3)中还包括开挖第二施工通道的纵向通道，由中空导洞沿与第一施工通道垂直的直径方向同时向两边穹顶外边缘处开挖，形成两条纵向通道。第一施工通道与第二施工通道围成四个扇形区域，在施工扇形区域同步扩挖，提高施工效率。

优选地，所述步骤1)中第一施工通道与洞室岩体之间设置扩挖掌子面，在扩挖掌子面上设置临时支护。

优选地，所述步骤2)中中空导洞与洞室岩体之间设置开挖接露面，在所述开挖接露面上设置临时支护。

本发明先沿第一施工通道向穹顶内部施工，施工到中空导洞后，在施工第二施工通道，第一施工通道和第二施工通道施工完成后将穹顶内部围成两个半圆区域或者四个扇形区域，在半圆区域或者扇形区域内同步径向外部开挖，可形成两个或者四个独立的施工区域进行作业，可临时减小开挖跨度，并可减小施工过程中的围岩应力水平及变形水平，且其工序间干扰小，可提高施工效率和施工安全。

本发明具有如下优点：

1、减小施工过程中对穹顶中心岩体的变形、破坏，保证开挖过程中穹顶结构稳定，提高施工质量；

2、最先形成工程中最脆弱的穹顶中心结构，并对该部位先行支护处理；

3、施工通道位于开挖穹顶结构中，节省施工时间；

4、开挖接露面由多条施工通道独立设置，工作面大，工序间干扰小。

5、加快工期、保证质量失控、提高经济性、具有很高的安全保障。

附图说明

图1为本发明地下核反应堆洞室超大跨度穹顶中空导向开挖结构的结构示意图。

图2为图1的i－i剖面示意图。

图中：施工通道1，中空导洞2，开挖接露面3，扩挖掌子面4，穹顶轮廓岩面5，穹顶轮廓拱脚6，横向通道7，纵向通道8。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本发明一种地下核反应堆洞室超大跨度穹顶中空导向开挖结构包括中空导洞2、第一施工通道1和第二施工通道。中空导洞2位于穹顶中心下方，由穹顶轮廓岩面5中部沿竖直方向延伸至穹顶轮廓拱脚6所在的水平面。施工通道1位于穹顶轮廓岩面5与中空导洞2之间，从穹顶外边缘一处沿直径方向向中空导洞2延伸，并与中空导洞2连通。

本实施例要开挖穹顶的尺寸为直径48.4m，高度13.4m；针对该穹顶具有超大直径的特点，本实施例采用从中间向外部呈闪状依次开挖的施工方法，以适应超大跨度穹顶的开挖。

本实施例中，中空导洞2设置在穹顶内部，其横截面呈弧形，直接约为12m，中空导洞2从穹顶轮廓岩面5中部沿竖向延伸至穹顶轮廓拱脚6位于的水平面，中空导洞2设置有开挖接露面3；施工通道1位于穹顶中间位置，其横截面呈矩形，并与中空导洞2之间的夹角为90°，施工通道1从穹顶一处外边沿直径方向向中空导洞2延伸，施工通道1与中空导洞2相通，施工通道1两侧设置有扩挖掌子面4。

第一施工通道1位于穹顶中间位置，第一施工通道1从穹顶一处外边沿直径方向延伸至中空导洞2，第一施工通道1与中空导洞2相通，第二施工通道呈t型，第二施工通道包括均与中空导洞2相通的一个横向通道7和位于直径方向上的两个纵向通道8，第一施工通道1、横向通道7和纵向通道8的横截面均呈矩形，横向通道7与第一施工通道1位于同一方向，横向通道7从中空导洞2向穹顶另一处外边沿延伸，纵向通道8位于中空导洞2两侧，纵向通道8从中空导洞2延伸至穹顶边沿，第一施工通道1、横向通道7和纵向通道8两侧均设置有扩挖掌子面4。第一施工导洞1和第二施工导洞的横截面呈十字型，它们将穹顶内部分成四个独立的扇形区域。

在对地下核反应堆洞室超大跨度穹顶进行开挖时，它包括以下步骤：

1)开挖第一施工通道1，由穹顶一外边缘处沿直径方向向穹顶中心下方开挖，形成第一施工通道1，第一施工通道1与洞室岩体之间设置扩挖掌子面4，在扩挖掌子面4上设置临时支护。

2)开挖直径约为12m的中空导洞2，由第一施工通道1尽头、穹顶中心下方竖直向上开挖，直至穹顶轮廓岩面5，形成中空导洞2，中空导洞2与第一施工通道1连通，这样施工人员可以从施工通道1中进行中空导洞2的施工，支护中空导洞2的开挖揭露面3；中空导洞2与洞室岩体之间设置开挖接露面3，在开挖接露面3上设置临时支护。

3)开挖第二施工通道，从中空导洞2处向穹顶边沿，按t型开挖同步开挖第二施工通道的横向通道7和两个纵向通道8，临时支护设置于横向通道7和纵向通道8两侧的扩挖掌子面4；

4)这样第一施工通道1和第二施工通道围成4个独立的扇形区域，在各个扇形区域内从中空导洞2同步扩挖至穹顶边沿，在开挖过程中，对已揭露的穹顶轮廓岩面5进行支护；在穹顶开挖过程中，是在四个独立的施工区域进行作业，其工序间干扰小，因此，可提高施工效率和施工安全。

上述施工过程中，为了保证施工安全，对开挖揭露面3、扩挖掌子面4、穹顶轮廓岩面5及穹顶轮廓拱脚6需重点支护，基于计算分析这些部位的变形水平较其他部位大，为关键控制部位，对关键控制部位加强安全监测，可及时反馈应力、变形等信息，有利于及时采取相应技术措施，确保安全。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。