地鐵車站預(yù)制裝配新技術(shù)研究策略

楊秀仁，黃美群

（1. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100037）

“推動(dòng)裝配式建筑取得突破性進(jìn)展”是住建部近年來的重點(diǎn)工作之一[1]。裝配式建造技術(shù)是建筑工程建造方式的重大變革，在國(guó)家的大力倡導(dǎo)下，經(jīng)過國(guó)內(nèi)骨干企業(yè)持續(xù)多年的潛心研究和應(yīng)用，地面裝配式建筑已經(jīng)取得了可喜的成績(jī)，相關(guān)技術(shù)和管理體系初步建立，工程應(yīng)用逐年增加。

但在我國(guó)地下工程領(lǐng)域，大型地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配建造技術(shù)的研究和應(yīng)用尚屬空白。筆者及其團(tuán)隊(duì)結(jié)合長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線實(shí)際工程，在國(guó)內(nèi)首次對(duì)明挖條件下的地鐵車站預(yù)制裝配技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研發(fā)，截至目前，已經(jīng)成功建設(shè)5座地下車站，成效顯著。

1 國(guó)內(nèi)外地下工程預(yù)制裝配技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外應(yīng)用情況

國(guó)外在地下工程預(yù)制裝配技術(shù)方面的發(fā)展早于我國(guó)。19世紀(jì)末 20世紀(jì)初，預(yù)制裝配襯砌就在國(guó)外盾構(gòu)隧道工程中得到了應(yīng)用[2]。經(jīng)過百余年的發(fā)展，盾構(gòu)隧道已經(jīng)成功應(yīng)用于地鐵、公路、市政等多個(gè)領(lǐng)域，隧道斷面形式多種多樣，以圓形為主，直徑從3 m到18 m不等。

除盾構(gòu)隧道外，其他地下結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式襯砌的做法起源于20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)聯(lián)邦國(guó)家為了解決冬季寒冷氣候給現(xiàn)澆混凝土施工帶來的影響，在明挖法施工的地鐵區(qū)間隧道、車站主體及附屬通道等工程中研究應(yīng)用了預(yù)制裝配技術(shù)。

明挖區(qū)間隧道有兩種做法：一種是采用整體預(yù)制管段縱向拼裝形式，管段環(huán)與環(huán)之間采用水泥材料密封填充；另一種是采用分塊裝配，底板接縫現(xiàn)澆的做法（見圖1）[3]。

圖1 區(qū)間拼裝式結(jié)構(gòu)Fig. 1 Prefabricated running tunnel

早期的車站結(jié)構(gòu)多采用體系較為復(fù)雜的矩形裝配式結(jié)構(gòu)，頂板、底板、側(cè)墻、立柱及梁結(jié)構(gòu)均采用預(yù)制裝配工藝，其中底板構(gòu)件接頭通常采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土形式，并在其上預(yù)留杯口供上部構(gòu)件進(jìn)行后期連接[3]（見圖 2）。

圖2 明挖矩形裝配式車站Fig. 2 Open rectangular excavation prefabricated station

1985年，采用明挖法施工的明斯克地鐵應(yīng)用了一種大跨坦拱裝配式結(jié)構(gòu)[3-4]，該結(jié)構(gòu)頂部、底部分別設(shè)兩道接縫，側(cè)墻設(shè)一現(xiàn)澆段，構(gòu)件之間采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的方式連接（見圖3）。

圖3 明斯克地鐵明挖坦拱裝配式車站Fig. 3 Open excavation prefabricated arch metro station in Minsk

俄羅斯和法國(guó)也有在礦山法條件下采用預(yù)制裝配技術(shù)建造地鐵車站的先例，如圣彼得堡體育館裝配式車站（見圖4）[5]。

1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

我國(guó)除盾構(gòu)法隧道采用裝配式襯砌外，其他地下工程預(yù)制裝配技術(shù)的應(yīng)用基本局限在少量的較小斷面的明挖隧道工程中，如市政管線、管廊等。在鐵路礦山法隧道工程中也曾有局部采用裝配式襯砌的先例，如西秦嶺特長(zhǎng)鐵路隧道的仰拱采用預(yù)制化的技術(shù)，墻和拱現(xiàn)場(chǎng)澆筑[6]（見圖5）。

2 預(yù)制裝配技術(shù)應(yīng)用于地面建筑和地下結(jié)構(gòu)的特性分析

2.1 裝配式地面建筑結(jié)構(gòu)

圖4 圣彼得堡體育館裝配式車站Fig. 4 St. Petersburg stadium prefabricated station

圖5 秦嶺隧道預(yù)制裝配式仰拱結(jié)構(gòu)Fig. 5 Prefabricated inverted arch structure of Qinling tunnel

裝配式地面建筑以其高效率、高質(zhì)量、高壽命、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在歐美及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了非常廣泛的應(yīng)用，且技術(shù)成熟、體系完整[7]。我國(guó)在這方面雖然起步較晚，但也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

目前我國(guó)的地面建筑預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)件通過可靠的方式連接，并與現(xiàn)場(chǎng)后澆混凝土、水泥基灌漿料形成整體的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱裝配整體式結(jié)構(gòu)[8]。在裝配整體式結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)及接縫處的縱向鋼筋可采用機(jī)械連接、套筒灌漿連接、漿錨搭接連接、焊接連接或綁扎搭接連接等方式[8]，實(shí)現(xiàn)接頭的剛性連接。

地面建筑除基礎(chǔ)嵌固于地基中外，其上部結(jié)構(gòu)位于地表以上，屹立在沒有約束作用的空間，結(jié)構(gòu)除了承受垂直荷載外，還有風(fēng)荷載和地震力作用。地面結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生水平位移及振動(dòng)振幅；當(dāng)?shù)卣饡r(shí)，地震波在土層中傳播引起地面運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)。地面結(jié)構(gòu)在地震力的作用下將產(chǎn)生“鞭梢”效應(yīng)，此時(shí)由結(jié)構(gòu)形狀、質(zhì)量和剛度屬性所反映出的自振特性對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響起決定性作用。

因此，地面結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配化，其承載體預(yù)制構(gòu)件之間的剛性連接及裝配整體式的定位非常重要。國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）規(guī)定“在各種設(shè)計(jì)狀況下，裝配整體式結(jié)構(gòu)可采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析”。顯然，這一裝配整體式技術(shù)符合地面建筑結(jié)構(gòu)的環(huán)境特性和受力特性，是安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的。

當(dāng)然，在我們的調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)，目前普遍采用套筒灌漿連接方式，由于預(yù)制構(gòu)件的預(yù)埋鋼筋和套筒位置極易產(chǎn)生偏差，在實(shí)際連接過程中出現(xiàn)對(duì)位困難，要么勉強(qiáng)插入，要么構(gòu)件重新加工，且套筒注漿質(zhì)量無法驗(yàn)證，后澆帶模板漏漿嚴(yán)重等問題，這些問題在相關(guān)文獻(xiàn)中也有不少報(bào)道[9-10]，因此裝配整體式剛性接頭的形式和施工工藝仍有進(jìn)一步優(yōu)化完善的空間。圖6為套筒灌漿連接及典型連接偏差圖片。

圖6 套筒灌漿連接及典型連接偏差Fig. 6 Rebar splicing by grout-filled coupling sleeve and typical deviation.

我國(guó)也有建筑工程采用德國(guó)的疊合板式混凝土剪力墻技術(shù)，其理念是將內(nèi)外兩層預(yù)制構(gòu)件作為核心部位的后澆混凝土的模板使用，預(yù)制模板上設(shè)置格構(gòu)鋼筋，與后澆混凝土形成永久的整體混凝土結(jié)構(gòu)，不足之處在于現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑量極大，施工難度較大，且不利于后期的檢測(cè)，抗震設(shè)計(jì)也存在不足等諸多問題[11-13]。從預(yù)制裝配的角度來看，這種所謂的疊合整體裝配式結(jié)構(gòu)因現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量很大，導(dǎo)致其優(yōu)勢(shì)更不明顯。

2.2 裝配式地下結(jié)構(gòu)

2.2.1 受力特性

地下結(jié)構(gòu)位于地層中，其所處的環(huán)境特點(diǎn)和承載機(jī)理與地面結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的區(qū)別。除了需要承受自重、人群、設(shè)備等各種垂直荷載作用外，地下結(jié)構(gòu)更主要的作用是來自周圍全方位的水土壓力，與此同時(shí)，還受到周圍地層全方位的約束作用，地層既是荷載，也是承載體的一部分，圖7 為結(jié)構(gòu)體與地層作用的整體平衡關(guān)系示意圖。即便在地震作用下，結(jié)構(gòu)體在地層的“裹挾”下同步振動(dòng)、與地層共同變形，對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)起主要作用的是地基土的運(yùn)動(dòng)特性，而非結(jié)構(gòu)自振特性，結(jié)構(gòu)形狀、質(zhì)量和剛度的改變并不能改變結(jié)構(gòu)與地層運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)特性。

圖7 結(jié)構(gòu)體與地層作用的整體平衡關(guān)系Fig. 7 Equilibrium relationship between the structure and strata

無襯砌的黃土窯洞、簡(jiǎn)單噴錨支護(hù)的巖石隧道、各種軟硬地層中采用的裝配式盾構(gòu)隧道、各種形式的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等地下工程，其良好的承載性能和抗震性能均充分反映了地下結(jié)構(gòu)的受力特性。

對(duì)于預(yù)制裝配式地下結(jié)構(gòu)，采用穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系、選擇合適的接頭形式、掌握接頭的剛度和承載特性、安排合理的接頭位置、剖析結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為應(yīng)是技術(shù)關(guān)鍵。

2.2.2 防水特性

地下結(jié)構(gòu)承受地下水的作用往往不可避免，它不同于地面建筑防水以改變水的運(yùn)動(dòng)路徑、起擋水和排水作用為目的，即“雨傘和雨衣”的防水做法，地下結(jié)構(gòu)的防水性質(zhì)類似于“潛水艇”，需要承受較大的地下水壓力。

在防水做法及效果方面，大量的工程實(shí)踐表明，地下結(jié)構(gòu)即便是整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)與地層之間設(shè)置全包防水層的情況下，滲漏水現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。而大量的盾構(gòu)隧道在無外包防水層及無現(xiàn)澆內(nèi)襯的情況下，防水性能卻較為理想，尤其是穿越江河、海底的盾構(gòu)隧道通常能抵御水頭壓力達(dá)60 m以上。

解決好裝配式地下水結(jié)構(gòu)防水的關(guān)鍵是混凝土結(jié)構(gòu)自防水性能及接頭、接縫的防水性能，包括確定合理的防水體系、材料性能、構(gòu)造措施、施工工藝及檢測(cè)手段等。

2.2.3 施工環(huán)境特性

地下結(jié)構(gòu)的建造與土體開挖方式，即施工工法密切相關(guān)。地下結(jié)構(gòu)的施工工法主要有基坑開挖類的明挖法，礦山式挖掘類的暗挖法，以及機(jī)械掘進(jìn)類的盾構(gòu)法。無論何種建造技術(shù)，其特點(diǎn)都是作業(yè)空間狹小。預(yù)制裝配地面結(jié)構(gòu)一般構(gòu)件小、配筋少，且有自由的空間進(jìn)行吊運(yùn)和拼裝，剛性接頭也能較好實(shí)現(xiàn)。而地下結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配卻相當(dāng)于在一個(gè)“盒子”里面“搭積木”，對(duì)于大構(gòu)件、高配筋的地下結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)選型、接頭方式、防水措施到構(gòu)件吊運(yùn)、定位、拼裝等各環(huán)節(jié)均需要充分考慮施工環(huán)境條件制約的影響。

總之，預(yù)制裝配技術(shù)應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)，應(yīng)綜合考慮地下結(jié)構(gòu)的承載特性、施工方法及環(huán)境特點(diǎn)。從充分發(fā)揮預(yù)制裝配技術(shù)優(yōu)勢(shì)的角度出發(fā)，結(jié)合以往地上和地下實(shí)際工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，合理確定結(jié)構(gòu)形式和承載體系、接頭連接方式、防水措施、預(yù)制和拼裝工藝等關(guān)鍵技術(shù)，使預(yù)制裝配式地下結(jié)構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)合理的建設(shè)目標(biāo)。

3 長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線預(yù)制裝配車站關(guān)鍵技術(shù)

3.1 研究背景

長(zhǎng)春市地處我國(guó)東北的嚴(yán)寒氣候區(qū)域，地鐵施工每年有4～5個(gè)月的冬歇期，致使工程工期壓力巨大。2014年長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線啟動(dòng)了預(yù)制裝配車站的研究和應(yīng)用工作，首先開展研究和應(yīng)用的試驗(yàn)段選在線路西端的袁家店車站，隨后又分別開展了另外4座車站的應(yīng)用工作。目前5座車站中除西湖站（車站長(zhǎng)700 m）因拆遷原因尚有一少部分結(jié)構(gòu)未裝配外，其余4座車站均已建成，圖8是2號(hào)線5座裝配式車站的分布示意圖。

這5座車站均為采用樁錨體系基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的明挖車站，車站主體為單拱雙層馬蹄形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總寬20.5 m、總高17.45 m，外圍主體承載結(jié)構(gòu)由環(huán)寬2 m的7塊大型預(yù)制構(gòu)件拼裝而成（見圖9），裝配式結(jié)構(gòu)整體無現(xiàn)澆混凝土濕作業(yè)，為“全裝配式結(jié)構(gòu)”。預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)環(huán)向的構(gòu)件與構(gòu)件之間、縱向的環(huán)與環(huán)之間均采用“榫槽注漿式接頭”形式，接頭部位設(shè)置多道防水措施，除拱頂外其他部位均未設(shè)置外包防水層。目前，施工完畢的車站已覆土，并恢復(fù)地下水狀態(tài)約1年半時(shí)間，歷經(jīng)2個(gè)雨季，從長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)情況看，車站結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定，且無滲漏水現(xiàn)象。圖10是不同裝配階段的車站結(jié)構(gòu)照片。

圖8 長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線5座裝配式車站分布Fig. 8 Five prefabricated stations of Changchun Metro Line 2

圖9 長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線裝配式車站斷面示意Fig. 9 Sectional diagram of prefabricated station of Changchun Metro Line 2

圖10 不同裝配階段的結(jié)構(gòu)工程照片和站廳層裝修效果圖Fig. 10 Photos of different assembly stages and decoration rendering of station floor

3.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

在長(zhǎng)春地鐵預(yù)制裝配技術(shù)研究過程中，共開展了六大部分的理論和試驗(yàn)研究工作，主要研究?jī)?nèi)容包括結(jié)構(gòu)選型及力學(xué)行為研究、接頭綜合技術(shù)研究、結(jié)構(gòu)防水關(guān)鍵技術(shù)研究、施工技術(shù)研究與專用施工裝備研發(fā)、大型預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)研究、裝配式地鐵車站多專業(yè)一體化綜合技術(shù)研究等，主要研究成果全面覆蓋并形成了設(shè)計(jì)、施工、構(gòu)件制造等成套技術(shù)體系。下面就業(yè)內(nèi)較為關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研究作簡(jiǎn)要介紹。

3.2.1 預(yù)制構(gòu)件連接接頭研究

預(yù)制構(gòu)件連接接頭是裝配式結(jié)構(gòu)研究的核心之一，其關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)和承載特性，也關(guān)系到構(gòu)件制作工藝、施工拼裝工藝、結(jié)構(gòu)防水性能等各方面。綜合考慮裝配式地下結(jié)構(gòu)特性，以及充分發(fā)揮預(yù)制裝配技術(shù)工序簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確定位、快速拼裝的理念和優(yōu)勢(shì)，在對(duì)以往多種技術(shù)（地面建筑的“套筒灌漿接頭”及“疊合裝配式技術(shù)”、盾構(gòu)隧道的“拼裝接頭”、前蘇聯(lián)的“現(xiàn)澆及杯口插入接頭”等）做法的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，最終選擇采用了“榫槽注漿式接頭”連接形式（見圖11）。

圖11 榫槽注漿式接頭示意Fig. 11 Schematic diagram of groove grouting joint

“榫槽注漿式接頭”是典型的變剛度結(jié)構(gòu)，在不同的荷載氛圍下呈現(xiàn)不同的接頭剛度屬性。非剛性接頭的存在以及變剛度接頭的連接，是導(dǎo)致預(yù)制裝配式地下結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜性的根本原因，而這種良好的接頭結(jié)構(gòu)又是有效調(diào)節(jié)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力幅值（尤其是彎矩）的重要手段。對(duì)于這種接頭，必須通過大量的理論分析和多種形式的1︰1原型接頭試驗(yàn)，研究接頭結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為、剛度、承載能力、合理構(gòu)造、注漿作用機(jī)理及防水特性等，掌握接頭結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵力學(xué)行為規(guī)律，即接頭本構(gòu)關(guān)系，形成接頭結(jié)構(gòu)承載能力的設(shè)計(jì)方法，為地鐵車站預(yù)制裝配技術(shù)的研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2.2 裝配式結(jié)構(gòu)體系和力學(xué)行為研究

全裝配式地下結(jié)構(gòu)的“裝配”以及“非剛性連接”特性，使其在結(jié)構(gòu)體系和力學(xué)行為方面與傳統(tǒng)的整體現(xiàn)澆混凝土地下結(jié)構(gòu)形成了顯著的區(qū)別，需要對(duì)“結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性”和“變剛度接頭下的結(jié)構(gòu)體系力學(xué)行為”進(jìn)行重點(diǎn)研究。

結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性涉及多個(gè)方面：首先是結(jié)構(gòu)體與地層作用之間要能夠形成穩(wěn)定的力學(xué)平衡關(guān)系，而且結(jié)構(gòu)體還應(yīng)保留必要的能力儲(chǔ)備；其次是在土體約束下結(jié)構(gòu)體必須保持自身的靜定特性，應(yīng)確保底板、側(cè)墻、拱頂、中樓板等承載構(gòu)件之間能夠形成靜定或超靜定體系；另外，單一構(gòu)件的承載能力以及接頭的承載和變形能力應(yīng)確保結(jié)構(gòu)體系中不出現(xiàn)局部穩(wěn)定問題等。

變剛度接頭下的結(jié)構(gòu)體系力學(xué)行為相對(duì)復(fù)雜。非剛性接頭的存在，一方面使結(jié)構(gòu)體系的整體變形能力得到有效的提升；另一方面，由于接頭的剛度及承載能力不僅與接頭構(gòu)造有關(guān)，而且與接頭所承受的軸力大小關(guān)系密切，不同部位接頭的內(nèi)力及接頭構(gòu)造不同，導(dǎo)致每一個(gè)接頭的剛度均有所差異，加上接頭的剛度與軸力、彎矩之間的非線性本構(gòu)關(guān)系，因此，結(jié)構(gòu)體系力學(xué)行為需要考慮從裝配施工過程到正常使用期間以及地震時(shí)的各個(gè)階段，分析在受力演變過程中接頭結(jié)構(gòu)的行為特性和整體結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為，并需要進(jìn)行多次迭代。

3.2.3 裝配式結(jié)構(gòu)抗震性能研究

地下結(jié)構(gòu)由于受地層約束作用，其抗震性能大大優(yōu)于地面建筑，且地震時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的控制因素是地層土的運(yùn)動(dòng)特性，因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)于地下結(jié)構(gòu)抗震方面的研究主要集中在土體振動(dòng)特性上，而對(duì)地下結(jié)構(gòu)尤其是裝配式地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究尚處在起步階段。

提高結(jié)構(gòu)的延性是提升地下結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段，在地震荷載作用下，裝配式結(jié)構(gòu)非剛性接頭使整體結(jié)構(gòu)的變形能力得到提高，地震時(shí)利用接頭的變形削減接頭部位的彎矩、適應(yīng)地層變形，結(jié)構(gòu)體系的延性優(yōu)于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，合理的結(jié)構(gòu)體系甚至可以避免在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上形成塑性鉸。

基于上述理念，對(duì)于裝配式地下結(jié)構(gòu)抗震性能研究的重點(diǎn)有以下3點(diǎn)：

1）多條件下的結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析。需要對(duì)不同地層條件、不同接頭性能、不同地震作用等級(jí)條件下的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行大量的數(shù)值仿真分析，研究多因素條件下結(jié)構(gòu)體系的性能及其內(nèi)力、變形規(guī)律，必要時(shí)進(jìn)行不同軟件的平行驗(yàn)證。

2）接頭的抗震性能和構(gòu)造研究。接頭的抗震性能體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即承載能力和變形能力（轉(zhuǎn)角），可采取實(shí)驗(yàn)室原型接頭試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。接頭的構(gòu)造決定了接頭的特性，構(gòu)造形式和附加構(gòu)造措施直接影響接頭的變形能力和破壞方式。

3）開展裝配式結(jié)構(gòu)與同型現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力工況下的對(duì)照分析。主要是獲取裝配式結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的差異性特征，進(jìn)而驗(yàn)證裝配式結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

通過對(duì)長(zhǎng)春地鐵裝配式車站在地震作用下的主要行為特征及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行研究，充分驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)在抗震性能方面不僅完全滿足要求，而且在有效降低主要結(jié)構(gòu)內(nèi)力（彎矩）幅值方面具有優(yōu)勢(shì)。研究充分證明地鐵裝配式車站結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的穩(wěn)定性和安全性。

3.2.4 裝配式結(jié)構(gòu)防水技術(shù)研究

根據(jù)預(yù)制裝配建造技術(shù)的特點(diǎn)，確立長(zhǎng)春地鐵裝配式車站結(jié)構(gòu)的防水目標(biāo)是取消常規(guī)外包防水層，達(dá)到或超過國(guó)家規(guī)范對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)防水的設(shè)防要求。

由于采用預(yù)制構(gòu)件，因此不必?fù)?dān)心結(jié)構(gòu)的自防水問題，但接頭防水性能是關(guān)鍵。裝配式地下結(jié)構(gòu)接縫眾多，縱橫交錯(cuò)，首先應(yīng)對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的整體防水密封系統(tǒng)進(jìn)行合理周密的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，形成可靠的密封防水構(gòu)造系統(tǒng)。合理規(guī)劃防水系統(tǒng)的設(shè)置路徑，尤其對(duì)邊、角、榫槽、交叉、留孔等部位進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，確保接縫不漏空，縱向不串水。

高標(biāo)準(zhǔn)配置接縫的防水性能必不可少。確立的設(shè)計(jì)原則是多道防線、主動(dòng)密封，具體措施是“二墊一注一嵌”（見圖11），即接縫設(shè)置兩道復(fù)合膨脹壓縮橡膠密封墊、接頭接觸面縫隙進(jìn)行充填注漿、接縫表面的溝槽做嵌縫/排水處理。

結(jié)合長(zhǎng)春裝配式車站具體工程開展了一系列的接縫防水試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)證明，在接縫最不利就位的情況下（接縫張開10 mm、密封墊錯(cuò)位5 mm），僅采用一道橡膠密封墊即可達(dá)到承受80 m水頭壓力下不滲漏功效；接頭接觸面填充注漿采用新研發(fā)的環(huán)氧改性材料，理論上不存在滲水可能；內(nèi)表面的嵌縫兼具排水和表面封閉功能。

3.2.5 裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕量化研究

與地面建筑不同，地下結(jié)構(gòu)需要承受巨大的水土壓力作用，一般構(gòu)件體積大、配筋高。裝配式地下結(jié)構(gòu)即使拆分為多塊預(yù)制構(gòu)件后，單塊構(gòu)件的體積和質(zhì)量仍然較大，導(dǎo)致拼裝作業(yè)難度大，對(duì)起重吊運(yùn)設(shè)備的要求相應(yīng)提高。因此，構(gòu)件的輕量化是提升裝配式結(jié)構(gòu)施工性能的重要手段。

對(duì)于混凝土構(gòu)件，輕量化有效的途徑是減少混凝土的用量。根據(jù)混凝土截面的受力特性，提出了在構(gòu)件內(nèi)部設(shè)置封閉腔體，并采用輕質(zhì)材料填充的閉腔薄壁構(gòu)件思路，圖12為單塊閉腔薄壁構(gòu)件軸側(cè)圖。

圖12 單塊閉腔薄壁構(gòu)件軸測(cè)圖Fig. 12 Axonometric drawing of closed cavity thin-walled components

采用閉腔薄壁方式后，構(gòu)件的輕量化效果顯著。環(huán)寬2 m的構(gòu)件，輕量化之前每一環(huán)總重360 t，其中最重構(gòu)件達(dá)65 t、最輕構(gòu)件35.35 t，輕量化后平均減重16.67%，目前一環(huán)總重300 t。輕量化不僅方便了施工，而且節(jié)約了混凝土和鋼筋用量，同時(shí)，在構(gòu)件預(yù)制環(huán)節(jié)還收獲了意想不到的好處，即閉腔薄壁構(gòu)件預(yù)制時(shí)的混凝土水化熱大幅降低，降溫時(shí)間大大縮短，避免了構(gòu)件降溫開裂現(xiàn)象，構(gòu)件的生產(chǎn)效率得到提高。

當(dāng)然，輕量化構(gòu)件增加了研究、設(shè)計(jì)和制造難度，由于內(nèi)空腔的存在，端頭、隔肋、縱肋、腔體等各部位的內(nèi)力和應(yīng)力傳遞非常復(fù)雜，需要探討閉腔薄壁構(gòu)件的力學(xué)特性，以及內(nèi)力應(yīng)力—構(gòu)造尺度—構(gòu)件性能等多因素的互動(dòng)關(guān)系，研究閉腔薄壁構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法。對(duì)空腔芯模在輕質(zhì)材料、成型方法、防吸水、經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行了研究，使用后達(dá)到了預(yù)期效果。

3.2.6 施工技術(shù)研究與專用施工裝備研發(fā)

施工是裝配式地下結(jié)構(gòu)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，作為一種全新的地下結(jié)構(gòu)建造方式，與拼裝技術(shù)相關(guān)的所有工藝和環(huán)節(jié)都不可忽視，包括：科學(xué)合理的裝配施工流程安排、大型預(yù)制構(gòu)件的吊運(yùn)、就位定位方法、接頭拼裝流線、張拉和接縫寬度控制等。

各類專用施工裝備以及輔助拼裝部件的研發(fā)和利用也十分重要，包括：專用拼裝臺(tái)車、側(cè)向支撐絲杠、構(gòu)件導(dǎo)向定位銷棒、輔助連接張拉系列裝置和設(shè)備、專用接縫注漿設(shè)備，以及構(gòu)件測(cè)量定位系統(tǒng)、拼裝自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

地下結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在6個(gè)方面：一是能顯著提高結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量；二是能大幅提高現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)效率，縮短工期；三是可提升工程施工的安全性，地下工程以施工作業(yè)高風(fēng)險(xiǎn)著稱，采用預(yù)制裝配技術(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)節(jié)大大減少，作業(yè)安全性顯著提高；四是對(duì)環(huán)境影響小，采用預(yù)制裝配技術(shù)后，以往對(duì)環(huán)境有不良影響的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)節(jié)大大減少甚至取消，施工噪聲和粉塵污染大大降低；五是節(jié)省勞動(dòng)力。當(dāng)前，在建筑工程領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)施工與作業(yè)工人緊缺的矛盾十分突出，人口紅利逐漸消失，勞動(dòng)力成本不斷增高，采用預(yù)制裝配技術(shù)能大幅減少勞動(dòng)力需求；六是能解決寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)冬季無法施工的問題。

在長(zhǎng)春地鐵實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)制裝配式地鐵車站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益進(jìn)行了初步分析，與一座同樣規(guī)模的明挖兩層雙跨矩形框架現(xiàn)澆混凝土標(biāo)準(zhǔn)車站結(jié)構(gòu)相比，其產(chǎn)生的主要效益包括：

1）一座車站工期節(jié)省4～6個(gè)月（20%～30%）；

2）高峰施工期現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員每班由130～150人減少到30人左右；

3）每座車站節(jié)省鋼材約800 t，節(jié)省木材800 m3，施工廢棄量減少50%；

4）施工場(chǎng)地減少約1 000 m2。

5 結(jié)語(yǔ)

地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配建造技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)，預(yù)示著其將在今后有著廣闊的發(fā)展空間，也將成為建筑產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的一支“生力軍”。地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配建造技術(shù)體系研究需要做的工作還很多，而長(zhǎng)春地鐵對(duì)這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用所給予的支持，開啟了一扇新技術(shù)的大門。

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