新型裝配疊合整體式地下車站關(guān)鍵技術(shù)研究

劉 毅，潘 清，郭正興，徐軍林，張 磊

（1.無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫 214023；2.東南大學(xué)，江蘇南京 210096；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 國內(nèi)外預(yù)制裝配式地下工程發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

預(yù)制裝配技術(shù)在國外地下工程中的發(fā)展較早，19世紀末就已經(jīng)在盾構(gòu)法區(qū)間隧道工程中得到了應(yīng)用[1]，經(jīng)過多年的發(fā)展，國外預(yù)制裝配技術(shù)被廣泛用于公路、市政及地鐵等多個工程領(lǐng)域。上世紀80年代，為解決嚴寒地區(qū)地鐵無法正常進行現(xiàn)澆混凝土施工的問題，前蘇聯(lián)在明挖法施工的地鐵區(qū)間隧道及車站內(nèi)采用預(yù)制構(gòu)件技術(shù)[2]；90年代，法國巴黎在地鐵快車線中使用預(yù)制鋼筋混凝土管片裝配拱技術(shù)修建地鐵車站[2]；日本在仙臺市地下鐵道、公路雙車道隧道、公路擴建等工程均采用預(yù)制裝配技術(shù)[3]。

國外早期車站結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，多采用矩形裝配式結(jié)構(gòu)，頂板、側(cè)墻、底板等均采用預(yù)制裝配技術(shù)，底板構(gòu)件接頭采用現(xiàn)澆混凝土形式[4]，如圖1所示，這種技術(shù)將結(jié)構(gòu)整體劃分為多個構(gòu)件，有助于車站結(jié)構(gòu)的快速施工。經(jīng)過一段時間的發(fā)展，成段襯砌結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用，如圖2所示，這種技術(shù)將多塊預(yù)制地鐵襯砌通過明挖法方式連接成整體，并在烏茲別克斯坦塔什干市地鐵中得到應(yīng)用[3]。后期，國外在明挖法地鐵車站中較多應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的做法，即底板采用整體現(xiàn)澆混凝土，邊墻、頂板采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，且頂板采用密肋板式結(jié)構(gòu)，成功地解決了構(gòu)件的輕量化問題[5]。

圖1 矩形裝配式車站

圖2 成段襯砌式車站

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國地下工程裝配式建造技術(shù)發(fā)展緩慢，主要在盾構(gòu)法施工的隧道工程中采用裝配式襯砌，且結(jié)構(gòu)形式較為簡單，多為圓形斷面結(jié)構(gòu)。近年來，在國內(nèi)技術(shù)人員的努力下，國內(nèi)預(yù)制裝配式地下工程有了一定的創(chuàng)新與發(fā)展。例如，楊秀仁等[4]在國內(nèi)率先研發(fā)了全裝配式建造技術(shù)，并首次應(yīng)用于長春地鐵2號線袁家店車站，車站結(jié)構(gòu)形式為二層單拱大跨結(jié)構(gòu)；北京地鐵6號線西延線金安橋站采用裝配整體結(jié)構(gòu)修建明挖車站，各構(gòu)件采用工廠化預(yù)制，構(gòu)件節(jié)點采用套筒灌漿方法連接，保證車站結(jié)構(gòu)的整體性[6]；濟南市軌道交通基于預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土相結(jié)合的形式對明挖法車站進行施工，并應(yīng)用于R1線演馬莊西站[7]；2019年，哈爾濱地鐵3號線丁香公園站首次采用疊合裝配式地鐵車站；上海地鐵15 號線吳中路站首次采用預(yù)制拱形頂板設(shè)計。

2 新型裝配疊合整體式地下車站簡介

2.1 工程背景

無錫至江陰城際軌道交通工程南門站作為新型裝配疊合整體式地下車站的試驗點，是采用地下連續(xù)墻基坑支護結(jié)構(gòu)的明挖車站，車站外包總長為198.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.7 m。車站主體結(jié)構(gòu)為雙層箱式結(jié)構(gòu)，采用預(yù)制構(gòu)件+現(xiàn)澆構(gòu)件相結(jié)合的方式，預(yù)制板件表層通過拉毛等方式與現(xiàn)澆混凝土形成疊合整體，各構(gòu)件連接節(jié)點通過現(xiàn)澆混凝土的方式形成整體。南門站平面總圖如圖 3所示。

2.2 新型結(jié)構(gòu)體系

南門站采用明挖法施工，主體結(jié)構(gòu)外圍采用地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)3道橫向支撐，3道支撐為均為鋼結(jié)構(gòu)支撐，形成質(zhì)量可靠、剛度大、工效高、可循環(huán)利用的防護體系。

南門站主體結(jié)構(gòu)為預(yù)制+現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)合的箱式框架結(jié)構(gòu)，由底板、外墻、頂板、中板、縱梁及立柱等構(gòu)件組成，包含站臺層側(cè)墻A、站廳層側(cè)墻B、中板C、立柱D、頂板E、中縱梁F、頂縱梁G。其中，立柱采用圓鋼管混凝土組合柱，鋼管內(nèi)現(xiàn)場灌注高強度混凝土；中縱梁、頂縱梁采用部分預(yù)制裝配型鋼混凝土梁，即預(yù)制縱梁埋入工字鋼；底板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；側(cè)墻采用預(yù)制+現(xiàn)澆鋼筋混凝土疊合墻板，內(nèi)側(cè)為預(yù)制墻板；中板、頂板采用預(yù)應(yīng)力混凝土板+現(xiàn)澆鋼筋混凝土層，下層為預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制板。南門站整體結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件如圖4所示。

構(gòu)件連接節(jié)點是南門站的重要組成部分，關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體受力性能及正常使用功能。在對多種接頭技術(shù)（地上結(jié)構(gòu)“灌漿套筒連接”、地下結(jié)構(gòu)“榫槽注漿式接頭”等）的優(yōu)缺點及適用性分析的基礎(chǔ)上，選擇U形鋼筋搭接并現(xiàn)澆混凝土的濕接方式對側(cè)墻、頂板、底板等構(gòu)件節(jié)點進行連接，采用立柱外伸型鋼與縱梁型鋼先栓焊連接、后澆筑節(jié)點區(qū)混凝土的方式將立柱及縱梁節(jié)點連接形成整體。

圖3 南門站平面總圖（單位：m）

圖4 南門站整體結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件示意圖

3 裝配疊合整體式地下車站關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 結(jié)構(gòu)整體受力性能研究

相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆地下結(jié)構(gòu)，裝配式地下車站的整體性較差、構(gòu)件種類較多且存在多種不同的節(jié)點連接方式，其在外部作用下的力學(xué)行為具有較大的不確定性。目前，國內(nèi)主要對傳統(tǒng)現(xiàn)澆地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行研究，對裝配式地下車站的綜合性能研究較少。因此，對裝配式車站靜力性能和動力性能等方面進行重點研究，主要包括以下幾個方面。

（1）圍護結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻作為主體結(jié)構(gòu)的一部分，與側(cè)墻組成復(fù)合式結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)外部作用，圍護結(jié)構(gòu)與側(cè)墻之間不能傳遞彎矩與剪力，只可傳遞法向壓應(yīng)力[8]?？紤]結(jié)構(gòu)從構(gòu)件預(yù)制、構(gòu)件吊裝、現(xiàn)澆混凝土到正常使用的各施工階段的影響，分析各構(gòu)件在受力演變過程中的力學(xué)特性和整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，確保各構(gòu)件在各階段滿足承載能力、穩(wěn)定性、變形及抗裂性能要求。

（2）多因素條件下的結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析。建立土-地下連續(xù)墻-主體結(jié)構(gòu)非線性動力相互作用的數(shù)值仿真模型，充分考慮構(gòu)件協(xié)調(diào)變形特征、材料非線性、地震動頻譜特性等因素，通過對結(jié)構(gòu)層間位移角、加速度反應(yīng)等計算結(jié)果的分析，綜合評價裝配式車站的抗震性能。

（3）裝配式車站與傳統(tǒng)非裝配式車站結(jié)構(gòu)的動力性能對比分析。通過數(shù)值仿真模型，對比同一地震動條件下裝配式與非裝配式結(jié)構(gòu)的變形、地震損傷程度等指標(biāo)，驗證裝配式車站結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

3.2 關(guān)鍵構(gòu)件節(jié)點試驗研究

裝配式地下車站構(gòu)件種類、連接方式較多，各構(gòu)件節(jié)點具有明顯的偏心受力特性，其力學(xué)性能直接關(guān)系到裝配式地下車站結(jié)構(gòu)在建設(shè)及運營使用過程中的承載能力、整體受力狀態(tài)，是裝配整體式結(jié)構(gòu)體系的核心點[9-10]，僅通過理論研究難以反應(yīng)各節(jié)點在不同作用下的損傷狀態(tài)。因此對各構(gòu)件節(jié)點進行試驗研究，主要研究內(nèi)容如下。

（1）側(cè)墻底節(jié)點抗震性能試驗研究。為研究側(cè)墻底節(jié)點的抗震性能，優(yōu)化節(jié)點設(shè)計，設(shè)計制作了3個預(yù)制拼裝側(cè)墻底節(jié)點足尺模型試件和1個現(xiàn)澆側(cè)墻底節(jié)點試件。采用低周往復(fù)加載試驗對側(cè)墻底試件的抗震性能進行分析，主要研究側(cè)墻底節(jié)點的承載能力、破壞形態(tài)及耗能性能，并對比預(yù)制裝配式節(jié)點與傳統(tǒng)現(xiàn)澆節(jié)點的受力性能，驗證單側(cè)預(yù)制疊合墻板節(jié)點的可靠性。側(cè)墻底節(jié)點抗震試驗如圖5所示。

（2）側(cè)墻頂節(jié)點抗震性能試驗研究。為驗證側(cè)墻頂節(jié)點的抗震性能，設(shè)計制作了3個預(yù)制拼裝側(cè)墻頂節(jié)點和1個現(xiàn)澆側(cè)墻頂節(jié)點試件，采用低周往復(fù)加載試驗對側(cè)墻頂試件的抗震性能進行分析，主要研究側(cè)墻頂節(jié)點的裂縫發(fā)展過程及形態(tài)、破壞機理及耗能性能；對比預(yù)制裝配節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的試驗結(jié)果，改進預(yù)制裝配節(jié)點設(shè)計。側(cè)墻頂節(jié)點抗震試驗如圖6所示。

圖5 側(cè)墻底節(jié)點抗震試驗

圖6 側(cè)墻頂節(jié)點抗震試驗

（3）頂層縱向梁柱節(jié)點靜力性能試驗研究。頂層梁柱節(jié)點由疊合板、型鋼混凝土疊合梁、鋼管混凝土柱組成，其節(jié)點成為影響結(jié)構(gòu)受力性能的薄弱部位。為驗證頂層梁柱節(jié)點的受力特性，設(shè)計制作了1個預(yù)制拼裝頂層梁柱節(jié)點足尺模型，對頂梁兩側(cè)施加對稱豎向荷載，研究梁柱節(jié)點連接區(qū)在負彎矩作用下的承載能力、破壞形態(tài)及裂縫分布特點，指導(dǎo)梁柱節(jié)點構(gòu)造設(shè)計。頂層縱向梁柱節(jié)點試驗如圖7所示。

3.3 疊合頂板力學(xué)性能試驗研究

無錫地鐵裝配式車站頂板采用新型半預(yù)制疊合頂板，即頂板下層采用先張法預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁，上層澆筑混凝土形成疊合結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外對該類型的疊合板研究較少，相關(guān)文獻欠缺，尚無可直接借鑒的案例，故有必要對該類型疊合板在施工階段及正常使用階段的力學(xué)性能進行研究。

圖7 頂層縱向梁柱節(jié)點試驗

為此，設(shè)計制作了疊合板足尺模型，對疊合板施加對稱豎向荷載，研究疊合板在正彎矩作用下的承載能力、內(nèi)力分布及破壞形態(tài)，驗證新型預(yù)應(yīng)力疊合板的可行性。疊合板構(gòu)造及加載試驗如圖8所示。

3.4 裝配整體式地下車站抗裂、防水綜合技術(shù)研究

考慮到地下車站采用預(yù)制裝配+現(xiàn)澆混凝土的施工技術(shù)，且所處地區(qū)具有地下水豐富、大氣降水量大的特點，通過對結(jié)構(gòu)抗裂及自防水性能、防水構(gòu)造措施等多方面進行研究，解決裝配式地下車站在工程建設(shè)及運營過程中可能面臨的復(fù)雜抗裂、防水使用功能問題。

（1）大型疊合構(gòu)件綜合防裂技術(shù)研究。結(jié)合面的粘結(jié)、抗剪性能及粗糙度決定了疊合構(gòu)件的共同工作性能。結(jié)合面常用工藝包括鑿毛、拉毛、鍵槽及水洗露骨料等，拉毛、鑿毛工藝已有大量試驗成果證明其可靠性[11-13]，并被納入相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中[14]，而水洗露骨料使用性能的研究相對較少，在疊合構(gòu)件中的適用性有待研究。因此，對分別采用水洗露骨料、拉毛結(jié)合面工藝的疊合構(gòu)件進行抗拉、抗剪、受彎及偏壓力學(xué)性能試驗研究，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計。疊合構(gòu)件試驗如圖9示。

（2）現(xiàn)澆混凝土質(zhì)量控制技術(shù)研究。由于預(yù)制混凝土對現(xiàn)澆混凝土的約束行為導(dǎo)致各部分混凝土變形分布不均，應(yīng)力狀態(tài)極為復(fù)雜，其防裂控制成為一大難題。結(jié)合理論與試驗研究，研制低收縮高性能混凝土，并分析混凝土構(gòu)件在不同工作狀態(tài)下的力學(xué)性能、變形性能、抗裂性能，進一步指導(dǎo)現(xiàn)澆混凝土配合比設(shè)計。

4 BIM技術(shù)在裝配疊合整體式地下車站中的應(yīng)用

無錫地鐵在裝配疊合整體式地下車站中開展裝配式設(shè)計、生產(chǎn)、運輸和施工各環(huán)節(jié)協(xié)同工作關(guān)鍵技術(shù)研究，解決產(chǎn)業(yè)鏈各專業(yè)間信息數(shù)據(jù)交換、標(biāo)準(zhǔn)接口與集成技術(shù)，建立無錫地鐵建筑信息模型（BIM）建管平臺如圖10所示。

圖8 疊合板構(gòu)造及加載試驗

（1）在設(shè)計階段，實現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)方、施工方前置參與，通過BIM信息化模型進行多專業(yè)協(xié)同管理，對結(jié)構(gòu)、建筑、機電、裝修等專業(yè)預(yù)留空間、預(yù)埋件等進行碰撞檢測分析，確保構(gòu)件設(shè)計預(yù)留空間滿足各專業(yè)要求，有效避免了2D圖紙各專業(yè)細部沖突的問題。

（2）在構(gòu)件生產(chǎn)階段，將構(gòu)件深化數(shù)據(jù)及時輸入BIM模型中，自動匯總形成構(gòu)件信息清單。結(jié)合構(gòu)件生產(chǎn)線運行管理系統(tǒng)，實現(xiàn)構(gòu)件模具組裝、鋼筋籠組裝、預(yù)埋件安裝、隱蔽工程檢驗、澆筑振搗等工序管理，錄入構(gòu)件預(yù)埋芯片，并將過程信息實時上傳BIM平臺，進行信息跟蹤追溯。

（3）在施工階段，利用BIM模型構(gòu)造一個虛擬的施工環(huán)境，虛擬施工環(huán)境包括施工現(xiàn)場空間布置、材料及設(shè)備放置位置等，實現(xiàn)施工場地統(tǒng)一規(guī)劃與管理；在實際施工過程中，項目部可通過BIM技術(shù)在三維可視化模型中清楚地觀察現(xiàn)場實際情況，進一步加強現(xiàn)場施工布置與管理。

圖9 疊合構(gòu)件試驗（單位：mm）

5 結(jié)束語

相比整體現(xiàn)澆車站，裝配式地下車站有著不可替代的優(yōu)勢，其在地下工程領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展前景。無錫地鐵地下車站對裝配疊合整體式結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用，必將促使裝配式建造技術(shù)登上新臺階。

（1）通過對裝配式車站結(jié)構(gòu)整體受力性能進行研究，綜合評價車站結(jié)構(gòu)在建造過程中的力學(xué)行為，為后期地下車站建設(shè)與運營管理提供有效的技術(shù)支撐。

（2）通過對關(guān)鍵節(jié)點及構(gòu)件進行試驗研究，提煉出地下車站裝配式關(guān)鍵技術(shù)及研究要點，驗證新型構(gòu)件連接方式的可行性與適用性，為后期同類型工程應(yīng)用提供參考。

圖10 BIM建管平臺示意圖

（3）通過地下車站防水、抗裂技術(shù)研究，研制適用于軟土富水地區(qū)的低收縮高性能混凝土，具有較高的經(jīng)濟與社會應(yīng)用價值。