质子碳离子医院项目防辐射结构关键施工技术

1吴迎昌,2周亚,3段傲翔,4相阳

3徐州建设工程质量安全监督站 250000

[摘要]：随着我国质子碳离子治疗技术的不断发展和国家配置相关政策的逐步放开，中国质子碳离子治疗行业正快速崛起，质子碳离子医院建设正迎来高速发展期。质子碳离子在同步加速器内加速到光速的70%后进入仓室内对患者进行靶向治疗，运行期间产生大量的辐射。筑为满足屏蔽要求，通过对研究放射性粒子路径机理研究，自发研制一种抵抗质子碳离子辐射的高性能防辐射重混凝土，并在防辐射大处内嵌屏蔽钢板及在施工段处增加“凸”形防辐射企口缝，形成了一套基于防辐射结构关键施工技术。

[关键词]质子碳离子;屏蔽；防辐射重混凝土；屏蔽钢板;企口

一.工程概况

徐州质子重离子医院位于徐州市云龙区汉源大道东侧、市奥体中心以南、市中心医院新城区分院西北侧，本项目总建筑面积135895 m2（含地下建筑面积37599 m2）。重离子中心的建筑面积为1.4万平方米，为一栋地上3层，地下 1 层的建筑。该系统包括质子碳离子离子源和注入器（直线加速器）、小型化质子碳离子一体化同步加速器、高能束流传输系统、1个质子旋转机架治疗室和3个碳离子固定束治疗室。质子最高能量为230 MeV，碳离子最高能量为430 MeV/u，属于Ⅰ类射线装置。此外，该系统还配有2台模拟定位CT 机

二.防辐射结构关键施工技术难点

（一）高性能防辐射重混凝土

目前，国内较为普遍的直线加速器或回旋加速器所用的混凝土材料以重晶石为粗骨料，同时加入适量微量元素及外加剂配制而成的重混凝土，此类重混凝土一般用于粒子辐射能量不超过15MeV的粒子加速器，而质子碳离子为高能束流，特别是碳离子，最高能量为430MeV。重晶石混凝土不能屏蔽高能束流粒子辐射，普通重混凝土因采用高密度的粗骨料而导致和易性差，容易离析产生裂缝，达不到防辐射标准的要求；本研究依托徐州质子重离子医院项目，通过足尺试验确定防辐射高性能重混凝土材料的配比。

（二）墙体内嵌防辐射钢块施工

项目防辐射要求极高，在重离子仓室拐角处墙体厚至5m仍达不到辐射屏蔽要求，通过在墙体内部嵌入钢块进行“超厚高性能重混凝土+钢块”协同抵抗辐射，钢块尺寸大，厚度达500mm，一块钢板重至近50吨，在墙体内部施工困难；

（三）高性能大体积重混凝土浇筑

质子碳粒子医院项目结构空间复杂，对防辐射要求极高，要求混凝土不能出现裂缝及贯通冷缝，仓室间及束流通道间均存在错层，墙板厚度不均匀变化，需通过合理划分施工段保证混凝土一次成优无裂缝，且在施工缝处采取防辐射措施保证施工质量。

（四）屏蔽预埋管道精准定位

质子碳离子高能束流的特性决定了设备及管线的定位精度要求极高，因此在设备埋件安装时要保证预埋管道的平面位置不得超出允许误差，对屏蔽管道的布置要符合设计要求，且要防止混凝土浇筑过程中因振捣或混凝土冲击对管线造成位移，以免影响质子碳离子设备的运行，在施工过程中需要采取措施保证屏蔽预埋管的精准定位。

三.防辐射结构施工技术

（一）高性能防辐射重混凝土材料配比技术

质子重离子治疗设施的辐射包括初级粒子辐射、次级粒子辐射和来自感生放射性物质的照射。相较于其他放射性治疗方式（如同步辐射光源、γ刀治疗仪等），质子重离子冶疗设施最大特点是其具有穿透力极强的高能质子射线（初级粒子辐射）。根据粒子高能束流能量的要求，需要确定混凝土配比的主控项：1）干密度；2）微量元素；3）抗裂性。

质子重离子中心的大体积混凝土需满足裂缝控制要求，干密度不低于2.35g/cm3，满足防辐射的要求。通过足尺试块的实验，邀请专家完成对大体积混凝土方案中的配比、材料、施工工艺的论证。根据实验室以及现场足尺实验的结果，确定了质子重离子中心的施工配比，高性能改性抗裂混凝土（离子设备、玄武岩，干密度≥2350 g/cm3），根据对限制膨胀率要求，采用氧化镁内掺30kg/m³，等量取代粉煤灰。通过混凝土水化放热历程调控、全过程补偿收缩等技术，降低混凝土温峰，同时有效补偿混凝土不同阶段各种收缩，显著提升混凝土的抗裂性能，也延长了混凝土材料的服役寿命。

（二）墙体内嵌防辐射钢块分片安装施工技术

超厚墙体内安装内嵌钢块，由于钢块在安装时，墙体插筋已完成，在墙内施工难度较大。通过设计优化，将500mm钢块进行拆分成10片5cm厚钢板，在底板上安装预埋铁板进行固定，做好钢板分片安装线，并在钢板端部增加约束支座。每片钢板重至5t在钢板上部对称设置2个吊耳采用50t车吊可实现现场吊装。钢板根据底座弹线进行定位，底部焊接在预埋钢板上，两端通过约束支座卡住，相邻2片钢板之间通过焊接连接，接触混凝土面的两片钢板增加栓钉，钢板拼接完后通过栓钉与墙体钢筋进行连接，保证受力构件的整体性能。

钢块分片吊装及拼装流程图

（三）极复杂空间结构下超厚混凝土分层分段施工技术

1）质子碳离子结构主要为设备提供平台，因此空间结构复杂，异形部位多，构件大，错层多，楼板墙体超厚，为减少大体积混凝土外部约束，减少单次浇筑的蓄热量，防止水化热积聚，减少温度应力。根据施工面积和浇筑耗时确定分段施工部署，同时施工缝留设位置原则为尽量减少施工缝长度，且为钢筋工程流水作业提供足够工作面，综合考虑单次浇筑方量控制在2000m3以内。

施工过程中要避免施工缝贯通，因此设置双向防辐射“凸”型企口施工缝，在墙体分段处设置竖向企口缝，在墙体分层处设置水平企口缝，企口凸出位置为墙厚的1/3，高度为200mm，地下部位的施工缝增加止水钢板，防止粒子辐射通过施工缝逃逸。

（四）屏蔽预埋管线一体化施工技术

PT区屏蔽墙体具有防辐射功能，凡是穿墙外出的管道均应，斜45°或在墙内做S弯出墙，防止辐射通过套管逃逸，日立设备电缆穿屏蔽墙板时要求精准预埋，误差不大于20mm，为了防止在土建钢筋、模板及混凝土施工时对电气屏蔽预埋管产生位移，造成位置精度偏差，在施工中电气屏蔽预埋管设计独立支架，利用BIM软件根据管道组内各管道空间位置的信息建立BIM三维模型。根据BIM三维模型，设计多个连接管道组内部的钢支架连接体系，根据钢支架连接体系的设计方案，在BIM模型中确定好预埋位置，计算好支架安装位置、横向槽钢安装标高。独立支架及管道不得在钢筋、模板上固定，降低电气屏蔽预埋管位移发生的概率，提高预埋精度。在屏蔽套管施工的前一次浇筑混凝土时，根据BIM模型计算的支架安装位置预先埋入10#槽钢在混凝土内，混凝土浇筑完成后利用测量仪器定位，继续在预埋10#槽钢上固定电气屏蔽套管的横向槽钢支架。

电气屏蔽预埋节点正视图                  电气屏蔽预埋节点42安装示意图侧视

管道支架布置图

四. 总结

1）针对质子碳离子的防辐射要求，保证混凝土的干密度、微量元素含量及抗裂性能，高性能大体积防辐射重混凝土材料既满足了混凝土的防辐射要求，同时还满足了大体积混凝土的和易性及温控要求，浇筑过程中未出现离析，养护期间无微裂缝，混凝土质量得到保证。

2）墙体内嵌防辐射钢块分片安装施工技术，通过设计优化，将钢块分片吊装拼接大大降低了施工难度，保证了钢板之间、钢板与钢筋混凝土之间的紧密贴合与精准定位，满足高能束流的辐射要求。

3）极复杂空间结构下超厚混凝土分层分段施工技术，合理分层分段，避免了裂缝的产生；在分层分段处设置防辐射“凸”型企口缝，防止粒子辐射通过冷缝逃逸造成灾害。

4）屏蔽预埋管线一体化支架施工技术，通过BIM技术设计屏蔽预埋管线支架，提高屏蔽预埋管线的施工精度，防止在施工过程中造成管线位移，满足设备安装高质量防辐射的要求。

参考文献

（1）何岳凌. PC工程总承包模式下的设计管理研究. 上海：上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，2020

（2）李永正，朱江江. 浅谈EPC总承包项目中的设计管理，北京：中国石油工程建设公司，2010