城市軌道交通明挖裝配式地下結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)及方法

楊秀仁

(1. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司， 北京 100037;2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程研究中心， 北京 100037)

0 引言

城市軌道交通等市政地下工程一般為線長形的箱型框架結(jié)構(gòu)或隧道結(jié)構(gòu)，型式較為單一，標(biāo)準化程度高，采用預(yù)制裝配式建造技術(shù)能取得很好的技術(shù)經(jīng)濟和社會效益。

盾構(gòu)隧道是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的預(yù)制裝配式地下結(jié)構(gòu)，發(fā)展至今已有百余年的歷史[1]。20世紀70年代起，前蘇聯(lián)聯(lián)邦國家為了解決冬季施工問題，在明挖法和礦山法施工的地鐵車站和區(qū)間工程中相繼采用了預(yù)制裝配式建造技術(shù)[2]。2018年，我國首批明挖裝配式地鐵車站在長春地鐵2號線成功建成順利通車運營，并在后續(xù)工程及青島、深圳等地鐵工程中得到推廣應(yīng)用。目前，國內(nèi)已建和在建車站數(shù)量達30座[3]。

長春地鐵裝配式車站為地下2層單拱大跨隧道結(jié)構(gòu)，如圖1所示。將結(jié)構(gòu)縱向拆分成若干環(huán)寬2 m的標(biāo)準結(jié)構(gòu)環(huán)，每個結(jié)構(gòu)環(huán)再拆分為7塊標(biāo)準構(gòu)件，全部構(gòu)件在工廠預(yù)制并運至現(xiàn)場，在明挖基坑內(nèi)拼裝形成結(jié)構(gòu)。預(yù)制構(gòu)件在環(huán)向和縱向均采用了干式榫槽接頭進行快速、可靠連接，連接接縫采取密封防水措施，車站結(jié)構(gòu)外無需設(shè)置外包防水層[4]。

圖1 長春地鐵裝配式車站結(jié)構(gòu)示意圖

預(yù)制裝配技術(shù)為地鐵車站提供了一種全新的工業(yè)化建造模式，在工程質(zhì)量、施工效率、施工速度、節(jié)省勞力、環(huán)保低碳等方面具有顯著的優(yōu)勢[4]。這項技術(shù)不僅能夠幫助嚴寒地區(qū)解決冬季施工問題，同樣也適用于其他地區(qū)的工程建設(shè)。除了城市軌道交通的明挖車站外，還適用于明挖區(qū)間隧道、出入口通道和風(fēng)道等地下結(jié)構(gòu)，以及市政工程的道路隧道、綜合管廊、人行過街道等明挖地下工程，應(yīng)用非常廣泛。

然而，與盾構(gòu)隧道相比，我國明挖地下工程預(yù)制裝配技術(shù)的研究和應(yīng)用工作才剛剛起步。由于結(jié)構(gòu)型式、受力特點、施工工藝等方面與盾構(gòu)隧道存在較大的差異，因此，明挖條件下的地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)方案應(yīng)有不同的解決思路和方法，并建立新的技術(shù)體系。本文結(jié)合筆者多年在地下工程預(yù)制裝配技術(shù)理論和試驗研究及實際工程應(yīng)用中的收獲和經(jīng)驗，對明挖裝配式地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)和方法進行總結(jié)和論述，以期為行業(yè)今后開展預(yù)制裝配式地下工程建設(shè)工作提供一定的參考和指導(dǎo)。

1 總體技術(shù)要求

1.1 設(shè)計基本原則

結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循“結(jié)構(gòu)為功能服務(wù)”的基本原則，滿足城市規(guī)劃、環(huán)境保護、抗震、防護、防水、防火、防腐蝕及施工工藝等要求[5]，作為裝配式結(jié)構(gòu)也不例外。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)是在工廠生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后，通過可靠的連接方式裝配形成承載結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)場內(nèi)施工方式向場外的轉(zhuǎn)移，也是建筑工程建造方式的重大變革。變革的核心思想是要實現(xiàn)裝配式建筑的標(biāo)準化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理及智能化應(yīng)用[6]。

顯然，裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計除了需要執(zhí)行上述的基本原則外，還需要通過系統(tǒng)集成的方法，統(tǒng)籌設(shè)計、生產(chǎn)運輸、施工裝配、建筑設(shè)備安裝和裝修，實現(xiàn)全過程的協(xié)同，加強建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、裝修等專業(yè)之間的有機配合，按照通用化、模數(shù)化、標(biāo)準化、快速施工的原則[6]，全方位體現(xiàn)裝配化技術(shù)的綠色環(huán)保及工業(yè)化的建造理念。

1.2 設(shè)計基本規(guī)定

城市軌道交通或市政地下工程，基本以箱型框架或隧道結(jié)構(gòu)為主。對于裝配式地下結(jié)構(gòu)，在滿足建筑功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合預(yù)制裝配技術(shù)的特點，融合線路、建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備管線及裝修等多專業(yè)進行裝配化集成設(shè)計，制定相應(yīng)的技術(shù)要求。設(shè)計基本規(guī)定如下：

1)裝配式地下結(jié)構(gòu)平面形狀宜簡單、規(guī)則、對稱。對于地下車站、風(fēng)道、人行通道、道路隧道等長度有限的建筑，其平面宜布置在直線段； 當(dāng)?shù)罔F區(qū)間、管廊或管線等超長建筑位于曲線地段時，平面曲線半徑宜與結(jié)構(gòu)的寬度、拼縫寬度控制要求和防水性能要求相匹配。設(shè)置豎曲線時，可參照平曲線的控制要素綜合確定豎曲線半徑大小。

2)應(yīng)根據(jù)周邊環(huán)境條件、市政用地規(guī)劃要求、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況、結(jié)構(gòu)受力、工程造價等因素，合理確定裝配式結(jié)構(gòu)的埋深，且應(yīng)將裝配式結(jié)構(gòu)座落在穩(wěn)定、均勻的地基上。

3)裝配式地下結(jié)構(gòu)的橫斷面宜采用對稱或基本對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度分布宜均勻，不應(yīng)采用嚴重不規(guī)則的布置。

4)同一單體建筑的裝配式地下結(jié)構(gòu)，平面和橫斷面的結(jié)構(gòu)型式和尺度宜一致，不同單體建筑裝配式結(jié)構(gòu)之間的連接可通過現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)或異形預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)進行過渡。

5)當(dāng)裝配式結(jié)構(gòu)需要設(shè)置外部連接通道時，通道接口宜模塊化布置，并可通過預(yù)制環(huán)框構(gòu)件或現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)與外部連接通道相連接。

6)裝配式地鐵車站宜通過將車站風(fēng)道與區(qū)間隧道施工工作井相結(jié)合的方式，減小車站兩端非標(biāo)準段的長度，加大中部標(biāo)準裝配段長度，提高車站結(jié)構(gòu)的裝配率。

7)設(shè)備管線應(yīng)進行綜合設(shè)計，管線宜集中布置、減少交叉，并應(yīng)滿足維修更換的要求。

8)構(gòu)件預(yù)制時，宜為直接安裝或吊掛于結(jié)構(gòu)上的設(shè)備、管線、裝飾材料等預(yù)埋安裝連接件或預(yù)留安裝條件，預(yù)留預(yù)埋設(shè)計應(yīng)標(biāo)準化，后期施工不宜在預(yù)制構(gòu)件上打孔安裝連接件。

1.3 設(shè)計主要內(nèi)容

通過上述的基本原則和基本規(guī)定可以看到，裝配式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，其設(shè)計難度大、要求高，設(shè)計內(nèi)容也相對豐富，主要包含：

1)方案設(shè)計，包括建筑設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)體系選型。

2)連接接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括接頭結(jié)構(gòu)選型、承載能力和變形計算分析、接頭構(gòu)造設(shè)計等。

3)裝配式結(jié)構(gòu)整體作用效應(yīng)分析，結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析。

4)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計，包括構(gòu)件材料及型式、承載能力和變形計算、結(jié)構(gòu)配筋及構(gòu)造設(shè)計等。

5)結(jié)構(gòu)體系防水設(shè)計，包括防水原則、結(jié)構(gòu)自防水、接縫防水等。

6)明挖基坑工程設(shè)計。

7)裝配施工技術(shù)方案設(shè)計，包括基底精平系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、預(yù)緊系統(tǒng)、支頂系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)等。

8)預(yù)制構(gòu)件制作(含預(yù)埋)、運輸、吊運安裝等技術(shù)要求。

9)施工安全風(fēng)險控制和監(jiān)控量測設(shè)計。

2 裝配式地下結(jié)構(gòu)體系的確定

結(jié)構(gòu)體系的確定是裝配式地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)型式應(yīng)結(jié)合建筑功能需求，并根據(jù)工程地質(zhì)和環(huán)境條件、受力環(huán)境及特征、結(jié)構(gòu)埋深、施工工藝等因素綜合確定。裝配式結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵要素主要包括連接接頭、襯砌結(jié)構(gòu)型式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式等。

2.1 連接接頭

預(yù)制構(gòu)件連接接頭是裝配式結(jié)構(gòu)體系中最為關(guān)鍵的要素，接頭型式關(guān)系到結(jié)構(gòu)的承載性能、抗震性能、防水性能及施工工藝和效率。從接頭的力學(xué)性能來分，裝配式結(jié)構(gòu)的連接接頭可分為剛性接頭和柔性接頭，其中柔性接頭可分為變剛度接頭和鉸接接頭； 從接頭施工工藝來分，有干式連接接頭和濕式連接接頭； 從接頭構(gòu)造型式來分，有現(xiàn)澆鋼筋混凝土連接接頭、平板接頭、多棱形接頭、榫槽式接頭、球形及各種曲面接頭等多種型式。

2.1.1 剛性接頭

所謂的剛性接頭，是指不能承受一定量的軸向線變位和相對角變位的連接接頭，反映接頭材料的抗彈性變形的能力，接頭剛度與連接構(gòu)件的剛度相匹配，即基本等剛度，連接后的結(jié)構(gòu)在各種設(shè)計狀況下，可采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法進行整體作用分析，即等同現(xiàn)澆原理[7]。

剛性接頭有濕式鋼筋混凝土連續(xù)接頭和干式鋼結(jié)構(gòu)接頭2類。濕式接頭主要是構(gòu)件縱向鋼筋通過機械、套筒灌漿、漿錨搭接、焊接、綁扎搭接等方式連接，并在連接部位二次現(xiàn)澆混凝土。干式鋼結(jié)構(gòu)接頭是在接頭接縫處通過預(yù)埋的鋼結(jié)構(gòu)進行有效連接，在滿足結(jié)構(gòu)剛性連接性能要求的同時，實現(xiàn)現(xiàn)場快速拼裝[7]。典型的濕式剛性連接接頭如圖2所示。

圖2 套筒灌漿連接接頭示意圖

目前，地面裝配式結(jié)構(gòu)基本上采用濕式鋼筋混凝土連續(xù)接頭，而干式鋼結(jié)構(gòu)接頭較少應(yīng)用。剛性接頭的設(shè)計要點如下：

1)剛性接頭的承載力和整體剛度不應(yīng)低于相連接的預(yù)制構(gòu)件。

2)剛性接頭宜設(shè)置在結(jié)構(gòu)彎矩和剪力較小的部位。

3)節(jié)點鋼筋和預(yù)埋件不宜過多，連接后應(yīng)能盡快承受荷載作用。

2.1.2 柔性接頭

柔性接頭即非剛性接頭，包括變剛度接頭和鉸接接頭。其中，鉸接接頭視為零剛度接頭，容許接頭自由轉(zhuǎn)動，不具有抗彎能力，這種接頭結(jié)構(gòu)受力簡單、明確，如搭接接頭、球形點接頭等。

變剛度接頭是指在接頭接觸面有軸力壓緊的情況下，接頭的剛度隨接頭的內(nèi)力環(huán)境(軸力和彎矩)變化而變化。變剛度接頭一般為干式連接型式，可選擇的類型較多，主要有平板接頭、搭接接頭、榫槽接頭、球形接頭及各種曲面接頭等型式。盾構(gòu)隧道管片接頭就是最常見的變剛度接頭，長春地鐵2號線裝配式車站結(jié)構(gòu)采用的注漿式榫槽接頭也屬于變剛度接頭。柔性接頭原理及榫槽接頭示意如圖3所示。

(a) 柔性接頭原理 (b) 榫槽接頭

變剛度接頭的剛度受內(nèi)力及接頭構(gòu)造的影響，力學(xué)行為相對復(fù)雜。變剛度接頭的設(shè)計要點如下：

1)應(yīng)根據(jù)地下結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)受力、構(gòu)件制作及運輸、拼裝工藝等要求，合理確定接頭的位置。

2)變剛度接頭的剛度和承載能力應(yīng)根據(jù)其承載特性、構(gòu)造特點和不同階段的實際受力狀態(tài)進行計算，接頭受力和變形應(yīng)保持在其合理的承載區(qū)間之內(nèi)。設(shè)計接頭的驗算內(nèi)容包括抗彎承載能力、抗剪承載能力、接觸面承壓性能、相對轉(zhuǎn)角變形等。

3)進行各計算工況結(jié)構(gòu)整體作用效應(yīng)分析時，應(yīng)計入接頭變剛度性能及其接頭彎矩釋放對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，通過內(nèi)力—初始剛度—調(diào)整內(nèi)力—接頭剛度調(diào)整等步驟的反復(fù)迭代計算，使接頭的剛度和受力趨于穩(wěn)定。

4)明挖裝配式地下結(jié)構(gòu)施工期間的結(jié)構(gòu)體系和受力是不斷變化的，因此，對于變剛度接頭，應(yīng)按其在施工全過程和使用期間的各種作用效應(yīng)，在不利組合下的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設(shè)計和驗算，確保滿足受力和變形的要求。

2.1.3 連接接頭的選擇

無論何種接頭型式，均應(yīng)根據(jù)所采用的結(jié)構(gòu)類型、接頭的部位及其受力特點、防水性能要求、拼裝工藝、拼裝作業(yè)環(huán)境等因素進行選擇。

城市軌道交通或市政工程的襯砌結(jié)構(gòu)需要承受周圍巨大的水土壓力作用，是典型的偏心壓彎結(jié)構(gòu)，一般構(gòu)件體量較大、含鋼量較多，明挖基坑有限的作業(yè)空間內(nèi)，接頭濕式剛性連接的可操作性差、效率低； 同時，大量的密集現(xiàn)澆施工縫的存在，使得結(jié)構(gòu)防水性能難以控制。因此，不宜采用濕式剛性接頭型式，建議采用干式柔性接頭。

長春地鐵采用的注漿式榫槽接頭(見圖4)是以榫槽式連接為基礎(chǔ)，通過縫隙內(nèi)灌注漿液彌合接縫，以可靠地傳遞軸力和咬合剪力，強化彎曲抵抗作用及抗變形能力，是典型的變剛度結(jié)構(gòu)，在不同的荷載氛圍下呈現(xiàn)不同的剛度屬性，這一特性可有效調(diào)節(jié)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力幅值和結(jié)構(gòu)的抗震性能[8-14]。

(a) 單榫接頭 (b) 雙榫接頭

通過大量的理論分析和原型試驗研究，并通過實際工程應(yīng)用檢驗可知，注漿式榫槽接頭在受力特性、抗震性能、防水性能和方便拼裝等方面優(yōu)勢明顯，能達到預(yù)期的使用效果，實現(xiàn)了整體無現(xiàn)澆混凝土濕作業(yè)的“全裝配式結(jié)構(gòu)”目標(biāo)[4]。

圍合在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)的裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要為樓板、梁和立柱結(jié)構(gòu)，承載環(huán)境類似地面建筑，預(yù)制構(gòu)件之間的連接，考慮構(gòu)件受力要求和方便施工等因素，可選擇采用剛性或柔性接頭，一般情況下可不考慮防水性能要求。

2.2 結(jié)構(gòu)型式

2.2.1 裝配式箱型框架或隧道結(jié)構(gòu)

城市軌道交通或市政工程明挖箱型框架結(jié)構(gòu)或隧道結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用預(yù)制裝配技術(shù)建造時，其結(jié)構(gòu)型式可為矩形或拱形，可以是單層或多層、單跨或多跨結(jié)構(gòu)?？紤]到拼裝時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，明挖裝配式結(jié)構(gòu)不宜采用圓形結(jié)構(gòu)。

裝配式箱型框架或隧道結(jié)構(gòu)，是將結(jié)構(gòu)在縱向拆分成若干個標(biāo)準的結(jié)構(gòu)環(huán)，在環(huán)向再根據(jù)需要將每個結(jié)構(gòu)環(huán)拆分成若干個標(biāo)準構(gòu)件； 當(dāng)結(jié)構(gòu)斷面較小時，也可采用整環(huán)不分塊的管節(jié)式結(jié)構(gòu)，環(huán)內(nèi)無需設(shè)置接頭。所有構(gòu)件均在工廠制作并運至現(xiàn)場，采用機械化方式將構(gòu)件拼裝，形成裝配式地下結(jié)構(gòu)。裝配體系的確定方法要點如下：

1)對于單線區(qū)間隧道或風(fēng)道、人行通道、地下管道等小型地下結(jié)構(gòu)，在滿足預(yù)制構(gòu)件制作、運輸和吊裝條件的情況下，宜優(yōu)先采用整環(huán)管節(jié)型式； 對于雙線區(qū)間隧道或雙孔及多孔綜合管廊等地下結(jié)構(gòu)，也可采用各單孔結(jié)構(gòu)獨立管節(jié)、貼壁相鄰拼裝的型式。前蘇聯(lián)采用的區(qū)間隧道管節(jié)拼裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 區(qū)間隧道管節(jié)拼裝結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

2)對于型式復(fù)雜、規(guī)模較大的地鐵車站、雙線和折返線區(qū)間、大型風(fēng)道及人行通道、大型綜合管廊等地下結(jié)構(gòu)，宜采用環(huán)內(nèi)分塊拼裝型式，類似于盾構(gòu)隧道的管片襯砌隧道結(jié)構(gòu)。

3)當(dāng)裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的頂板或底板采用拱形結(jié)構(gòu)時，應(yīng)選擇合理的矢跨比。根據(jù)頂板和底板的約束條件、受力要求，矢跨比宜控制在1/10～1/5。

4)整環(huán)管節(jié)式及分塊拼裝式結(jié)構(gòu)環(huán)的寬度尺寸應(yīng)根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的制作和運輸條件確定，原則上環(huán)寬宜大不宜小，一般環(huán)寬不宜小于1.5 m。

2.2.2 拼裝環(huán)結(jié)構(gòu)拆分及構(gòu)件設(shè)計

分塊拼裝式結(jié)構(gòu)的拆分需要考慮的因素較多，除了要滿足預(yù)制構(gòu)件制作、運輸、堆放、吊裝、拼接及質(zhì)量控制等要求外，還要考慮接頭連接形式、結(jié)構(gòu)受力的合理性，確保結(jié)構(gòu)體系在拼裝全過程及使用期間能滿足穩(wěn)定性、承載能力和變形要求。拼裝環(huán)結(jié)構(gòu)拆分及構(gòu)件設(shè)計方法如下[15]：

1)結(jié)構(gòu)拆分應(yīng)首先滿足結(jié)構(gòu)體系受力穩(wěn)定性要求，此時應(yīng)考慮地層與結(jié)構(gòu)之間的相互約束和相互作用對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的貢獻，并驗算不利的荷載變異因素(如偏載、外部工程活動卸載等)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

2)結(jié)構(gòu)拆分時應(yīng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)襯砌結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分塊和布置方式，構(gòu)件可采用直線形、弧形、折線形、T字形等多種型式，構(gòu)件型式和尺度應(yīng)滿足制作工藝、運輸條件及吊裝穩(wěn)定性的要求。

3)宜采用大構(gòu)件、少分塊的原則，并做到模數(shù)化、標(biāo)準化、少規(guī)格； 襯砌結(jié)構(gòu)的縱向接縫可采用通縫或錯縫2種拼裝形式。

4)構(gòu)件截面根據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)受力、接頭構(gòu)造、建筑裝飾及輕量化設(shè)計要求確定。對于襯砌結(jié)構(gòu)，宜采用矩形、槽形及閉腔薄壁等型式，不宜采用T形、I形和倒L形。

2.2.3 裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)板、梁、柱的布置宜模塊化，總體要求柱網(wǎng)尺寸統(tǒng)一，柱列縱橫向貫通； 承重墻、立柱等豎向承載構(gòu)件上下對齊且連續(xù)； 樓板孔洞的平面對齊、成列布置，其平面位置和尺寸在滿足建筑功能要求的前提下，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力及預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計要求。裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計方法如下：

1)當(dāng)采用樓板-墻體系時，宜與襯砌結(jié)構(gòu)統(tǒng)籌考慮其環(huán)向和縱向的分塊及拼裝連接方式，內(nèi)外結(jié)構(gòu)的縱向環(huán)寬尺度應(yīng)統(tǒng)一。

2)當(dāng)采用樓板-梁-柱體系時，可自成體系，根據(jù)柱網(wǎng)布置特點，采用橫向或縱橫向相結(jié)合的承載體系。

3)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與襯砌結(jié)構(gòu)之間以及內(nèi)部預(yù)制構(gòu)件之間應(yīng)有可靠連接，連接節(jié)點的傳力路徑應(yīng)明確，接頭接縫可不考慮防水措施。

4)樓板和梁等水平結(jié)構(gòu)，根據(jù)樓板開洞和受力需要，可采用全預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)、疊合結(jié)構(gòu)或局部現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

3 明挖裝配式結(jié)構(gòu)基坑工程

由于裝配式地下結(jié)構(gòu)在拼裝施工工藝和結(jié)構(gòu)受力特性方面與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)存在較大的差異，因此，明挖裝配式結(jié)構(gòu)基坑工程的設(shè)計除了依據(jù)國家、行業(yè)及地方相關(guān)技術(shù)標(biāo)準和當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)經(jīng)驗進行外，還有其特殊性。

3.1 基坑支護結(jié)構(gòu)的選型

基坑支護結(jié)構(gòu)的選型除了需要考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況、環(huán)境條件、基坑深度等因素外，還應(yīng)結(jié)合裝配式地下結(jié)構(gòu)的型式綜合確定。一般情況下，采用錨桿(索)或內(nèi)支撐體系下的樁墻支護、噴錨支護、鋼管樁支護及吊腳樁組合支護等直立式支護結(jié)構(gòu)，均可適用于建造整環(huán)管節(jié)式和分塊拼裝式的裝配式結(jié)構(gòu)； 而放坡或土釘墻基坑支護，較適用于整環(huán)管節(jié)型式的裝配式結(jié)構(gòu)； 當(dāng)放坡或土釘墻基坑支護用于分塊拼裝式結(jié)構(gòu)時，需要采取措施有效控制結(jié)構(gòu)拼裝過程的穩(wěn)定性。

3.2 基坑開挖寬度的確定

放坡或土釘墻基坑的拼裝作業(yè)空間大且靈活，用于裝配式結(jié)構(gòu)的拼裝條件較好，一般情況下基坑開挖寬度無需放大或做特殊處理。而對于直立式邊坡基坑，開挖寬度應(yīng)在裝配式結(jié)構(gòu)總寬度的基礎(chǔ)上，綜合考慮構(gòu)件吊運、拼裝作業(yè)空間、施工工藝要求、支護結(jié)構(gòu)錨頭和圍檁占用空間等因素，給予一定的肥槽裕量，裕量取值可參考下列方式選取[16]：

1)整環(huán)或整塊構(gòu)件吊運拼裝時，基坑兩側(cè)各加寬裕量不宜小于100 mm。

2)當(dāng)襯砌側(cè)墻外設(shè)置環(huán)內(nèi)接頭連接凸臺時，基坑側(cè)壁至襯砌側(cè)墻之間的螺栓連接作業(yè)空間不宜小于600 mm(見圖6)。因此，如果結(jié)構(gòu)內(nèi)部有空間，建議將連接裝置設(shè)置在側(cè)墻內(nèi)側(cè)或構(gòu)件內(nèi)部，可減少基坑肥槽的寬度。

圖6 構(gòu)件凸臺螺栓緊固作業(yè)空間示意圖

3)當(dāng)?shù)装?、樓板或頂板等水平?gòu)件采用分塊拼裝時，需要考慮橫向張拉鎖緊工藝要求，外側(cè)作業(yè)空間寬度不宜小于800 mm(見圖7)，或考慮采取內(nèi)部張拉措施，可減少基坑肥槽寬度。

圖7 橫向張拉鎖緊作業(yè)空間示意圖

3.3 樁墻+內(nèi)支撐體系基坑工程設(shè)計

城市軌道交通或市政地下工程的明挖基坑平面基本為窄條形，在土層基坑工程中，大多適宜采用內(nèi)支撐體系。在設(shè)置了內(nèi)支撐的基坑中進行裝配式結(jié)構(gòu)的拼裝作業(yè)是一種挑戰(zhàn)。內(nèi)支撐的布置除了需要滿足支護結(jié)構(gòu)受力及土方開挖等要求外，還應(yīng)滿足預(yù)制構(gòu)件吊運和拼裝工藝操作空間要求，基本規(guī)定如下：

1)每層內(nèi)支撐應(yīng)設(shè)置在同一水平面內(nèi)，各層內(nèi)支撐應(yīng)設(shè)置在同一豎向平面內(nèi)。

2)內(nèi)支撐的水平間距應(yīng)結(jié)合預(yù)制構(gòu)件的環(huán)寬、環(huán)向和縱向拼裝工藝要求合理確定，內(nèi)支撐的水平凈距不應(yīng)小于構(gòu)件環(huán)寬，且應(yīng)考慮安全吊裝等因素留出一定的裕量。

3)內(nèi)支撐的豎向布置除了結(jié)合預(yù)制構(gòu)件的高度及拼裝工藝要求外，還應(yīng)考慮已拼裝就位的結(jié)構(gòu)與支撐拆除時的受力轉(zhuǎn)換作用。

4)當(dāng)內(nèi)支撐妨礙預(yù)制構(gòu)件拼裝時，宜采取先加撐后拆除的原則進行內(nèi)支撐倒換，并利用已拼裝就位的結(jié)構(gòu)作為支撐，提供后續(xù)內(nèi)支撐拆除的條件。

5)當(dāng)利用已拼裝就位的結(jié)構(gòu)作為施工階段基坑支護結(jié)構(gòu)的剛性支點時，基坑側(cè)壁與結(jié)構(gòu)之間應(yīng)設(shè)置剛性接續(xù)撐，接續(xù)撐軸線應(yīng)與作為支撐的結(jié)構(gòu)軸線對正。

6)當(dāng)利用頂拱和仰拱作為支撐使用時，應(yīng)驗算最不利工況時能提供的軸力是否滿足要求。

3.4 基坑回填

裝配式地下結(jié)構(gòu)的基坑回填應(yīng)引起足夠的重視，回填材料、回填時機及回填方式均會對結(jié)構(gòu)和接頭的受力和變形產(chǎn)生較大的影響。基坑回填基本要求如下：

1)基坑側(cè)壁與襯砌側(cè)墻之間的肥槽及結(jié)構(gòu)頂部應(yīng)及時回填，并對稱施作。

2)對于采用剛性接頭或整環(huán)管節(jié)裝配式結(jié)構(gòu)，側(cè)壁肥槽回填可采用常規(guī)回填材料。

3)對于采用柔性接頭的環(huán)向分塊拼裝式結(jié)構(gòu)，側(cè)壁肥槽回填應(yīng)采用結(jié)硬性材料，并分多級填筑； 回填材料結(jié)硬后方可進行下一級回填，每一級的回填高度應(yīng)通過驗算接頭受力和已拼裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性后確定； 肥槽硬性回填的總高度應(yīng)能夠覆蓋側(cè)墻最頂部的接頭節(jié)點，且應(yīng)高于接頭接縫不小于1.0 m。

4)當(dāng)基坑采用放坡、土釘墻等支護形式時，基坑底部不小于1.0 m高的范圍內(nèi)，宜采用結(jié)硬性材料回填，以上部分可采用常規(guī)回填材料回填。

5)裝配式結(jié)構(gòu)頂部應(yīng)采用不小于0.5 m厚的三七灰土回填，以上部分可采用常規(guī)回填材料回填。

6)結(jié)硬性回填應(yīng)采用低強度等級的素混凝土、毛石混凝土、級配砂石灌漿等材料； 常規(guī)回填應(yīng)采用高密實性、低滲透率材料，并滿足填料含水率、回填碾壓密實度等相關(guān)技術(shù)要求。

4 裝配式地下結(jié)構(gòu)防水

針對城市軌道交通或市政等地下工程的防水設(shè)計，國家、行業(yè)已發(fā)布了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準，作為明挖裝配式地下結(jié)構(gòu)，其中的一般規(guī)定、混凝土結(jié)構(gòu)自防水以及盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)防水等標(biāo)準要求均可參考執(zhí)行。由于明挖施工條件下建造的裝配式地下結(jié)構(gòu)與同為裝配式結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)隧道在接頭型式、施工工藝等方面存在較大差異，本文僅補充設(shè)計時需要考慮的其他幾點建議[17]。

4.1 基本規(guī)定

明挖裝配式地下結(jié)構(gòu)的防水應(yīng)以結(jié)構(gòu)自防水為根本，以構(gòu)件接縫防水為重點，并采取與其相適應(yīng)的防水措施。因此，連接接頭的設(shè)計和構(gòu)造除了滿足結(jié)構(gòu)受力和拼裝工藝要求外，還應(yīng)滿足防水和耐久性要求。

1)接縫防水措施應(yīng)與接頭結(jié)構(gòu)和構(gòu)造相適應(yīng)，防水做法應(yīng)嚴密、交圈和無滲漏薄弱點，接頭的鎖緊連接裝置原則上應(yīng)不穿越防水措施帶，如無法做到時，應(yīng)單獨采取密封防水措施。

2)裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的干式柔性接頭接縫，應(yīng)設(shè)置至少1道橡膠密封墊，密封墊的防水性能應(yīng)滿足規(guī)范相關(guān)要求，同時，接縫宜采用適合的材料進行填充，除了保證干式接縫傳力外，還可強化接縫的防水性能。

3)采用柔性接頭的裝配式襯砌結(jié)構(gòu)可不設(shè)置外包防水層。

4)當(dāng)裝配式襯砌結(jié)構(gòu)采用濕式連接的剛性接頭時，應(yīng)確保后澆混凝土的密實防水性，同時預(yù)制構(gòu)件接縫端面應(yīng)粘貼至少1道遇水膨脹橡膠止水帶； 襯砌結(jié)構(gòu)宜設(shè)置外包防水層，外包防水層的做法應(yīng)與裝配式地下結(jié)構(gòu)的特點和拼裝工藝相適應(yīng)。

4.2 注漿式榫槽接頭的接縫防水

長春地鐵裝配式車站襯砌結(jié)構(gòu)采用了注漿式榫槽接頭，從實際工程的應(yīng)用情況來看，采用該接頭不僅施工快速、連接可靠，而且車站結(jié)構(gòu)接縫無滲漏現(xiàn)象，應(yīng)用效果較好。長春地鐵注漿式榫槽接頭接縫防水示意[17]如圖8所示。該接縫防水設(shè)計主要技術(shù)如下：

1)根據(jù)構(gòu)件拼裝接縫控制和拼裝誤差調(diào)整要求，最不利工況下接頭接縫的最大張開量不大于7 mm，拼裝錯臺量不大于5 mm。

2)接頭接縫處設(shè)置了2道完全閉合的復(fù)合膨脹橡膠密封墊。

3)接頭接縫處預(yù)留一定的間隙，該間隙在結(jié)構(gòu)拼裝完成后、基坑回填之前，采用石英粉改性環(huán)氧樹脂進行了注漿填充。

4)在隧道內(nèi)側(cè)的預(yù)制構(gòu)件拼縫處設(shè)置了凹槽，后期進行嵌縫防水處理。

5 結(jié)語

作為系統(tǒng)龐大的明挖條件下的地下工程預(yù)制裝配建造技術(shù)，其設(shè)計技術(shù)和設(shè)計方法除了本文涉及的結(jié)構(gòu)選型、基坑工程、結(jié)構(gòu)防水等相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容之外，尚有更加具體和深入的接頭設(shè)計、結(jié)構(gòu)整體計算分析、結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件制作和施工技術(shù)要求等相關(guān)內(nèi)容，由于文章篇幅有限，不能一一詳述。經(jīng)過近10年的研發(fā)和工程實際應(yīng)用，該技術(shù)取得了一系列重要成果，在新技術(shù)研究并成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的技術(shù)體系是推動新技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的重要基石。目前，明挖預(yù)制裝配式地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計、生產(chǎn)、施工等成套技術(shù)體系已基本形成，獲批的中國城市軌道交通協(xié)會團體標(biāo)準正在編制中，以期為行業(yè)在預(yù)制裝配式工程建設(shè)中，貫徹執(zhí)行國家的技術(shù)經(jīng)濟政策，統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準，做到安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理提供全方位的技術(shù)支撐。