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地铁车站预制装配新技术 研究策略 杨秀仁 黄美群 杨秀仁，教授级高级工程师，全国工程勘察设计大师，从事城市轨道交通设计研究工作，现任北京城建设计发展集团总工程师，兼任城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室主任。 “推动装配式建筑取得突破性进展”是住建部近年来的重点工作之一。装配式建造技术是建筑工程建造方式的重大变革，在国家的大力倡导下，经过国内骨干企业持续多年的潜心研究和应用，地面装配式建筑已经取得了可喜的成绩，相关技术和管理体系初步建立，工程应用逐年增加。 但在我国地下工程领域，大型地下结构预制装配建造技术的研究和应用尚属空白。笔者及其团队结合长春地铁2号线实际工程，在国内首次对明挖条件下的地铁车站预制装配技术进行了系统研发，截至目前，已经成功建设5座地下车站，成效显著。 1 国内外地下工程预制装配技术应用现状 1.1 国外应用情况 国外在地下工程预制装配技术方面的发展早于我国。19世纪末20世纪初，预制装配衬砌就在国外盾构隧道工程中得到了应用。经过百余年的发展，盾构隧道已经成功应用于地铁、公路、市政等多个领域，隧道断面形式多种多样，以圆形为主，直径从3m到18m不等。 除盾构隧道外，其他地下结构采用预制装配式衬砌的做法起源于20世纪80年代，前苏联联邦国家为了解决冬季寒冷气候给现浇混凝土施工带来的影响，在明挖法施工的地铁区间隧道、车站主体及附属通道等工程中研究应用了预制装配技术。 明挖区间隧道有两种做法： 一种是采用整体预制管段纵向拼装形式，管段环与环之间采用水泥材料密封填充； 另一种是采用分块装配，底板接缝现浇的做法（见图1）  早期的车站结构多采用体系较为复杂的矩形装配式结构，顶板、底板、侧墙、立柱及梁结构均采用预制装配工艺，其中底板构件接头通常采用现浇钢筋混凝土形式，并在其上预留杯口供上部构件进行后期连接（见图2）。  1985年，采用明挖法施工的明斯克地铁应用了一种大跨坦拱装配式结构，该结构顶部、底部分别设两道接缝，侧墙设一现浇段，构件之间采用现浇钢筋混凝土的方式连接（见图3）。  俄罗斯和法国也有在矿山法条件下采用预制装配技术建造地铁车站的先例，如圣彼得堡体育馆装配式车站（见图4）  1.2 国内应用情况 我国除盾构法隧道采用装配式衬砌外，其他地下工程预制装配技术的应用基本局限在少量的较小断面的明挖隧道工程中，如市政管线、管廊等。在铁路矿山法隧道工程中也曾有局部采用装配式衬砌的先例，如西秦岭特长铁路隧道的仰拱采用预制化的技术，墙和拱现场浇筑（见图5）。  2 2.1装配式地面建筑结构 装配式地面建筑以其高效率、高质量、高寿命、绿色环保等优势，在欧美及日本等发达国家得到了非常广泛的应用，且技术成熟、体系完整。我国在这方面虽然起步较晚，但也取得了长足的发展。 目前我国的地面建筑预制装配结构是由预制混凝土构件通过可靠的方式连接，并与现场后浇混凝土、水泥基灌浆料形成整体的装配式混凝土结构，简称装配整体式结构。在装配整体式结构中，节点及接缝处的纵向钢筋可采用机械连接、套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、焊接连接或绑扎搭接连接等方式，实现接头的刚性连接。 地面建筑除基础嵌固于地基中外，其上部结构位于地表以上，屹立在没有约束作用的空间，结构除了承受垂直荷载外，还有风荷载和地震力作用。地面结构在风荷载作用下会产生水平位移及振动振幅；当地震时，地震波在土层中传播引起地面运动，导致建筑结构发生振动。地面结构在地震力的作用下将产生“鞭梢”效应，此时由结构形状、质量和刚度属性所反映出的自振特性对结构反应的影响起决定性作用。 因此，地面结构要实现预制装配化，其承载体预制构件之间的刚性连接及装配整体式的定位非常重要。国家行业标准《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1—2014）规定“在各种设计状况下，装配整体式结构可采用与现浇混凝土结构相同的方法进行结构分析”。显然，这一装配整体式技术符合地面建筑结构的环境特性和受力特性，是安全可靠、经济合理的。 当然，在我们的调研中也发现，目前普遍采用套筒灌浆连接方式，由于预制构件的预埋钢筋和套筒位置极易产生偏差，在实际连接过程中出现对位困难，要么勉强插入，要么构件重新加工，且套筒注浆质量无法验证，后浇带模板漏浆严重等问题，这些问题在相关文献中也有不少报道，因此装配整体式刚性接头的形式和施工工艺仍有进一步优化完善的空间。图6为套筒灌浆连接及典型连接偏差图片。  我国也有建筑工程采用德国的叠合板式混凝土剪力墙技术，其理念是将内外两层预制构件作为核心部位的后浇混凝土的模板使用，预制模板上设置格构钢筋，与后浇混凝土形成永久的整体混凝土结构，不足之处在于现场混凝土浇筑量极大，施工难度较大，且不利于后期的检测，抗震设计也存在不足等诸多问题。从预制装配的角度来看，这种所谓的叠合整体装配式结构因现场作业量很大，导致其优势更不明显。 2.2装配式地下结构 2.2.1受力特性 地下结构位于地层中，其所处的环境特点和承载机理与地面结构有着本质的区别。除了需要承受自重、人群、设备等各种垂直荷载作用外，地下结构更主要的作用是来自周围全方位的水土压力，与此同时，还受到周围地层全方位的约束作用，地层既是荷载，也是承载体的一部分，图7为结构体与地层作用的整体平衡关系示意图。即便在地震作用下，结构体在地层的“裹挟”下同步振动、与地层共同变形，对结构地震反应起主要作用的是地基土的运动特性，而非结构自振特性，结构形状、质量和刚度的改变并不能改变结构与地层运动的振动特性。  无衬砌的黄土窑洞、简单喷锚支护的岩石隧道、各种软硬地层中采用的装配式盾构隧道、各种形式的现浇钢筋混凝土结构等地下工程，其良好的承载性能和抗震性能均充分反映了地下结构的受力特性。对于预制装配式地下结构，采用稳定的结构体系、选择合适的接头形式、掌握接头的刚度和承载特性、安排合理的接头位置、剖析结构体系的力学行为应是技术关键。 2.2.2防水特性 地下结构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变水的运动路径、起挡水和排水作用为目的，即“雨伞和雨衣”的防水做法，地下结构的防水性质类似于“潜水艇”，需要承受较大的地下水压力。 在防水做法及效果方面，大量的工程实践表明，地下结构即便是整体现浇钢筋混凝土结构，在结构与地层之间设置全包防水层的情况下，渗漏水现象也时有发生。而大量的盾构隧道在无外包防水层及无现浇内衬的情况下，防水性能却较为理想，尤其是穿越江河、海底的盾构隧道通常能抵御水头压力达60m以上。 解决好装配式地下水结构防水的关键是混凝土结构自防水性能及接头、接缝的防水性能，包括确定合理的防水体系、材料性能、构造措施、施工工艺及检测手段等。 2.2.3施工环境特性 地下结构的建造与土体开挖方式，即施工工法密切相关。地下结构的施工工法主要有基坑开挖类的明挖法，矿山式挖掘类的暗挖法，以及机械掘进类的盾构法。无论何种建造技术，其特点都是作业空间狭小。预制装配地面结构一般构件小、配筋少，且有自由的空间进行吊运和拼装，刚性接头也能较好实现。而地下结构的预制装配却相当于在一个“盒子”里面“搭积木”，对于大构件、高配筋的地下结构，从结构选型、接头方式、防水措施到构件吊运、定位、拼装等各环节均需要充分考虑施工环境条件制约的影响。 总之，预制装配技术应用于地下结构，应综合考虑地下结构的承载特性、施工方法及环境特点。从充分发挥预制装配技术优势的角度出发，结合以往地上和地下实际工程的应用经验，合理确定结构形式和承载体系、接头连接方式、防水措施、预制和拼装工艺等关键技术，使预制装配式地下结构真正实现技术先进、安全可靠、绿色环保、经济合理的建设目标。 （文章来源：《都市快轨交通》2018年第1期） |
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