裝配式技術在中小運量軌道交通土建結構中的應用

■ 張廣海 張文娜 白鴿 黎婉婉 林宣丞

0 引言

現(xiàn)澆施工作為傳統(tǒng)施工工藝，在我國房屋建筑、市政工程等項目中廣泛應用。但是，受時代發(fā)展、國家宏觀政策變化及環(huán)保等多種因素影響，現(xiàn)澆施工的弊端逐漸顯現(xiàn)，而裝配式技術應用日益增多，成為土建施工領域發(fā)展的新方向。

2018年7月13日，國務院發(fā)布《關于進一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設管理的意見》，對城市軌道交通規(guī)劃的審批要求進行了明確，地鐵建設的門檻提高，中小運量軌道交通制式迎來新的發(fā)展機遇。目前，中小運量軌道交通土建工程大多采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工，與因交通繁忙而需快速施工、市民對城市環(huán)境和市政工程質量要求大幅提升等城市環(huán)境背離較大，亟需探索一種更快速、環(huán)保、高質、高效的施工模式。

1 發(fā)展背景與整體思路

隨著社會進步及人們環(huán)保意識逐漸增強，現(xiàn)澆施工的局限性日益突出，阻礙了中小運量軌道交通工程的推進。其缺陷主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）環(huán)保要求愈加嚴格。當前，環(huán)境污染問題日益嚴峻，現(xiàn)澆施工的現(xiàn)場支模、綁扎鋼筋、焊接、澆筑混凝土、養(yǎng)護和拆模等工序，產生大量噪聲污染、粉塵污染及建筑垃圾。我國多次出臺嚴格的建筑施工環(huán)保法令，施工過程中因環(huán)保問題下達一個月以上停工令的情況時有發(fā)生，對施工進度造成較大影響。

（2）人工成本問題。許多建筑工人缺乏系統(tǒng)的專業(yè)技能培訓，普遍存在專業(yè)技能低、安全意識差、人員流動大、勞動效率低等問題；隨著人口紅利減退，勞動力資源越發(fā)緊缺，建筑行業(yè)用工荒現(xiàn)象凸顯。以上因素導致勞工成本占總工程費用比例逐年上升。另外，現(xiàn)澆施工現(xiàn)場人員、設備多，工序穿插干擾多，露天作業(yè)環(huán)境惡劣，導致現(xiàn)場管理人員配備增多，增大了管理成本且難以監(jiān)管到位。

（3）影響既有交通。現(xiàn)澆施工需要較寬的施工作業(yè)面（一般寬14 m，占4車道），施工前需進行專項交通疏解方案設計、評審，方案通過后設置封閉圍擋。因現(xiàn)澆施工周期長，導致車流量大、路段交通堵塞。

（4）施工質量問題。受場地、設備、高空作業(yè)和工人技術水平因素限制，現(xiàn)澆施工質量難以保證；蓋梁墩柱配筋率高，現(xiàn)場澆筑難度大，質量不易保障。以上因素導致現(xiàn)澆施工質量隱患較多，監(jiān)控成本高。

（5）構件更換問題。現(xiàn)澆結構多為剛性連接節(jié)點，難以更換。若在交通繁忙路段進行局部結構修復，對交通影響極大。

（6）材料利用率。現(xiàn)場模板、原材料難以統(tǒng)一管控、標準化，材料利用率低，浪費較嚴重。

（7）現(xiàn)澆施工周期長。構件均為現(xiàn)場澆筑，需進行支模—綁扎鋼筋—澆筑混凝土—拆模養(yǎng)護等一序列工序，工期至少28 d（僅養(yǎng)護時間）；無標準、通用構件，不能通過批量化生產提高施工效率；施工點沿線路分布，現(xiàn)場管理分散，難以有效控制監(jiān)管所有工序，施工效率低，返工整改多。

（8）安全隱患多?，F(xiàn)澆施工需高空支模，作業(yè)危險性高。

相比于現(xiàn)澆施工，裝配式施工更快速、環(huán)保、高質、高效。裝配式技術為工廠預制、工地拼裝，能較好地實現(xiàn)建筑工業(yè)化、標準化和質量可控化，逐漸在房屋建筑和市政交通工程中得到廣泛應用。裝配式技術將橋梁施工中的現(xiàn)場立模、綁扎鋼筋及澆筑混凝土等工作轉到預制工廠，將傳統(tǒng)的“基礎—墩—上部結構”轉變?yōu)椴⑿泄ば?，即橋跨結構、蓋梁、橋墩等在基礎工程完成前進行。同時，各類預制構件被分成若干節(jié)段，或采用空心薄壁結構等措施后，使用相對輕型的運輸和架設設備進行施工，通過合理安排預制節(jié)段拼裝工序提高工程質量，加快施工進度，減輕對環(huán)境和既有交通的影響[1]?，F(xiàn)澆施工與裝配式施工應用于橋梁結構工程中的優(yōu)、缺點對比見表1。

2 裝配式墩柱蓋梁

裝配式技術應用于橋梁下部結構整體思路見圖1。

由圖1可知，實現(xiàn)土建施工的工廠化、機械化、標準化和裝配化，即“裝配式=工廠預制+工地拼裝”，從而實現(xiàn)“工地的事放到工廠做、人工的事交給機器做、高空的事放到地面做”[1]。

裝配式技術的核心要素為節(jié)點連接。由于工廠化預制構件的質量易控制、易保證，構件間的節(jié)點連接為現(xiàn)場完成，節(jié)點構造比構件構造更復雜，且節(jié)點又是抗震的關鍵部位（強構件、更強節(jié)點），因而實現(xiàn)節(jié)點連接的可靠性、耐久性，即可保證裝配式結構至少具備“等同現(xiàn)澆”的能力[2]。

相比于上部結構預制拼裝技術在我國橋梁工程應用中的迅猛發(fā)展，下部結構預制拼裝技術應用發(fā)展相對緩慢，且多應用于跨海大橋或處于低烈度地震區(qū)的城市[3]：如東海大橋橋墩施工采用預制、安裝方案[4]；港珠澳大橋采用淺埋式預制墩臺結構[5]；杭州灣跨海大橋墩身生產采用預制拼裝技術等。

圖1 裝配式技術應用于橋梁下部結構整體思路

表1 現(xiàn)澆施工與裝配式施工優(yōu)、缺點對比

近年來，由于技術水平及施工要求的提高，下部結構預制拼裝技術的研究應用成為趨勢。施工中常將在工廠制作的實心預制構件運送至現(xiàn)場進行拼裝[6]，雖然解決了現(xiàn)場施工復雜、工序繁瑣等問題，但預制構件質量較大造成運輸及現(xiàn)場吊裝困難。針對此問題，研究一種橋墩下部空心預制構件，包括以下2部分：

（1）預制墩柱。包括預制空心墩和工地現(xiàn)澆墩心混凝土，預制空心墩具有沿其軸向延伸的墩柱預制腔，運輸?shù)焦さ匕惭b就位后，向墩心現(xiàn)澆混凝土。

（2）預制蓋梁。包括預制蓋梁外殼和工地現(xiàn)澆混凝土，預制蓋梁外殼具有蓋梁預制腔，設在墩柱預制件上部，預制空心墩設有伸入蓋梁預制腔的連接筋，運輸?shù)焦さ匕惭b就位，再向預制腔內現(xiàn)澆混凝土，且通過連接筋和墩柱以濕接縫形式相連。

預制構件在工廠利用先進的機械設備，使構件達到較高精度，根據(jù)不同工程需求制作不同尺寸、材料性能的構件。下部構件制作完成后，利用吊車將下部預制構件運輸至現(xiàn)場進行拼裝。構件經工廠預制，精度高、質量小、運輸方便，安裝時節(jié)省人力、物力；現(xiàn)場拼裝施工工序簡單、有序、高效，施工作業(yè)面積減小，對交通環(huán)境影響小，優(yōu)勢顯著。

3 裝配式樁基承臺

樁基承臺等基礎的施工質量關系到橋梁整體安全性，現(xiàn)澆施工的長周期造成后續(xù)工序無法提前開展，延長了整體施工周期。下部結構采用旋挖鉆和鋼模板施工，導致現(xiàn)場環(huán)保問題嚴重，增加施工費用。

3.1 預制管樁

在嚴格控制施工質量的條件下，由于預應力高強混凝土預制管樁對周圍土層有較大擠密作用，在理論材料成本相同情況下，預制管樁可比灌注樁獲得更大樁徑。理論軸向承載力方面，預制管樁是灌注樁的2．1倍以上，在軌道交通施工環(huán)境的特殊條件下，預制管樁比現(xiàn)場灌注樁工期更短、施工質量可控性更大[7]、噪聲污染更小、造價更低、環(huán)境污染更小?，F(xiàn)有預應力高強混凝土預制管樁主要成型工藝為離心成型工藝，且可批量生產。

離心成型工藝是將填充好混凝土混合料的管模放置于離心機上，根據(jù)一般離心原理可知，隨著離心機旋轉，鋼模及其模內的混凝土混合料受到離心力作用。由于模具跑輪和離心機機托磨損引起的振動或模具高速旋轉脫離離心機產生的沖擊振動，使得混凝土混合料受到振動作用。要控制高速轉速和持續(xù)時間，保障混凝土密實并具有一定強度時，不會因振動作用而破壞混凝土結構。

在離心力作用下，混凝土混合料沿管壁圓周均勻分布，逐漸形成環(huán)形中空管狀結構。隨著旋轉速度不斷加快，混凝土混合料進一步均勻分布，多余水分和空氣從因離心力作用形成的骨架和毛細孔道排出，減少內外分層情況，并提高管樁制品的密實度和抗?jié)B性[8]。

當預制管樁混凝土強度超過100%時，通過汽車運至施工現(xiàn)場，采用靜壓機沉樁施工，最大限度降低施工現(xiàn)場環(huán)境影響。

3.2 預制承臺

承臺作為主要下部結構，其預制結構的推廣對橋梁整體裝配有極其重要的作用，但由于土質的多變性以及部分土質情況具有流變影響，使實現(xiàn)承臺的預制結構較困難[9]。在下部結構現(xiàn)場施工時，承臺挖開土方量較大且當土質環(huán)境不良的情況下，會造成較大地面破壞，增大后期路面恢復的費用。

作為大型構件，可在工廠通過鋼模預制承臺，且成品質量較現(xiàn)澆承臺有較大提升。鋼模的批量化使用也減少了現(xiàn)場因承臺類型較多，導致模板數(shù)量過多或模板周轉不及時，以及工期延后等問題。承臺預制后，在滿足強度的條件下運至現(xiàn)場拼裝，單項施工周期較短，為后續(xù)工序提前開展提供了有利條件。

4 裝配式結構節(jié)點連接

在裝配預制構件時，需要對預制構件中的結構進行連接。在裝配式橋梁中，蓋梁與墩柱、墩柱與承臺、承臺與樁基及鋼筋間均需要連接，且連接節(jié)點直接影響結構質量。現(xiàn)階段國內外主要節(jié)點連接方式如下。

4.1 承插式節(jié)點連接

承插式節(jié)點連接適用于預制墩柱與承臺基礎及其他構件的連接。預制空心墩柱底部外包鋼板并布置剪力釘，承臺中部預留槽道及承插鋼筋，將空心墩柱定位后，在墩柱與承臺間隙澆筑混凝土以連接墩柱與承臺。該連接方式墩底布置較復雜，施工及運輸不便，后優(yōu)化為超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）澆筑節(jié)點連接部分，即可省去剪力釘。預制墩柱與承臺基礎承插式節(jié)點連接示意見圖2。

UHPC承插式節(jié)點是在預制混凝土構件連接端預留錨固插筋，錨固插筋交錯，無需接觸和嚴格對中，待構件安裝穩(wěn)定后澆筑UHPC[10]。施工便捷高效，大大節(jié)省人工、工期。UHPC具有超高耐久性與超高力學性能，因我國成熟產品屈指可數(shù)，故該節(jié)點連接方式僅小范圍使用，但前景可期。預制墩柱與承臺基礎UHPC承插式節(jié)點連接示意見圖3。

圖2 預制墩柱與承臺基礎承插式節(jié)點連接示意圖

4.2 灌漿套筒連接

灌漿套筒連接是在預制混凝土構件內預埋鋼套筒，從套筒兩端插入鋼筋并注入灌漿料而實現(xiàn)的鋼筋連接方式（見圖4）。灌漿套筒多作為鋼筋連接件預埋于墩柱，橋墩塑性鉸區(qū)損傷狀況受套筒影響顯著[11]。墩柱與承臺間的灌漿套筒連接示意見圖5。

4.3 灌漿波紋管連接

灌漿波紋管連接是用波紋管加強預留孔道的連接方式（見圖6）。波紋管對后插入管內的鋼筋和灌入的灌漿料進行約束，實現(xiàn)鋼筋的搭接連接。該連接方式多用于承臺及蓋梁，以加強伸入鋼筋的錨固效應[10]。

圖3 預制墩柱與承臺基礎UHPC承插式節(jié)點連接示意圖

圖4 灌漿套筒連接示意圖

4.4 預應力連接

預應力連接主要應用于節(jié)段預制拼裝施工。將蓋梁或墩柱分為數(shù)個標準段，由工廠預制后，在現(xiàn)場拼接，穿過預應力高強螺紋鋼筋，施加預應力使其成為整體。此連接方式所需預制構件體積和質量較小，便于運輸及標準化；機械化程度高，可快速施工，對路面交通影響較小。預應力節(jié)段拼裝蓋梁及墩柱示意見圖7—圖8。

圖5 墩柱與承臺間的灌漿套筒連接示意圖

圖6 灌漿波紋管示意圖

圖7 預應力節(jié)段拼裝蓋梁示意圖

圖8 預應力節(jié)段拼裝墩柱示意圖

4.5 漿錨連接

漿錨連接是在混凝土預制構件一端預留孔洞（約束漿錨連接在孔洞內增加配置橫向約束鋼筋或波紋管），將拼接構件鋼筋插入孔洞，兩端鋼筋無需接觸，后在孔洞內澆筑灌漿料的連接方式（見圖9）[12]。預留孔洞采用旋轉抽出內置螺紋鋼管方式成孔，或預埋波紋管、PVC管成孔（預埋管不抽出）。搭接鋼筋間通過鋼筋與混凝土間的粘結錨固作用傳力，無需嚴格對中，施工便捷。此連接方式錨固及搭接性能良好且工藝簡易，約束漿錨連接示意見圖10。

4.6 鋼筋連接

鋼筋連接是提高建筑施工質量和效率的關鍵技術之一。我國鋼筋連接技術發(fā)展較緩慢，傳統(tǒng)連接方式有閃光對焊、電焊和電弧焊等。近20年來，高層現(xiàn)澆混凝土結構不斷涌現(xiàn)，粗鋼筋運用日益廣泛，鋼筋連接質量問題日益突出，對鋼筋連接技術提出新的要求[13]。

圖9 漿錨連接示意圖

圖10 約束漿錨連接示意圖

為適應發(fā)展要求，多種鋼筋機械連接技術先后被研制開發(fā)，如擠壓套筒連接、錐螺紋套筒連接、直螺紋套筒連接、錐套鎖緊連接等。其中，擠壓套筒連接配套設備體積較大、錐螺紋套筒連接強度略低，已逐漸被市場淘汰，現(xiàn)階段廣泛使用直螺紋套筒連接。

錐套鎖緊連接是近年來出現(xiàn)的一種更為便利的連接方式。該技術將2根被連接鋼筋分別插入錐套及固定在保持架上的鎖片中，沿鋼筋軸向擠壓錐套，通過斜面作用，使鎖片徑向收縮，鎖緊被連接鋼筋，鎖片徑向收縮時，其內孔齒咬住鋼筋的橫肋和縱肋。單個套筒連接時間僅30～60 s，大大縮短工期，且配套機具設備體積小，節(jié)省人工、適用環(huán)境廣泛。錐套鎖緊套筒見圖11。

圖11 錐套鎖緊套筒

5 結束語

綜上所述，裝配式技術在中小運量軌道交通土建結構中具備廣泛應用的條件，但由于相關規(guī)范尚未出臺、部分新技術（UHPC、錐套鎖緊連接等）尚未完全市場化等客觀原因，其在中小運量軌道交通中應用較少。作為替代傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝的必然趨勢，并隨著部分試點工程逐步投入運營，裝配式技術將逐步在中小運量軌道交通中大規(guī)模應用。