中微子实验站建设配套工程RPC 轨道安装技术

石维南

(中铁十五局集团有限公司城市交通工程公司，河南洛阳 471003)

1 工程概况

大亚湾反应堆中微子实验站建设配套工程共有5个实验大厅，其中1号实验厅、2号实验厅和3号实验厅内均设有Resistive Plate Chambers阻性板探测器系统(以下简称RPC系统)，RPC系统下部为RPC轨道，上部为支撑平台车，RPC模块探测器(1号，2号厅各54块，3号厅81块)全部安装在支撑平台车上面，支撑平台车下端有凹槽形车轮，支撑平台在轨道上运行要求缓慢、匀速、平稳，不能有任何抖动，RPC模块探测器主要作用是在中微子实验过程中排除中微子数据中的宇宙线和测量中微子，在整个实验过程中极其重要，所以轨道的安装质量的好坏直接影响实验数据的收集和实验进度。是本工程施工的重点内容之一。

1，2号实验大厅RPC轨道结构形式和布置均相同，3号实验厅除了轨距不同外，其余均与1，2号实验厅RPC轨道相同;RPC轨道沿大厅两侧地面纵向布置，1，2号厅RPC轨道铺设长度为41.2 m，轨距12 m;3号厅RPC轨道铺设长度为41.2 m，轨距为17.95 m。

2 结构特点

中微子实验厅RPC轨道由专用钢轨、微调钢板、粗调钢板、连接螺栓、压板、异形垫板、弹簧垫片、紧固螺母组成(见图1)。

图1 RPC轨道结构详图

RPC轨道底部采用两层钢板定位以保证轨道安装的精度。底层钢板通过定位植筋固定进行RPC轨道安装的粗调，上层钢板用于RPC轨道安装前的水平精度定位，通过上下两层钢板间一对M20螺柱进行定位，调节螺柱上的螺母达到微调的作用。RPC轨道安装在上层钢板上后，通过压板、微调垫片进一步精调安装，并使轨道底面与上层钢板紧密接合，每完成一步均采用细石混凝土浇筑固定。

3 关键技术

1号～3号实验厅的探测器水池是中微子实验的心脏，其上安装了大量精密实验设备。RPC支架系统是移动式的精密探测设备骨架，位于探测器水池上、沿探测器水池两侧轨道移动;水池与墙壁之间地面仅有不到1.5 m的宽度，专业铺轨设备根本无法进入，整个安装过程全部需要人工直接操作进行。由于轨道间距(轨距)较大、轨长42 m，如何保证其安装精度要求，是RPC轨道安装的关键技术。

4 施工方法

4.1 施工工艺

施工流程见图2。

图2 施工流程图

4.2 主要施工技术

4.2.1 基底清理

将预留槽内松动的石头、浮渣、灰尘等清理干净，预留槽侧壁的混凝土凿毛，最后用高压水枪冲洗干净，以便与后浇筑的混凝土粘结良好。

4.2.2 测量设置定位基准点

首先准备4根Φ14的钢筋，长度200 mm为宜，钢筋其中一端端面要平齐，在其端面上刻出一个“十”字凹槽线，根据大厅定位坐标点，用全站仪测出轨道中心线，在离轨道端部500 mm处找一基准点，然后在地面上采用电锤钻孔，用风管将孔内粉尘吹干净，向孔内注入锚固剂，插入定位钢筋，钢筋露出地面50 mm即可，再次测量定位钢筋端面的“十”字线中心，直至调整钢筋到准确位置。

四个定位钢筋安装完成后，再次测量两条对角线进行复核，确保四个基准点位置准确无误，用混凝土或者砂浆将钢筋桩保护住，最后再用红油漆在地面做出醒目标记，同时起到提醒施工人员小心避让的作用。

4.2.3 底层钢板安装、粗调

依据轨道中心在地面预留槽内放出两条间距500 mm以轨道中心线为中心线的平行线，依据放出的线，采用φ25钻头用冲击钻在预留槽底部钻孔，钻孔深度200 mm即可，钻孔间距控制在600 mm左右，注意钻孔时，要事先把钢板连接螺栓的位置标出，避免下一步安装的横担钢筋和连接螺栓位置冲突，钻孔完毕后，风管将孔内粉尘吹干净，注入锚固剂，将事先准备好的长度500 mm Φ18的钢筋插入孔内。

根据图纸设计的底层钢板的标高，首先用DSZ2精密自动安平水准仪在两端预埋竖向钢筋把标高定出，用Φ18的钢筋横向焊接在预埋竖向钢筋上，横担钢筋的上面标高为－0.330，保证横向钢筋的上面为钢板的底面标高，在中间适当的位置同样焊接两道钢筋，用0.5 mm的钢丝绳两道拉紧固定在端部横担钢筋上，两道钢丝绳之间距离适当，不易过大或者过小，如果间距过大，靠近竖向预埋筋，在焊接横担钢筋时容易烧断钢丝绳，反之间距过小，则不易控制横担钢筋的平整度;然后依次把剩余横担钢筋焊接在竖向预埋钢筋上面;另外一侧同样办法安装，全部安装完成，再次用水准仪依次测量出横担钢筋的标高，对于高差超过4 mm的重新调整焊接，调整后再把横担钢筋焊接牢固。

底层钢板采用3 mm厚，400 mm宽的钢板，在钢板上面找出两行螺栓孔的中心线，并作出明显标记，按照图纸将底层钢板铺在横担钢筋上面，架设经纬仪以轨道一端的定位基准点为站点，另一端的基准点为后视点，调整钢板中心线和两端基准点在一条直线上，然后按照如图3所示方法对钢板进行加固，这样钢板在上层钢板安装过程中及一期混凝土浇筑过程就不会移位，确保了钢板连接螺栓位置的精确度。

图3 RPC轨道底层钢板加固示意图

4.2.4 钢板连接螺栓安装

下部钢板固定完成后，开始把M20长度350 mm的钢板连接螺栓安装在下层钢板的对应位置，连接螺栓两端均有100 mm的丝杆，在钢板上下用螺母将螺杆与钢板牢固连接起来。螺栓在下层钢板以上露出300 mm为宜。

4.2.5 上层钢板安装、精调

上层钢板作为轨道的托板，直接承受轨道全部重量，设计采用6 mm厚，450 mm宽的钢板。

设计上层钢板下面的螺母上面标高为－0.132，螺母标高控制标准按照轨道设计要求标准进行控制，设计要求轨道顶面纵向倾斜度不大于0.5‰，在全长范围内，轨道高低差不得超过3 mm，两条轨道的任意一对测量点，即同一个横截面上，两平行轨道的相对高度差不超过2 mm，根据螺栓设置间距600 mm，计算可知600×0.5‰=0.3 mm，所以沿纵向每相邻两个螺母的标高差不应超过0.3 mm。

第一步利用拉挂细钢丝绳的方法先粗调平，钢丝绳不能直接捆绑在连接螺栓上，防止拉偏螺栓和钢板，必须另行在钢板端头预留钢筋，专门拉挂钢丝绳，用水准仪在两端和中部三处测出螺母上面标高，调整螺母标高到－0.132，调整钢丝绳离螺母上面1 mm处，然后依次将其他螺母按照此标准全部安装上，粗调完成，将钢丝绳取下。

第二步用高精度水准仪进行精调，将水准仪放置在两条轨道的大概中心位置，将架设仪器范围内地面上的灰尘和沙粒清扫干净，防止三脚架基座滑动移位造成测量偏差，反时针旋三脚架上的基座的锁紧钮，基座内的三爪孔将全部空位，取下水准仪下的基座，将水准仪下的三爪小心放入三脚架基座的三爪孔内，顺时针旋转基座的锁紧钮，水准仪将紧密无间隙与三脚架连为一体。旋转两整平调节螺杆精确整平水准仪，检查水准仪在水平360°转动时，水准气泡基本严格居中;整平水准仪后，小心晃动三脚架，以确定三脚架和基座之间没有相互滑动和间隙，即水准仪不会在测量期间发生平面位置的变化。

将每个螺栓上螺母的标高测出，在测量的过程中安排两工人跟随，首先测量两端的螺母高程，将螺母标高偏差调整在0.3 mm以内，然后逐个旋转调整螺母，使每相邻两对螺母的标高在0.3 mm以内，待全部将螺栓调整完成，将每个螺母的标高列表记录，找出每根轨道中的最大值和最小值，比较两者差值，不能大于3 mm，否则再重新调整偏差较大的，直至合格，然后再比较两侧轨道同一截面上的点的标高不能超过2 mm，直至调整合格。

调整完成后，及时将上层钢板安装在螺栓上，安装前将钢板两面清理干净，安排多名工人同时将钢板抬起，并尽可能保证平整，弯曲过大容易造成永久变形无法恢复，在安装过程中避免猛击、碰撞螺栓，对放置好的钢板，禁止上人踩踏，钢板安装好后，用螺母将钢板适度压紧;用上述测量方法再次测量钢板上面的标高，测量每个螺栓内侧处的钢板标高，每块钢板在同一截面内测出两个点，沿纵向按照螺栓600 mm间距进行测量，这样不仅可以得出钢板纵向的标高偏差，还可以得出钢板的横向倾斜偏差，将个别超过标准的地方通过旋转螺母调整平整，同样两侧钢板在同一截面内的标高也要按照不大于2 mm的标准进行调整。

钢板的平整度直接影响轨道的平整度，所以必须认真调整，钢板的中线应和轨道的中心基本重合，由于轨道压板上面的螺杆孔为条形孔，可以横向适当调整，所以轨道中线偏差对轨道的直线度和轨距影响不大，所以可以适当放宽，按照一般预埋件安装标准控制满足要求。

4.2.6 一期混凝土浇筑

上层钢板调整完后，安排工人将预留槽底部清理干净，及时向监理申报混凝土浇筑令并向商品混凝土搅拌站订购混凝土，混凝土浇筑过程中，混凝土不能直接倒在上层钢板上面，应在预留槽边地面铺一块模板，将混凝土倒在木板上，再用铁锨铲入预留槽内，不可碰撞螺栓、钢板、加固筋等，混凝土振捣时应快插慢拔，插点要均匀排列，逐点移动，顺序进行，不得遗漏，做到均匀振实，振动棒不能接触预埋钢筋、钢板等，防止钢板移位造成偏差，混凝土浇筑约100 mm厚，混凝土在终凝前，将表面拉毛处理，保证与二期混凝土粘结良好。

4.2.7 轨道铺设及精调

混凝土浇筑完成3 d后进行轨道安装，轨道安装前，首先检查轨道的直线度、平整度是否符合要求，对于偏差超出规范要求必须经监理同意现场校正或者退货后重新进货，由于厅内空间限制，无法采用吊车吊装，只能人工搬运安装，搬运时在轨道上设置3个～5个起吊点，吊具可选用10 mm～12 mm钢板现场加工，见图4。该吊具可以方便轨道在上层钢板上调整移动。

吊装之前先用游标卡尺画出轨道的中心线，将轨道和钢板接触面必须清理干净，保证接触紧密无间隙，轨道就位后，用光学经纬仪以轨道一端基准点为站点，另一端基准点为后视点，将轨道中心线与基准点重合，调整轨道必须缓慢抬起移动，不可用锤或者其他等物直接撞击轨道进行调整，轨道接头之间距离设计没有具体要求，因为厅内温度基本稳定不变，参考规范要求控制在1 mm。沿轨道方向每600 mm做一标记，两侧轨道标记必须在同一截面位置。轨道中心重合后，再用30 m的钢卷尺复核，钢卷尺必须是经省市级计量部门鉴定合格，并在有效期内，两人拉尺，两人读数，一人记录及观测温度。量距时由后尺手用弹簧秤控制施加于钢尺的拉力(30 m钢尺，标准拉力为100 N)。前、后读数员应同时在钢尺上读数，估读到0.5 mm。每尺段要移动钢尺三次不同位置，取三次丈量结果的平均值作为测量的最后结果。随之进行返测复核，根据温度查询相应的修正值，测量结果加修正值即为轨距值。将轨距误差控制在0.5 mm范围之内。

将螺栓上部螺母松开，依次将压板、异形垫板、弹簧垫圈、螺母安装在螺栓上，适度压紧轨道。

图4 轨道吊装吊具示意图

按照4.2.5中方法将水准仪架设好，首先将轨道进行粗调平，然后把FS1平板测微器套入DSZ2水准仪锁紧后即可进行精密水准测量，瞄准标尺后，检查标尺上的圆水泡是否居中，按一下揿钮，检查补偿器是否处于工作状态，旋转测微手轮，使分划板楔形丝尺平分标尺上最近的厘米格值重合，厘米值直接从标尺上读取，毫米值从测微器的测微尺上读取，两者相加既得观测值，如图5所示。

图5 标尺成像情况

标尺读数:81 cm;测微尺读数:0.556 cm;高程读数:81.556 cm。

在调整轨道高低偏差时，不能将压板上部的螺母完全松开，防止轨道向另一方向偏差，如果轨道偏低，应将上面螺母先松开不超过1/4圈，再将下部螺母同方向旋转相同角度，反之，先将下部螺母松开不超过1/4圈，再将上部螺母旋转相同角度直至调整到位，在转动扳手时，不能用锤等敲打扳手转动，可以加套筒旋转。

4.2.8 紧固轨道及复测

轨道测量合格后，逐个旋紧螺母，将轨道牢固固定在钢板上，紧固螺母时，应先将每段轨道两头螺母拧紧，然后再从中间向两头进行，紧固螺母时，轨道两侧螺母必须两个人同时旋转，不能先紧固一边，再紧固另一边，防止轨道移位及倾斜。两侧轨道紧固完后，按照上述方法再次复测轨道间距和标高，如果偏差有超出标准的，旋转螺母进行调整。全部调整完成后，采取如图6所示方法进行加固，每一节钢板根据长度不同设置3处～4处即可。必须做出明显标记或警示标语，严禁上人踩踏和碰撞。

图6 RPC轨道上层钢板加固示意图

合格后报监理工程师进行二期混凝土浇筑，混凝土从钢板一侧倒入，从另一侧流出，确保钢板底部混凝土密实无空洞，混凝土浇筑高度为与上层钢板上面平齐，混凝土浇筑方法及要求同一期混凝土浇筑。

4.2.9 三期混凝土浇筑

安装轨道槽模板，模板支撑点设置在预留槽边缘，不能支撑在轨道和螺栓上，防止将轨道顶偏移位，施工过程中不能随意踩踏轨道、钢板和相应的支撑杆件，模板安装完成及时向监理报验，混凝土标高与地面平齐，混凝土在初凝后终凝前，表面以刚好能上人但不下沉为准，安排专人用铁抹子对表面进行压光处理，为下一步地面固化剂施工保证大厅洁净度做好准备。

5 施工效果

RPC轨道是中微子实验研究过程中的一个硬件基础设备，中微子实验对其精度要求极高，施工过程中精细化作业，严格过程控制，合理的工艺措施，保证了轨道的各项控制在要求之内。2011年8月15日15时，大亚湾反应堆中微子实验国际合作组在北京宣布，距反应堆仅360 m的近点1号实验大厅内，安装就位的两个中微子探测器已经准确探测到来自核电站反应堆群的中微子。这标志着RPC轨道各项指标满足了设计和中微子实验的要求。