我國預(yù)制裝配式地鐵車站建造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

楊秀仁

(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)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037)

0 引言

我國將建筑產(chǎn)業(yè)化作為破解當(dāng)前建筑業(yè)困局、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級的重要依托。預(yù)制裝配建造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑模式由現(xiàn)場作業(yè)向工廠制造轉(zhuǎn)移、由勞動(dòng)密集型向機(jī)械化轉(zhuǎn)變的重要基石。2016年國務(wù)院辦公廳專門出臺《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部也集中出臺了一系列針對裝配式建筑的政策和標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)預(yù)制裝配技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已成為建筑工程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級和可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[1]。

目前，我國地面裝配式建筑得到了蓬勃發(fā)展，已基本形成了比較完善的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系，工程應(yīng)用十分廣泛。與地面建筑相比，除盾構(gòu)法隧道外，地下工程在裝配式建造技術(shù)方面的研究和應(yīng)用起步較晚，尤其在大型地下工程領(lǐng)域近乎處于空白狀態(tài)。

城市地鐵車站是大型地下工程的典型代表。2012年起，長春地鐵2號線率先開展了明挖地鐵車站裝配式建造技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，開啟了裝配式地鐵車站建設(shè)的先河。截至目前，長春地鐵已成功建成裝配式車站8座，還有10座正在建設(shè)中。

長春地鐵裝配式車站的成功建設(shè)起到了很好的示范作用。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，截至目前，國內(nèi)已有長春、北京、濟(jì)南、上海、廣州、哈爾濱、青島、深圳和無錫等9個(gè)城市從不同的角度開展了裝配式車站建造技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，已實(shí)施的車站數(shù)量近40座。本文在分析國外裝配式地鐵車站建造技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)部分城市的工程建設(shè)情況，對我國預(yù)制裝配式地鐵車站建造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并提出思考和展望。

1 國外裝配式地鐵車站技術(shù)發(fā)展簡況

1.1 盾構(gòu)法裝配式地鐵車站

地下工程預(yù)制裝配建造技術(shù)起源于國外，盾構(gòu)法隧道是最早應(yīng)用預(yù)制裝配技術(shù)的地下結(jié)構(gòu)。1869年，詹尼斯·亨利·格瑞海德(Janes Heary Greathead)工程師用圓形盾構(gòu)在泰晤士河底修建了第1條盾構(gòu)隧道，該隧道首次采用了裝配式襯砌結(jié)構(gòu)[2]，至今已有150余年的歷史。盾構(gòu)隧道襯砌均為全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，接頭干式連接，目前已廣泛應(yīng)用于世界各國的鐵路、公路、地鐵、市政管線、綜合管廊等地下工程，并由單一的圓形結(jié)構(gòu)發(fā)展到雙圓、三圓及類矩形結(jié)構(gòu)等多種形式，以適應(yīng)不同的工程用途。

日本曾經(jīng)有采用盾構(gòu)法建造地鐵車站的先例，例如： 采用雙圓盾構(gòu)修建的日本JR京葉線京橋站(見圖1)和采用三圓盾構(gòu)修建的東京7號線白金臺站(見圖2)[3-4]。由于受其結(jié)構(gòu)形式的限制，此類大型地下車站應(yīng)用案例較少，絕大部分盾構(gòu)隧道仍以單一的圓形結(jié)構(gòu)為主，直徑3～18 m。

圖1 日本JR京葉線京橋站雙圓結(jié)構(gòu)

圖2 東京7號線白金臺站三圓結(jié)構(gòu)

1.2 明挖法裝配式地鐵車站

明挖條件下地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)的應(yīng)用起源于20世紀(jì)70年代。蘇聯(lián)聯(lián)邦國家為了解決冬季施工問題，在明挖地鐵車站和區(qū)間工程中研究應(yīng)用了預(yù)制裝配技術(shù)[5]。早期的裝配式車站基本為體系較為復(fù)雜的矩形框架結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，底板結(jié)構(gòu)要么整體現(xiàn)澆，要么采用現(xiàn)澆濕式連接的裝配整體式結(jié)構(gòu)；上部結(jié)構(gòu)一般為搭接式裝配。后期部分車站采用了單拱大跨結(jié)構(gòu)，襯砌結(jié)構(gòu)也基本采用了裝配整體式結(jié)構(gòu)建造，例如： 明斯克地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)(見圖4)頂、底部分別用3塊預(yù)制構(gòu)件通過接頭濕式連接，側(cè)墻設(shè)置鋼筋混凝土現(xiàn)澆段[6-7]。

圖3 明挖矩形裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

圖4 明斯克地鐵車站拱形裝配整體式結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

明挖條件下接頭濕式連接的方式，不僅制約了機(jī)械化拼裝水平和施工效率，而且對于大構(gòu)件、高配筋率的地鐵結(jié)構(gòu)，在有限的基坑空間內(nèi)進(jìn)行鋼筋連接和混凝土澆筑，施工難度極大，工程質(zhì)量難以控制，同時(shí)大量現(xiàn)澆施工縫的存在也嚴(yán)重影響到地下結(jié)構(gòu)的整體防水性能，一般需要在結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置外包防水層進(jìn)行加強(qiáng)。受種種因素制約，上述預(yù)制裝配施工方法在后期的工程中很少使用。

但是，裝配整體式結(jié)構(gòu)由于接頭為現(xiàn)澆鋼筋混凝土的剛性連接，從而具有與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)同等的結(jié)構(gòu)性能。國內(nèi)外地面建筑裝配式結(jié)構(gòu)基本采用的都是這一裝配整體式技術(shù)，適合地面建筑的承載環(huán)境特點(diǎn)和受力特性，安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

1.3 礦山法裝配式地鐵車站

國外也有在礦山法隧道內(nèi)利用預(yù)制裝配技術(shù)建造車站結(jié)構(gòu)的案例。俄羅斯圣彼得堡體育館站為雙層地鐵換乘站，位于60 m深的黏土層中，采用礦山法施工。在進(jìn)行裝配施工前，先行施工2個(gè)輔助隧道，在隧道內(nèi)通過現(xiàn)澆混凝土的方式形成頂拱和仰拱的反力支座，然后開挖車站主體隧道并拼裝預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)[5]，如圖5所示。

圖5 圣彼得堡體育館站裝配式結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

法國奧貝爾車站也是在礦山法隧道內(nèi)拼裝預(yù)制襯砌的成功案例[8]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該車站拱部結(jié)構(gòu)由預(yù)制構(gòu)件裝配而成，利用機(jī)械裝備進(jìn)行拼裝施工。

圖6 奧貝爾車站裝配式結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

礦山法隧道內(nèi)裝配的襯砌結(jié)構(gòu)，由于作業(yè)空間的局限性，基本均拆分為小型預(yù)制構(gòu)件，并通過干式楔形接頭連接。

2 我國裝配式車站技術(shù)研究與應(yīng)用

自長春地鐵首座裝配式車站建設(shè)以來，近10年來國內(nèi)已建和在建裝配式地鐵車站初步統(tǒng)計(jì)見表1。

各城市在開展裝配式車站建設(shè)時(shí)采用了不同的技術(shù)路線，各具特色，歸納起來主要有2大類。

表1 國內(nèi)已建和在建裝配式地鐵車站初步統(tǒng)計(jì)

第1類： 以長春地鐵為代表的全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)全部采用預(yù)制構(gòu)件裝配而成，預(yù)制構(gòu)件之間為干式連接，接頭接縫采取密封防水措施，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高性能防水，結(jié)構(gòu)外不設(shè)置全包防水層。目前長春、青島和深圳地鐵的裝配式車站采用了單拱大跨全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)。

第2類： 主體結(jié)構(gòu)采用以疊合結(jié)構(gòu)+現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)為主的疊合裝配式結(jié)構(gòu)。而廣州地鐵上涌公園站，除頂板采用疊合結(jié)構(gòu)外，還在樓板采用了裝配式結(jié)構(gòu)，為各種形式相混合的裝配式結(jié)構(gòu)。第2類中除個(gè)別車站采用單拱大跨結(jié)構(gòu)外，其他基本為矩形框架結(jié)構(gòu)，每座車站采用的疊合結(jié)構(gòu)各不相同，有疊合拱、疊合板、疊合墻、疊合柱、疊合梁等多種形式。目前上海、廣州、濟(jì)南、哈爾濱、無錫等城市的地鐵裝配式車站采用了這一類結(jié)構(gòu)。

2.1 長春、青島和深圳地鐵裝配式車站

2.1.1 長春地鐵

長春地鐵裝配式車站為明挖地下2層島式站臺車站，裝配式結(jié)構(gòu)為單拱大跨形式，寬20.5 m，高17.45 m，結(jié)構(gòu)沿縱向拆分成環(huán)寬2 m的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)環(huán)，每一結(jié)構(gòu)環(huán)再拆分為7塊標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)斷面如圖7所示。已建成車站的基坑為樁+錨支護(hù)體系；在建車站的基坑除了樁+錨支護(hù)體系外，還有樁+內(nèi)支撐體系，同時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)也采用預(yù)制裝配技術(shù)建造。

文獻(xiàn)[9]結(jié)合裝配式車站試驗(yàn)段及后續(xù)實(shí)施的項(xiàng)目，對預(yù)制裝配建造技術(shù)開展了全方位的研究工作，主要內(nèi)容覆蓋設(shè)計(jì)、構(gòu)件制作、施工及輔助裝備等多方面。

圖7 長春地鐵裝配式車站結(jié)構(gòu)斷面示意圖(單位： m)

1)接頭連接技術(shù)。接頭連接是全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的技術(shù)，采用榫槽式插入連接方式，接頭榫槽面咬合對接，結(jié)構(gòu)整體拼裝完成后，進(jìn)行接縫注漿作業(yè)，使接縫接觸面充分彌合。根據(jù)接頭的位置、截面高度、受力特點(diǎn)、拼裝工藝等要求，共采用了3種接頭形式。其中，單榫長接頭和雙榫長接頭用于環(huán)內(nèi)構(gòu)件連接，并設(shè)置外部螺栓連接裝置；單榫短接頭用于環(huán)與環(huán)的縱向連接。接頭形式及構(gòu)造如圖8所示。

圖8 接頭形式及構(gòu)造示意圖

以大量的原型接頭試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對各類注漿式榫槽接頭進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，揭示了接頭的彎曲抵抗作用、抗彎剛度特性、抗彎抗剪承載特征和接頭破壞模式等，取得了一系列支撐裝配式車站結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的重要成果，并提出了接頭的設(shè)計(jì)方法[9-17]。

2)結(jié)構(gòu)靜力力學(xué)行為。注漿式榫槽接頭的剛度具有隨內(nèi)力環(huán)境變化而變化的特性，因而使得全裝配式結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為更加復(fù)雜。通過開展針對施工全過程及使用階段的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，揭示了帶有變剛度接頭的全裝配式結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，掌握了內(nèi)力和變形演變規(guī)律，并通過實(shí)際車站原位測試，對理論研究成果進(jìn)行了驗(yàn)證[9-17]。

3)結(jié)構(gòu)抗震性能。全裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能廣受關(guān)注，通過采用多種方法對在E2和E3地震作用下的裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體分析，并將裝配式結(jié)構(gòu)與同型現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用對比分析，從穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力分布、接頭對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響等多個(gè)方面研究了裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能。研究發(fā)現(xiàn)，所采用的全裝配式結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定安全，結(jié)構(gòu)體系的延性好于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，能夠更好地適應(yīng)地震工況下的變形，接頭變形使結(jié)構(gòu)整體彎矩有大幅度的減小，保護(hù)結(jié)構(gòu)不受損傷，抗震性能優(yōu)于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)[9-17]。

4)閉腔薄壁構(gòu)件力學(xué)性能。為實(shí)現(xiàn)大型預(yù)制構(gòu)件的輕量化，提出了一種新型“閉腔薄壁”結(jié)構(gòu)構(gòu)件，即在構(gòu)件內(nèi)部填充輕質(zhì)芯模替代實(shí)體結(jié)構(gòu)的混凝土，形成帶有封閉空腔的薄壁結(jié)構(gòu)，如圖9所示。由于內(nèi)部空腔的存在，受力后的閉腔薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力傳遞途徑比實(shí)體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其主要參數(shù)對構(gòu)件力學(xué)性能有直接影響。文獻(xiàn)[9]、[17-18]研究了閉腔薄壁構(gòu)件的剪力滯效應(yīng)、剪應(yīng)力分布規(guī)律以及各項(xiàng)構(gòu)造參數(shù)，提出了閉腔薄壁構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法。

圖9 閉腔薄壁構(gòu)件示意圖

5)接頭注漿技術(shù)。為確保接頭可靠傳力，并避免接頭受力后出現(xiàn)局部損傷，在接頭連接部位預(yù)留了一定寬度的縫隙，拼裝完成后在縫隙內(nèi)注入填充漿液。結(jié)合注漿環(huán)節(jié)的工程和氣候環(huán)境特性，文獻(xiàn)[17]研發(fā)了一系列適用于不同溫度條件和注漿時(shí)間的材料配方，提出了注漿關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)； 同時(shí)，研發(fā)了專用注漿設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了大容量、大壓力、高穩(wěn)定、管路免拆洗的接頭注漿施工工藝。

6)接頭接縫防水技術(shù)。地下結(jié)構(gòu)長期浸沒在水土之中，對防水性能的要求很高，而裝配式車站結(jié)構(gòu)存在大量接頭接縫，是防水的薄弱點(diǎn)。長春地鐵裝配式車站接頭接縫防水措施如圖10所示。接縫部位共設(shè)置了“兩墊一注一嵌”4道防線，即2道橡膠密封墊、1道接縫填充注漿、1道結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)接縫嵌縫。

(a) 接頭接縫防水構(gòu)造 (b) 內(nèi)嵌縫防水構(gòu)造

針對多種可能的接頭拼裝形態(tài)以及密封墊的壓緊狀態(tài)關(guān)系，開展了大量橡膠密封墊的防水性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，接頭接縫能達(dá)到最不利拼裝條件下抵抗1.0 MPa水壓(相當(dāng)于100 m水位高度)的防水性能[9，17]。

7)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)。研發(fā)了專門用于裝配式車站大型預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的新型生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線的特點(diǎn)是利用地下隧道窯結(jié)構(gòu)來固定大型預(yù)制構(gòu)件的模具，并提供抑制模板側(cè)向變形的可靠支撐點(diǎn)，采用底模流轉(zhuǎn)、側(cè)模及端模吊掛、側(cè)模外部支頂抑制變形等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配式構(gòu)件的高精度生產(chǎn)。

同時(shí)，研發(fā)了大型預(yù)制構(gòu)件智能掃描系統(tǒng)，如圖11所示。該智能掃描系統(tǒng)可自動(dòng)掃描檢測預(yù)制構(gòu)件拼接面的平整度，準(zhǔn)確找出構(gòu)件表面的異常凹凸點(diǎn)，并形成檢測報(bào)告，有效解決了大型預(yù)制構(gòu)件高精度自動(dòng)檢測的問題[17]。

圖11 大型預(yù)制構(gòu)件智能掃描系統(tǒng)

8)施工技術(shù)與輔助施工裝備。在結(jié)構(gòu)環(huán)內(nèi)，除底板構(gòu)件的接縫采用預(yù)應(yīng)力張拉壓緊外，其余各構(gòu)件的接縫主要靠構(gòu)件自重壓緊，并設(shè)置輔助連接螺栓；環(huán)與環(huán)之間的接縫采用接力式預(yù)應(yīng)力鋼筋逐環(huán)張拉壓緊，見圖12。為確保接頭拼裝定位精度和防止拼裝過程中的構(gòu)件磕碰，在接頭部位設(shè)置了導(dǎo)向定位銷棒(見圖8)，用于引導(dǎo)構(gòu)件的拼裝移動(dòng)方向和限制接頭發(fā)生非預(yù)期拼裝錯(cuò)位。

圖12 縱向預(yù)應(yīng)力張拉連接示意圖

研制了裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼裝作業(yè)輔助臺車，實(shí)現(xiàn)了多功能拼裝作業(yè)的全面整合，方便了裝配施工作業(yè)，提高了施工作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。

研發(fā)了裝配式結(jié)構(gòu)拼裝張拉自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)協(xié)同的高精度預(yù)應(yīng)力張拉自動(dòng)控制，系統(tǒng)解決了大型預(yù)制構(gòu)件多點(diǎn)張拉協(xié)同、動(dòng)態(tài)張拉荷載確定以及接縫寬度精確控制等拼裝關(guān)鍵技術(shù)難題[17]。

9)裝配式車站多專業(yè)一體化技術(shù)。針對裝配式車站建筑空間利用及綜合布局、設(shè)備管線綜合技術(shù)、車站環(huán)境設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究，提出了車站用房模塊化布局模式，并重新布局設(shè)備管線系統(tǒng)，簡裝修理念充分展示了裝配式結(jié)構(gòu)肌理，通過聲學(xué)分析并采取措施實(shí)現(xiàn)了裝配式大空間、多聲源環(huán)境下良好的聲場效果。

10)技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。長春裝配式車站應(yīng)用后取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，提高了工程質(zhì)量和施工安全性，降低了施工對環(huán)境的影響，尤其在實(shí)現(xiàn)減員、增效、節(jié)材、減排方面優(yōu)勢突出。以長春地鐵1座裝配式車站與1座普通明挖現(xiàn)澆車站進(jìn)行比較，裝配式車站的優(yōu)勢包括：

①對應(yīng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工，同樣長度的裝配式結(jié)構(gòu)可節(jié)省施工時(shí)間70%以上；

②按1座整體車站計(jì)算，每座車站可節(jié)省施工時(shí)間4～6個(gè)月，相當(dāng)于縮短工期25%～30%；

③現(xiàn)場施工人員減少85%～90%，高峰時(shí)間作業(yè)人員由每班150～180人減少為20人左右；

④1座車站節(jié)省鋼材約800 t，節(jié)省施工臨時(shí)性木材用量約800 m3，施工建筑垃圾減量50%以上，施工用地減少1 000 m2左右，綜合碳排放減少約19%。

從已通車運(yùn)營的車站情況來看，施工期間未發(fā)生任何安全事故，使用期間裝配式結(jié)構(gòu)無滲漏水現(xiàn)象發(fā)生。目前，裝配式車站已成為長春市的地標(biāo)建筑，其中，地鐵2號線興隆堡站被評為2018—2019年度全國十大最美車站之一，其實(shí)景如圖13所示。

2.1.2 青島地鐵6號線

青島地鐵6號線有6座車站采用全預(yù)制裝配技術(shù)建造，車站為地下2層單拱大跨結(jié)構(gòu)，其斷面如圖14所示。青島地鐵裝配式車站基本上應(yīng)用了長春的全預(yù)制裝配技術(shù)，但在結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配、內(nèi)支撐體系裝配技術(shù)等方面也進(jìn)行了相關(guān)的研究和應(yīng)用工作。

圖13 長春地鐵2號線興隆堡車站實(shí)景圖

圖14 青島地鐵6號線裝配式車站斷面示意圖(單位： m)

主體襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)寬仍為2 m，每1結(jié)構(gòu)環(huán)由長春地鐵的7塊構(gòu)件調(diào)整為5塊，其中，底板由3塊調(diào)整為1塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的板、梁、柱由長春地鐵的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)調(diào)整為裝配結(jié)構(gòu)。另外，青島地鐵6座裝配式車站，有5座車站基坑采用樁+錨支護(hù)體系，1座車站采用樁+內(nèi)支撐體系，這也是國內(nèi)首次在樁+內(nèi)支撐體系下進(jìn)行全裝配式車站施工。

目前，青島地鐵裝配式車站已經(jīng)開工建設(shè)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)基本就緒，即將開展裝配施工。

2.1.3 深圳地鐵

深圳地鐵在3期建設(shè)規(guī)劃修編線路上選擇了7座車站應(yīng)用全預(yù)制裝配技術(shù)建造。7座車站的基坑均采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)體系，這是國內(nèi)首次在連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系下開展全裝配式車站的建造，目前車站正在建設(shè)中。

深圳地鐵的裝配式車站有2種結(jié)構(gòu)形式，其中，6座車站采用如圖15所示的結(jié)構(gòu)形式，簡稱方案1； 1座車站采用如圖16所示的結(jié)構(gòu)形式，簡稱方案2。

圖15 深圳地鐵裝配式車站方案1(單位： m)

圖16 深圳地鐵裝配式車站方案2(單位： mm)

方案1是在長春地鐵和青島地鐵裝配式方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)條件進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整，即對結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行優(yōu)化，采用地下2層單拱大跨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)環(huán)寬2 m，襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)僅由4塊大型預(yù)制構(gòu)件拼裝而成，內(nèi)部板、梁、柱仍為裝配結(jié)構(gòu)。另外，還研發(fā)了預(yù)制軌頂風(fēng)道和預(yù)制站臺板結(jié)構(gòu)。

方案2被應(yīng)用在深圳地鐵3號線4期的西坪站，是在長春地鐵裝配式方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，襯砌結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)，側(cè)墻與軌頂風(fēng)道整合為1塊構(gòu)件，頂、底板則分別拆分為3塊構(gòu)件，站臺層不設(shè)中間立柱[19]。

構(gòu)件的接頭連接大部分采用注漿式榫槽接頭，頂板和中樓板接頭為搭接接頭，并在全部接頭部位設(shè)置了水平開尾銷連接裝置，即在兩構(gòu)件連接部位預(yù)埋C型鋼，構(gòu)件拼接后再用H型鋼插入，輔助兩構(gòu)件的連接。這種水平開尾銷連接裝置曾在日本的盾構(gòu)隧道襯砌中有過應(yīng)用。與長春地鐵裝配式車站的螺栓連接相比，開尾銷連接可在一定程度上提高接頭的抗彎剛度和承載性能，但也加大了施工拼裝難度和工程造價(jià)。

另外，針對全環(huán)結(jié)構(gòu)9塊構(gòu)件的拼裝，研發(fā)了專用拼裝設(shè)備，確保拼裝過程中結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性和連接的可靠性。其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如閉腔薄壁構(gòu)件、注漿式榫槽接頭、接縫防水措施、拼裝定位措施等同于長春地鐵裝配式車站技術(shù)方案。

2.2 上海地鐵15號線吳中路站

上海市地鐵15號線吳中路站為地下2層島式站臺車站，單拱大跨結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)長170 m，結(jié)構(gòu)橫斷面為變寬度，由19.8 m變化至21.6 m，斷面如圖17所示。該站拱頂結(jié)構(gòu)采用了疊合結(jié)構(gòu)建造，預(yù)制拱蓋拼裝完成后，進(jìn)行上部疊合層的鋼筋綁扎和混凝土現(xiàn)澆作業(yè)，形成疊合結(jié)構(gòu)。拱頂以下的底板、樓板、側(cè)墻等結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)[20]。

圖17 吳中路站主體結(jié)構(gòu)斷面示意圖(單位： mm)

拱頂疊合結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件由2塊預(yù)制拱蓋組成，預(yù)制拱蓋為帶有2道肋的π形構(gòu)件。圖18為π形拱蓋構(gòu)件吊裝施工照片。拱蓋拼裝時(shí)，其拱腳坐落于側(cè)墻頂部現(xiàn)澆好的拱座上，在拱腳與拱座之間安裝楔形止推支座，2個(gè)楔形塊就位壓緊后，通過焊接的方式進(jìn)行固定。拱蓋頂接頭節(jié)點(diǎn)處，在2道梁肋端部埋設(shè)鋼板，拼裝時(shí)通過定位銷安裝入孔，預(yù)埋鋼板靠齊頂緊并連接，接頭節(jié)點(diǎn)對接施工照片見圖19。

圖18 π形拱蓋構(gòu)件吊裝施工照片

疊合結(jié)構(gòu)用于車站拱頂結(jié)構(gòu)尚屬首次，針對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工工藝，開展了較為豐富的技術(shù)研究工作。

1)預(yù)制拱蓋構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化研究。吳中路站為變斷面結(jié)構(gòu)，因此，拱蓋預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化有一定難度。項(xiàng)目人員巧妙地通過調(diào)整側(cè)墻拱座的挑出長度以及適當(dāng)調(diào)整拱軸高度、改變拱腳開度，實(shí)現(xiàn)了拱蓋預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化。拱座挑出長度不斷變化如圖20所示。

圖19 預(yù)制拱蓋頂接頭節(jié)點(diǎn)對接施工照片

圖20 拱座挑出長度不斷變化示意圖

最終確定的拱蓋標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件長9 710 mm，高1 385 mm，寬2 950 mm，質(zhì)量約16.7 t，可以使用20 t載重運(yùn)輸平板車便捷運(yùn)輸。

2)構(gòu)件制作和機(jī)械化拼裝。為保證預(yù)制拱蓋構(gòu)件的制作精度，并為后期車站建筑裸裝創(chuàng)造條件，專門研制了大型高精度鋼模具用于構(gòu)件的預(yù)制生產(chǎn)。為了嚴(yán)格控制施工拼裝精度，并防止預(yù)制構(gòu)件發(fā)生非預(yù)期變形，專門研發(fā)了運(yùn)架一體機(jī)(如圖21所示)用于構(gòu)件的移動(dòng)和安裝。運(yùn)架一體機(jī)采用多組車輪，以分散荷載作用，同時(shí)進(jìn)行了機(jī)體輕量化設(shè)計(jì)，工作時(shí)走行在已施工好的中樓板結(jié)構(gòu)上，以盡量減小對樓板結(jié)構(gòu)的影響。

圖21 運(yùn)架一體機(jī)示意圖

3)疊合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究。吳中路站疊合式頂拱結(jié)構(gòu)施工期間需經(jīng)過2階段體系轉(zhuǎn)換。第1階段為預(yù)制構(gòu)件裝配完成，頂拱接頭近似為鉸接點(diǎn)，整個(gè)拱蓋為三鉸拱靜定結(jié)構(gòu)(見圖22(a))； 第2階段是在拱蓋上部完成現(xiàn)澆疊合層，形成整體式拱結(jié)構(gòu)，為超靜定模式(見圖22(b))。

(a) 三鉸拱靜定結(jié)構(gòu) (b) 拱形超靜定結(jié)構(gòu)

通過足尺結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)研究了疊合結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)力學(xué)性能，包括： 預(yù)制拱蓋與現(xiàn)澆疊合層在不同加載階段的相互作用以及開裂研究，疊合拱結(jié)構(gòu)受力性能和變形研究，拱腳節(jié)點(diǎn)施工和使用期間的受力特征和破壞模式研究。全跨加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D23所示。

圖23 全跨加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

試驗(yàn)研究表明，疊合拱結(jié)構(gòu)的預(yù)制與現(xiàn)澆部分協(xié)同作用良好。在滿跨堆載、半跨堆載及卸載等各種工況作用下，未出現(xiàn)裂縫，疊合拱頂結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好。

4)疊合結(jié)構(gòu)防水處理技術(shù)。預(yù)制拱蓋上部后期整體澆筑疊合層混凝土，結(jié)構(gòu)防水性能等同于整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。對后澆混凝土結(jié)構(gòu)的施工縫，有針對性地采取了相應(yīng)的防水措施，即預(yù)埋止水鋼片，并在止水鋼片的背水面設(shè)置遇水膨脹止水膠，同時(shí)在拱頂結(jié)構(gòu)外噴涂防水型涂料，作為整體外包防水措施。

上海地鐵15號線吳中路站拱頂采用疊合結(jié)構(gòu)技術(shù)建造后，拱頂結(jié)構(gòu)施工時(shí)間由原來全現(xiàn)澆的60 d減少到11 d，大大提高了工效。目前，本站已建成通車，是上海市第1座單拱大跨無柱車站。疊合拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，不僅利用預(yù)制構(gòu)件替代了大型且復(fù)雜的單拱大跨現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的模架體系，而且站廳層拱部實(shí)現(xiàn)建筑裸裝，突顯了混凝土結(jié)構(gòu)肌理之美。上海地鐵15號線吳中路車站被稱為上海市最漂亮的地鐵站，如圖24所示。

圖24 上海地鐵15號線吳中路車站

2.3 廣州地鐵11號線上涌公園站

廣州地鐵11號線上涌公園站為明挖地下3層島式站臺車站，矩形框架結(jié)構(gòu)，車站全長221.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3 m。該站頂板采用了疊合結(jié)構(gòu)，中樓板為預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)，其他為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，并采用了永臨結(jié)合的設(shè)計(jì)理念。該站還在站臺板、軌頂風(fēng)道和設(shè)備用房等方面應(yīng)用了預(yù)制裝配技術(shù)[21]。

上涌公園站裝配式結(jié)構(gòu)體系如圖25所示。該結(jié)構(gòu)體系的建立如下： 1)地面施作基坑支護(hù)地下連續(xù)墻，并利用連續(xù)墻作為主體結(jié)構(gòu)的單墻使用； 2)中間立柱采用鋼管混凝土柱，基坑開挖前從地面施作柱下樁基礎(chǔ)，并將鋼管柱插入樁基礎(chǔ)內(nèi)； 3)開挖基坑至內(nèi)支撐標(biāo)高處，內(nèi)支撐中部段采用預(yù)制混凝土構(gòu)件，兩端分別通過現(xiàn)澆腰梁與連續(xù)墻連接，與中間立柱相交處通過現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)與鋼管柱連接，基坑內(nèi)支撐體系建立； 4)基坑開挖至基底標(biāo)高后，回筑主體結(jié)構(gòu)，底板結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土施作； 5)中樓板結(jié)構(gòu)通過在內(nèi)支撐構(gòu)件上鋪設(shè)預(yù)制板裝配而成，并將內(nèi)支撐作為中樓板的橫梁加以利用； 6)頂板則在內(nèi)支撐構(gòu)件上設(shè)置疊合結(jié)構(gòu)，同樣將內(nèi)支撐作為橫梁加以利用，頂板覆土回填后，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系施工完畢。

圖25 上涌公園站裝配式結(jié)構(gòu)體系示意圖

車站結(jié)構(gòu)防水措施采用防排結(jié)合方案，以結(jié)構(gòu)自防水為主，并加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)防水措施，同時(shí)站內(nèi)設(shè)置排水系統(tǒng)。

該裝配式車站的建造方式在國內(nèi)也屬首次，除了疊合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用外，最主要的特點(diǎn)就是永臨結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。將基坑支護(hù)體系中的絕大部分構(gòu)件，包括地下連續(xù)墻、混凝土內(nèi)支撐、腰梁等作為永久結(jié)構(gòu)的一部分加以利用，并在各構(gòu)件連接、預(yù)制支撐構(gòu)件開洞、結(jié)構(gòu)抗震性能、預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、施工工藝及輔助裝備等方面進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與連續(xù)墻的連接技術(shù)。地下連續(xù)墻作為主體結(jié)構(gòu)的單墻使用，早期的地下工程中有過不少案例，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與連續(xù)墻之間的連接是關(guān)鍵，連接性能直接影響到內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系的承載及安全性。本站連續(xù)墻主要通過現(xiàn)澆腰梁與內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)連接。因此，對鋼筋接駁器連接和鋼板連接2種方案開展了試驗(yàn)研究。連續(xù)墻腰梁支撐節(jié)點(diǎn)如圖26所示。

(a) 接駁器方案 (b) 鋼板方案

由于鋼板連接的延性優(yōu)于接駁器連接方式，同時(shí)考慮到土建施工的誤差難以避免，鋼板連接在施工誤差的適應(yīng)性方面具有優(yōu)勢，因此該站采用了鋼板連接方案。

2)開洞橫梁的力學(xué)性能研究。該站將基坑預(yù)制內(nèi)支撐構(gòu)件作為各層結(jié)構(gòu)板的橫梁加以利用，由于構(gòu)件體量偏大，嚴(yán)重影響車站內(nèi)部管線的行走，需要在梁體開洞以滿足各類管線的敷設(shè)，并節(jié)省結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空高度。為此，專門對開洞后的大梁進(jìn)行了多方案模型試驗(yàn)研究，研究了開洞梁加載后的變形、撓度和破壞情況，驗(yàn)證了開洞梁的承載性能滿足要求。圖27為梁體開洞模型試驗(yàn)現(xiàn)場照片。

(a) (b)

3)結(jié)構(gòu)抗震性能研究。通過開展車站結(jié)構(gòu)的抗震性能分析，研究了E2地震作用下結(jié)構(gòu)的承載及變形性能，驗(yàn)證了該裝配體系的抗震可靠性；E3地震作用下，結(jié)構(gòu)各層的層間位移為1/830～1/1 200，滿足規(guī)范要求。

4)預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化及輔助拼裝裝備研究。從減少預(yù)制構(gòu)件型號、減小預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量、方便施工安裝等方面，對內(nèi)部裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化研究。同時(shí)，為提高中樓板裝配作業(yè)的效率和精度，專門研制了用于預(yù)制板拼裝定位的裝備，如圖28所示。

圖28 預(yù)制中板定位拼裝裝備

廣州地鐵上涌公園站裝配式結(jié)構(gòu)體系相對復(fù)雜，但永臨結(jié)合的設(shè)計(jì)方法在進(jìn)一步減少施工工序、避免建筑垃圾的產(chǎn)生等方面具有一定的優(yōu)勢。

2.4 濟(jì)南地鐵R1、R2線裝配式車站

濟(jì)南地鐵在R1線和R2線的3座車站也采用了裝配式車站建造技術(shù)。3座車站的結(jié)構(gòu)形式及所采用的裝配技術(shù)類似，本文以R2線的任家莊站為例進(jìn)行簡要介紹。

任家莊站為地下2層雙跨島式站臺車站，車站總長210.1 m，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬19.5 m，采用明挖順作法施工，結(jié)構(gòu)橫斷面如圖29所示[22]。

圖29 任家莊站結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖

該站將部分現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)改為預(yù)制構(gòu)件，例如： 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用預(yù)制方樁，中間立柱采用預(yù)制方柱+外包混凝土結(jié)構(gòu)，頂板采用疊合結(jié)構(gòu)。

1)基坑支護(hù)體系永臨結(jié)合?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)采用700 mm×700 mm預(yù)制方樁，基坑自上而下設(shè)置3道支撐，第1道為鋼筋混凝土支撐，另外2道為鋼管支撐。其中，第1道混凝土支撐后期與頂板結(jié)構(gòu)相結(jié)合，替代疊合頂板的一部分預(yù)制構(gòu)件加以利用，不需要拆除。

2)預(yù)制立柱永臨結(jié)合。主體結(jié)構(gòu)中間立柱采用400 mm×400 mm的預(yù)制混凝土方柱，基坑開挖前，從地面插入柱下灌注樁基礎(chǔ)內(nèi)； 基坑開挖期間，此預(yù)制立柱作為第1道混凝土支撐的臨時(shí)立柱使用。待基坑開挖后、主體結(jié)構(gòu)回筑時(shí)，再外包混凝土形成永久疊合立柱。疊合立柱與各層結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系如圖30所示。

3)疊合結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)的底板及縱梁為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)； 側(cè)墻與預(yù)制方樁之間通過預(yù)埋接駁器設(shè)置拉結(jié)筋，形成疊合墻結(jié)構(gòu)，如圖31所示； 頂板和頂縱梁均為疊合結(jié)構(gòu)，如圖32所示。

圖30 疊合立柱與各層結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系示意圖

圖31 預(yù)制樁與內(nèi)襯墻連接示意圖

圖32 頂板疊合結(jié)構(gòu)方案示意圖

從實(shí)際應(yīng)用效果看，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用預(yù)制方樁后，單樁成樁時(shí)間較鉆孔灌注樁減少40%左右；頂板和頂縱梁采用疊合結(jié)構(gòu)后，作業(yè)時(shí)間比整體現(xiàn)澆混凝土減少7%左右。

該站永臨結(jié)合設(shè)計(jì)方案具有一定的創(chuàng)新性，利用預(yù)制立柱作為基坑內(nèi)支撐的臨時(shí)立柱，并實(shí)現(xiàn)永臨結(jié)合，同時(shí)利用第1道混凝土支撐替代頂板疊合結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件，避免了臨時(shí)混凝土立柱和支撐的拆除，有效減少了施工環(huán)節(jié)和建筑垃圾。類似立柱永臨結(jié)合的做法一般在蓋挖逆作法工程中常用，且一般為鋼管柱，或采用型鋼柱后外包混凝土形成組合柱。

2.5 哈爾濱地鐵丁香公園站

哈爾濱地鐵3號線2期工程丁香公園站為地下2層雙跨島式站臺車站，車站長264.4 m，寬18.3 m，底板為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，頂板、樓板和側(cè)墻除節(jié)點(diǎn)和縱梁區(qū)域外均采用了疊合結(jié)構(gòu)[23]。車站結(jié)構(gòu)斷面如圖33所示。

圖33 丁香公園站結(jié)構(gòu)斷面示意圖 (單位： mm)

該站的特點(diǎn)是利用各疊合結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件取代傳統(tǒng)的混凝土臨時(shí)模板，局部盤扣支架取代滿堂支架。在結(jié)構(gòu)橫斷面受力方向，預(yù)制構(gòu)件內(nèi)的主筋與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的主筋采用套筒灌漿方式連接，實(shí)現(xiàn)等同現(xiàn)澆性能，但由于連接鋼筋量大，施工難度大、效率低。

為方便與側(cè)墻預(yù)制構(gòu)件的精確連接，底板角部鋼筋籠在工廠進(jìn)行高精度加工制作，側(cè)墻預(yù)制構(gòu)件就位后，在預(yù)制構(gòu)件與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)之間灌筑混凝土，形成疊合墻結(jié)構(gòu)；在樓板或頂板預(yù)制構(gòu)件就位后，疊合層混凝土與各節(jié)點(diǎn)區(qū)域及縱梁區(qū)域的混凝土同時(shí)整體澆筑，這樣車站結(jié)構(gòu)基本形成。車站結(jié)構(gòu)外設(shè)置了全包防水層。

該站的軌頂風(fēng)道U型結(jié)構(gòu)也采用了整體預(yù)制技術(shù)，在中樓板疊合結(jié)構(gòu)中預(yù)留了連接條件，在車站結(jié)構(gòu)封頂后安裝。

該站于2019年6月29日開始拼裝施工，同年11月1日結(jié)構(gòu)封頂。本站采用疊合結(jié)構(gòu)后，與全現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比具有一定的優(yōu)勢，例如： 鋼筋材料占地由600 m2減少為200 m2，并可減少鋼筋倒運(yùn)費(fèi)用； 施工安全性提升；另外，主體結(jié)構(gòu)封頂提前了2個(gè)月完成，避開了嚴(yán)寒冬季施工期，有效解決了冬季施工難題。

3 思考及展望

經(jīng)過近10年的發(fā)展，我國在地鐵車站預(yù)制裝配建造技術(shù)的研究和應(yīng)用方面取得了一定的成績，建成了多種模式的裝配式車站，這些有益的嘗試和探索，對推動(dòng)我國裝配式技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

從目前實(shí)際工程應(yīng)用情況來看，無論是全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，還是疊合裝配式結(jié)構(gòu)，都具有技術(shù)可行性，能夠滿足結(jié)構(gòu)施工和使用期間的設(shè)計(jì)要求，并或多或少取得了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

盡管目前我國在裝配式車站領(lǐng)域所做的研究和嘗試已經(jīng)不少，部分技術(shù)特別是全裝配式結(jié)構(gòu)也已經(jīng)有了一定的應(yīng)用規(guī)模，但裝配式車站建造技術(shù)還處于起步階段，有很大的提升和拓展空間，且將不斷面臨新的課題，需要繼續(xù)優(yōu)化、創(chuàng)新和突破，保持可持續(xù)發(fā)展。

3.1 因地制宜決策技術(shù)路線和工程方案

3.1.1 地下結(jié)構(gòu)目前面臨的突出問題

地下結(jié)構(gòu)位于地層中，耐久性一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，雖然工程設(shè)計(jì)階段對耐久性的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)措施及使用期間的檢測和維護(hù)等均確定了具體的要求和目標(biāo)，但在工程實(shí)施中出現(xiàn)的種種問題還是難以避免，尤其是地下結(jié)構(gòu)滲漏水和開裂問題，對結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命產(chǎn)生極大的影響。

根據(jù)中國工程院的研究報(bào)告可知，我國各城市地鐵車站的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)基本處于“十站九漏”，甚至“每站必漏”的狀況[24]，運(yùn)營前后，每座車站需要投入的堵漏治理費(fèi)用基本為100萬～500萬元，部分車站達(dá)到700萬～1 000萬元。滲漏水點(diǎn)一般發(fā)生在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的施工縫和變形縫處，還有結(jié)構(gòu)貫通裂縫處。所采取的防水措施，包括施工縫和變形縫的密封防水處理、結(jié)構(gòu)外全包防水層等措施基本難以控制。

地下工程在承載環(huán)境、受力特點(diǎn)、防水性能及施工工藝和要求等方面有其特殊性，與地面建筑工程存在較大的區(qū)別，裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)路線和工程方案的確定需要因地制宜。

3.1.2 疊合結(jié)構(gòu)在地下工程中的應(yīng)用

疊合結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)件(或既有混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件)和后澆混凝土組成，為2階段成型的整體受力結(jié)構(gòu)[25]。疊合結(jié)構(gòu)在地面裝配式建筑工程中應(yīng)用廣泛，并已建立完善的技術(shù)體系和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

疊合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于地鐵車站工程，早期主要集中在地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻的疊合結(jié)構(gòu)，通過在連續(xù)墻表面鑿毛并設(shè)置拉結(jié)筋的方式與后期現(xiàn)澆內(nèi)襯墻疊合。兩墻疊合后按整體墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可減小內(nèi)襯墻的厚度，但也存在比較突出的問題，即內(nèi)襯墻開裂。后澆混凝土結(jié)構(gòu)在既有結(jié)構(gòu)的約束作用下易產(chǎn)生收縮裂縫，有些為貫通裂縫，對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。已建成運(yùn)營車站的疊合墻結(jié)構(gòu)開裂和漏水現(xiàn)象比較普遍，通常需要在車站內(nèi)砌筑離壁墻，并設(shè)置專門排水溝。

目前，已建和在建的疊合裝配式車站均或多或少采用了疊合結(jié)構(gòu)。疊合裝配式結(jié)構(gòu)除了疊合結(jié)構(gòu)中的局部采用預(yù)制構(gòu)件外，其余均為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系基本等同于現(xiàn)澆原理。因此，這類裝配式結(jié)構(gòu)整體性好、剛度大、結(jié)構(gòu)拆分靈活、對結(jié)構(gòu)斷面的適應(yīng)性強(qiáng)。當(dāng)然，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段存在的種種問題其基本都存在。

地鐵車站的底板、側(cè)墻和頂板等外圍襯砌結(jié)構(gòu)，由于直接承受巨大的水土壓力作用，構(gòu)件體量較大，一般結(jié)構(gòu)厚度為500～1 000 mm，甚至更大。對于大體積混凝土的疊合結(jié)構(gòu)，收縮開裂現(xiàn)象難以避免，加上大量施工縫的存在，地下水的滲漏更難控制，且因?yàn)榀B合后隱蔽，難于檢測和修補(bǔ)。

因此，疊合結(jié)構(gòu)用于地鐵車站的襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，還需要對其開裂性能及技術(shù)措施做進(jìn)一步深入研究，分析其可行性，并高度關(guān)注施工縫的密實(shí)性及防水措施，同時(shí)研究檢測和修補(bǔ)措施。當(dāng)然，車站的中樓板、樓板梁及中間立柱等內(nèi)部結(jié)構(gòu)承載環(huán)境與地面建筑類似，疊合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是可行的，且具有一定的優(yōu)勢。

3.1.3 全預(yù)制裝配式車站結(jié)構(gòu)選型

實(shí)際工程研究和應(yīng)用表明，全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在工程質(zhì)量、防水性能、裝配率、施工效率、節(jié)省勞力、環(huán)境保護(hù)等方面具有不可替代的優(yōu)勢。但是，由于變剛度接頭的存在，使得裝配式結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為變得復(fù)雜，結(jié)構(gòu)選型和拆分受到一定的限制；同時(shí)，接頭干式連接，拼裝過程中環(huán)內(nèi)預(yù)制構(gòu)件之間的張拉和連接需要一定的作業(yè)空間，導(dǎo)致明挖基坑的寬度較現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)大，并需要采用結(jié)硬性材料對側(cè)向肥槽進(jìn)行回填，增加了基坑施工的工程量。

目前，長春、青島和深圳地鐵采用的裝配式車站均為單拱大跨結(jié)構(gòu)，適用于地質(zhì)條件相對較好的承載環(huán)境，而矩形框架結(jié)構(gòu)則具有更好的地層適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。圖34為全預(yù)制裝配式矩形框架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖34 全預(yù)制裝配式矩形框架結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)形式的確定需要根據(jù)工程地質(zhì)、環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)埋深、車站空間效果、工程造價(jià)等因素進(jìn)行多方案的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比選。例如： 青島地鐵和深圳地鐵，常常遇到地勢起伏地段，明挖地下2層車站覆土較厚，為了獲得較好的經(jīng)濟(jì)性，一般采用地下3層矩形結(jié)構(gòu)或地下2層拱形結(jié)構(gòu)，因此，在這種情況下，裝配式車站采用拱形結(jié)構(gòu)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

從目前實(shí)施的車站來看，基坑肥槽寬度一般在600 mm左右，可以通過以下措施進(jìn)行優(yōu)化。

1)優(yōu)化環(huán)向水平構(gòu)件的拆分，盡量采用整塊構(gòu)件或大構(gòu)件，取消或減少環(huán)向張拉環(huán)節(jié)；

2)優(yōu)化構(gòu)件張拉施工工藝，研究采用內(nèi)側(cè)張拉的可行性；

3)優(yōu)化接頭輔助連接裝置，在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)凈空有條件的情況下，將外置連接裝置設(shè)置在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，或采用內(nèi)置的連接方法；

4)采用經(jīng)濟(jì)型結(jié)硬性回填材料，例如： 長春地鐵采用的是低強(qiáng)度素混凝土； 青島地鐵考慮就地取材，采用在漿液中拋石的方法形成結(jié)硬性回填。

3.1.4 完善技術(shù)體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國在地鐵車站及大型地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)方面的研究和應(yīng)用才剛剛起步，規(guī)模還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，技術(shù)體系有待完善，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待形成。

在技術(shù)體系方面，早期應(yīng)用的明挖裝配式車站項(xiàng)目在接頭連接及承載特性、結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力力學(xué)行為、構(gòu)件輕量化、疊合結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)及接縫防水、構(gòu)件生產(chǎn)和施工技術(shù)等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，所形成的研究成果為技術(shù)體系發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。但仍需要在相關(guān)方面進(jìn)一步深化和完善，在結(jié)構(gòu)體系和接頭選型方面還需要不斷的豐富，并不斷拓展研究和應(yīng)用范圍，例如礦山法裝配式結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)更多的工程應(yīng)用場景。

裝配式車站等地下結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究還處于空白。編制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可固化成熟科技成果、指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用工作的開展，應(yīng)在研究及實(shí)際應(yīng)用的成熟成果的基礎(chǔ)上，積極組織編制有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)和施工驗(yàn)收方面的標(biāo)準(zhǔn)。目前，中國城市軌道交通協(xié)會(huì)已立項(xiàng)多部相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，正在編制過程中。

3.2 盡量發(fā)揮預(yù)制裝配建造技術(shù)的優(yōu)勢

不同的裝配技術(shù)均有其合理的使用范圍，技術(shù)方案的選擇應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場景條件和工程實(shí)際需求，并應(yīng)充分體現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢。

預(yù)制裝配建造技術(shù)的含義是在工廠制造構(gòu)件或部件、在現(xiàn)場進(jìn)行組裝的生產(chǎn)方式，也是工業(yè)化建造模式的核心，以實(shí)現(xiàn)建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化施工和信息化管理，并逐步朝著智能化發(fā)展，推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級。

3.2.1 提高標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化程度

城市軌道交通工程相對于地面建筑，由于個(gè)性化程度低而更加適合于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和工業(yè)化建造。標(biāo)準(zhǔn)化和盡量少的構(gòu)件類型有利于工廠化生產(chǎn)和減少模具頻繁改變而帶來的生產(chǎn)成本的增加。由于地鐵車站預(yù)制構(gòu)件體量相對較大，構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)施投入高，標(biāo)準(zhǔn)化工作不到位將直接導(dǎo)致部分生產(chǎn)設(shè)施、生產(chǎn)場地尤其是模具的使用率降低，這對構(gòu)件生產(chǎn)的成本有較大的影響。例如： 對于盾構(gòu)隧道，一環(huán)多塊，但每環(huán)通用，且一條線路管片模具統(tǒng)一，甚至多條線路統(tǒng)一，整體標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化程度非常高，因此效率高，建設(shè)成本也得以控制。

對于車站工程，由于功能的復(fù)雜性，也加大了標(biāo)準(zhǔn)化的難度，同一座城市或同一條線路，各車站之間應(yīng)統(tǒng)籌標(biāo)準(zhǔn)化策略；每座裝配式車站設(shè)計(jì)時(shí)，建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、裝修等各專業(yè)都需要突破傳統(tǒng)觀念和技術(shù)手段，按照通用化、模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的原則，全方位協(xié)同，充分體現(xiàn)裝配化的理念。例如： 車站建筑和設(shè)備的布局就不能將現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的做法全盤照搬，本來車站集散區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)的單柱雙跨結(jié)構(gòu)，到了設(shè)備區(qū)，因?yàn)榉块g和設(shè)備的布置就一定要變成雙柱3跨結(jié)構(gòu)，這樣，就導(dǎo)致1座車站需要2套標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系，或采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)替代，顯然，標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化程度就大打折扣。

3.2.2 提高結(jié)構(gòu)的裝配率

提高裝配式結(jié)構(gòu)的裝配率是發(fā)揮工業(yè)化建造模式優(yōu)勢的最直接體現(xiàn)。裝配率有2個(gè)層面的含義： 1)結(jié)構(gòu)體系的裝配率，指預(yù)制混凝土量占總混凝土量的比例，即預(yù)制構(gòu)件的使用率； 2)整個(gè)車站的裝配率，即沿車站縱向裝配段長度與車站總長度之比。套用地面裝配式建筑的裝配率分類規(guī)則，則裝配率可分為超高裝配率(70%以上)、高裝配率(50%～70%)、普通裝配率(20%～50%)、低裝配率(5%～20%)和局部使用預(yù)制構(gòu)件(小于5%)5種類型[26]。

為了盡可能地發(fā)揮工業(yè)化建造模式的優(yōu)勢，很多地方政府對地面工程項(xiàng)目的裝配率都有剛性要求。目前地下工程領(lǐng)域還未發(fā)展到這一步，但也是必然趨勢，因?yàn)榈叵鹿こ虡?biāo)準(zhǔn)化程度高，裝配率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于地面建筑。

根據(jù)目前國內(nèi)采用的“全裝配式結(jié)構(gòu)”的初步統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)體系裝配率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過70%(超高裝配率)，若不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)，則裝配率達(dá)100%；若考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)，則裝配率在84%～95%。車站的裝配率相對較低，但也超過或基本為高裝配率(50%～70%)，長春地鐵車站的裝配率最高為86%。

我國的地鐵車站設(shè)計(jì)，每座車站的兩端通常需要設(shè)置區(qū)間隧道工作井，因此在一定長度范圍內(nèi)可能出現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)斷面，需要采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將車站的風(fēng)道與區(qū)間工作井相結(jié)合，縮短非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的范圍，有效提升車站整體的裝配率。

3.2.3 研發(fā)高端施工裝備

裝配式結(jié)構(gòu)對施工裝備的依賴性很高，施工裝備的性能和控制方式直接影響到裝配施工的精度、質(zhì)量和效率。盡管目前結(jié)合實(shí)際車站的應(yīng)用已經(jīng)研發(fā)了一系列輔助施工裝備，但在裝備的自動(dòng)化和智能化方面還有很大的發(fā)展空間，伴隨裝配式結(jié)構(gòu)體系的不斷豐富，研發(fā)與之相配套的高端施工裝備是必然之選，并需要朝著數(shù)字化、信息化和智能化的方向發(fā)展。

3.2.4 提高施工效率和社會(huì)效益

明挖車站建設(shè)最大的痛點(diǎn)包括： 1)長時(shí)間占道施工，給城市道路交通產(chǎn)生較大的影響； 2)施工噪聲和粉塵污染嚴(yán)重影響居民的正常生活； 3)勞動(dòng)力緊缺。因此，需要盡量減少現(xiàn)場鋼筋綁焊、模板架立和灌筑混凝土等作業(yè)活動(dòng)。顯然，預(yù)制裝配化是提高施工效率、加快施工進(jìn)度、節(jié)省勞力、實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保行之有效的手段。

根據(jù)長春地鐵裝配式車站的初步分析，一座標(biāo)準(zhǔn)車站綜合工期可縮短4～6個(gè)月，考慮勞動(dòng)力和工期減少效益，綜合投資累計(jì)節(jié)省約1 000萬元。同時(shí)，加快建設(shè)速度不僅有利于減小施工對城市交通、用地和商業(yè)的影響，而且有利于軌道交通盡早通車、盡早發(fā)揮其改善城市交通的效益。

3.3 合理控制裝配式車站的工程造價(jià)

3.3.1 我國地面裝配式建筑工程造價(jià)分析

預(yù)制混凝土構(gòu)件因受生產(chǎn)工藝和模具投入等因素的影響，其單價(jià)一般均要高于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。地面建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)成本與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)成本的對比如表2所示。按照構(gòu)件類型比較，樓板類結(jié)構(gòu)構(gòu)件成本比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)高54%，矩形梁構(gòu)件成本比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)高69%，樓梯構(gòu)件成本比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)高57%。導(dǎo)致造價(jià)高的原因主要是材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)和稅費(fèi)3個(gè)方面。

綜合考慮地面建筑工程的裝配率對預(yù)制構(gòu)件造價(jià)增加的“中和”效應(yīng)，地面裝配式建筑的工程造價(jià)增加幅度為500～600元/m2，綜合造價(jià)比常規(guī)建筑增加幅度為20%～25%。

表2 地面建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)成本與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)成本對比

3.3.2 我國裝配式地鐵車站工程造價(jià)分析

通過對已建和在建的全預(yù)制裝配式車站造價(jià)進(jìn)行初步測算可知，各城市裝配式車站土建工程造價(jià)總體上均高于同規(guī)模的明挖現(xiàn)澆車站，造價(jià)增加的幅度為10%～20%，增加幅度比地面裝配式建筑略低。初步分析，導(dǎo)致裝配式車站工程造價(jià)偏高的原因主要有以下3個(gè)方面。

1)預(yù)制混凝土造價(jià)高于現(xiàn)澆混凝土。市政工程多種預(yù)制構(gòu)件初步測算單價(jià)對比見表3。由于裝配式車站構(gòu)件體量大，制作工藝相對復(fù)雜，建廠成本高，因而構(gòu)件的單價(jià)也略高于其他市政工程的預(yù)制構(gòu)件。

2)應(yīng)用數(shù)量少，建廠成本攤銷高。預(yù)制廠建設(shè)成本攤銷直接影響裝配式結(jié)構(gòu)的造價(jià)。按照新建構(gòu)件廠考慮，以車站數(shù)量不同計(jì)算每環(huán)構(gòu)件的成本攤銷費(fèi)用，初步估算為： ①按30座車站計(jì)算，構(gòu)件攤銷費(fèi)用約7.4萬元； ②按20座車站計(jì)算，構(gòu)件攤銷費(fèi)用約11.1萬元； ③按10座車站計(jì)算，構(gòu)件攤銷費(fèi)用約22.2萬元。

表3 市政工程多種預(yù)制構(gòu)件初步測算單價(jià)對比

3)稅費(fèi)影響。采用預(yù)制裝配技術(shù)與現(xiàn)澆混凝土技術(shù)所繳納的稅費(fèi)不同。構(gòu)件在工廠生產(chǎn)，企業(yè)需要繳納16%的增值稅，同時(shí)，構(gòu)件從工廠運(yùn)至現(xiàn)場還需要增加運(yùn)輸費(fèi)用； 而對于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，施工企業(yè)僅需繳納10%的增值稅[27]。

3.3.3 降低工程造價(jià)的主要措施

有效控制裝配式車站的工程造價(jià)有助于更大范圍的推廣應(yīng)用，降低工程造價(jià)的主要措施有：

1)在國家積極倡導(dǎo)裝配式建造技術(shù)的大背景下，期待能夠取得政府的支持，減免部分稅費(fèi)；

2)優(yōu)化技術(shù)方案和工程設(shè)計(jì)；

3)盡量加大裝配式結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用數(shù)量，降低成本攤銷費(fèi)等。

4 結(jié)論與體會(huì)

我國裝配式地鐵車站從無到有、從單一的建造模式到多模式共存，目前已形成近40座裝配式車站建設(shè)集群，我國的裝配式車站建造技術(shù)正逐步向以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、制作工廠化、施工機(jī)械自動(dòng)化、管理信息化等為核心的工業(yè)化建造理念和建造模式邁進(jìn)。

但目前仍存在不少問題亟待解決，我國裝配式車站建造技術(shù)剛剛起步，技術(shù)體系有待完善，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待形成； 技術(shù)路線和工程方案需要針對地下工程的特點(diǎn)因地制宜地決策； 在提高標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化程度、提高結(jié)構(gòu)裝配率、研發(fā)高端施工裝備、提高施工效率和社會(huì)效益等方面，應(yīng)充分發(fā)揮預(yù)制裝配建造技術(shù)的優(yōu)勢； 同時(shí)，我國裝配式地鐵車站造價(jià)偏高，需要通過減免部分稅費(fèi)、優(yōu)化技術(shù)方案和工程設(shè)計(jì)、盡量加大工程應(yīng)用數(shù)量、降低成本攤銷費(fèi)等途徑有效降低工程造價(jià)。

雖然國家在積極倡導(dǎo)建筑裝配化，但我們都清楚地認(rèn)識到，裝配化的進(jìn)程還需要克服許多阻力和障礙，包括傳統(tǒng)理念、粗放的建設(shè)模式、建設(shè)成本、新課題、新人才等。總之，預(yù)制裝配技術(shù)的發(fā)展任重道遠(yuǎn)，需要整個(gè)行業(yè)和全社會(huì)共同面對，并為之不斷努力和付出。