 接上篇： 3 长春地铁2号线预制装配车站关键技术 3.1研究背景  长春市地处我国东北的严寒气候区域，地铁施工每年有4～5个月的冬歇期，致使工程工期压力巨大。2014年长春地铁2号线启动了预制装配车站的研究和应用工作，首先开展研究和应用的试验段选在线路西端的袁家店车站，随后又分别开展了另外4座车站的应用工作。目前5座车站中除西湖站（车站长700m）因拆迁原因尚有一少部分结构未装配外，其余4座车站均已建成，图8是2号线5座装配式车站的分布示意图。  这5座车站均为采用桩锚体系基坑支护结构的明挖车站，车站主体为单拱双层马蹄形结构，结构总宽20.5m、总高17.45m，外围主体承载结构由环宽2m的7块大型预制构件拼装而成（见图9），装配式结构整体无现浇混凝土湿作业，为“全装配式结构”。预制装配结构环向的构件与构件之间、纵向的环与环之间均采用“榫槽注浆式接头”形式，接头部位设置多道防水措施，除拱顶外其他部位均未设置外包防水层。  目前，施工完毕的车站已覆土，并恢复地下水状态约1年半时间，历经2个雨季，从长期监测情况看，车站结构变形稳定，且无渗漏水现象。图10是不同装配阶段的车站结构照片。  3.2关键技术研究 在长春地铁预制装配技术研究过程中，共开展了六大部分的理论和试验研究工作，主要研究内容包括结构选型及力学行为研究、接头综合技术研究、结构防水关键技术研究、施工技术研究与专用施工装备研发、大型预制构件生产技术研究、装配式地铁车站多专业一体化综合技术研究等，主要研究成果全面覆盖并形成了设计、施工、构件制造等成套技术体系。下面就业内较为关注的几个关键技术研究作简要介绍。 3.2.1预制构件连接接头研究 预制构件连接接头是装配式结构研究的核心之一，其关系到结构的整体受力状态和承载特性，也关系到构件制作工艺、施工拼装工艺、结构防水性能等各方面。综合考虑装配式地下结构特性，以及充分发挥预制装配技术工序简洁、准确定位、快速拼装的理念和优势，在对以往多种技术（地面建筑的“套筒灌浆接头”及“叠合装配式技术”、盾构隧道的“拼装接头”、前苏联的“现浇及杯口插入接头”等）做法的优缺点及适应性进行研究的基础上，最终选择采用了“榫槽注浆式接头”连接形式（见图11）。  “榫槽注浆式接头”是典型的变刚度结构，在不同的荷载氛围下呈现不同的接头刚度属性。非刚性接头的存在以及变刚度接头的连接，是导致预制装配式地下结构体系复杂性的根本原因，而这种良好的接头结构又是有效调节和优化结构体系内力幅值（尤其是弯矩）的重要手段。对于这种接头，必须通过大量的理论分析和多种形式的1︰1原型接头试验，研究接头结构的力学行为、刚度、承载能力、合理构造、注浆作用机理及防水特性等，掌握接头结构的关键力学行为规律，即接头本构关系，形成接头结构承载能力的设计方法，为地铁车站预制装配技术的研究奠定坚实的基础。 3.2.2装配式结构体系和力学行为研究 全装配式地下结构的“装配”以及“非刚性连接”特性，使其在结构体系和力学行为方面与传统的整体现浇混凝土地下结构形成了显著的区别，需要对“结构体系稳定性”和“变刚度接头下的结构体系力学行为”进行重点研究。 结构体系稳定性涉及多个方面： 首先是结构体与地层作用之间要能够形成稳定的力学平衡关系，而且结构体还应保留必要的能力储备； 其次是在土体约束下结构体必须保持自身的静定特性，应确保底板、侧墙、拱顶、中楼板等承载构件之间能够形成静定或超静定体系； 另外，单一构件的承载能力以及接头的承载和变形能力应确保结构体系中不出现局部稳定问题等。 变刚度接头下的结构体系力学行为相对复杂。非刚性接头的存在，一方面使结构体系的整体变形能力得到有效的提升；另一方面，由于接头的刚度及承载能力不仅与接头构造有关，而且与接头所承受的轴力大小关系密切，不同部位接头的内力及接头构造不同，导致每一个接头的刚度均有所差异，加上接头的刚度与轴力、弯矩之间的非线性本构关系，因此，结构体系力学行为需要考虑从装配施工过程到正常使用期间以及地震时的各个阶段，分析在受力演变过程中接头结构的行为特性和整体结构体系的力学行为，并需要进行多次迭代。 3.2.3装配式结构抗震性能研究 地下结构由于受地层约束作用，其抗震性能大大优于地面建筑，且地震时对结构反应的控制因素是地层土的运动特性，因此，国内外对于地下结构抗震方面的研究主要集中在土体振动特性上，而对地下结构尤其是装配式地下结构抗震性能的研究尚处在起步阶段。 提高结构的延性是提升地下结构抗震性能的重要手段，在地震荷载作用下，装配式结构非刚性接头使整体结构的变形能力得到提高，地震时利用接头的变形削减接头部位的弯矩、适应地层变形，结构体系的延性优于传统的现浇结构，合理的结构体系甚至可以避免在结构构件上形成塑性铰。 基于上述理念，对于装配式地下结构抗震性能研究的重点有以下3点： 1）多条件下的结构体系抗震性能分析。需要对不同地层条件、不同接头性能、不同地震作用等级条件下的结构分别进行大量的数值仿真分析，研究多因素条件下结构体系的性能及其内力、变形规律，必要时进行不同软件的平行验证。 2）接头的抗震性能和构造研究。接头的抗震性能体现在两个方面，即承载能力和变形能力（转角），可采取实验室原型接头试验的方法进行研究。接头的构造决定了接头的特性，构造形式和附加构造措施直接影响接头的变形能力和破坏方式。 3）开展装配式结构与同型现浇结构的静力和动力工况下的对照分析。主要是获取装配式结构与现浇结构的差异性特征，进而验证装配式结构的主要技术优势和特点。 通过对长春地铁装配式车站在地震作用下的主要行为特征及相关技术指标进行研究，充分验证了结构在抗震性能方面不仅完全满足要求，而且在有效降低主要结构内力（弯矩）幅值方面具有优势。研究充分证明地铁装配式车站结构体系在地震作用下的稳定性和安全性。 3.2.4装配式结构防水技术研究 根据预制装配建造技术的特点，确立长春地铁装配式车站结构的防水目标是取消常规外包防水层，达到或超过国家规范对地铁车站结构防水的设防要求。 由于采用预制构件，因此不必担心结构的自防水问题，但接头防水性能是关键。装配式地下结构接缝众多，纵横交错，首先应对装配式结构的整体防水密封系统进行合理周密的规划和设计，形成可靠的密封防水构造系统。合理规划防水系统的设置路径，尤其对边、角、榫槽、交叉、留孔等部位进行详细的设计，确保接缝不漏空，纵向不串水。 高标准配置接缝的防水性能必不可少。确立的设计原则是多道防线、主动密封，具体措施是“二垫一注一嵌”（见图11），即接缝设置两道复合膨胀压缩橡胶密封垫、接头接触面缝隙进行充填注浆、接缝表面的沟槽做嵌缝/排水处理。 结合长春装配式车站具体工程开展了一系列的接缝防水试验验证。试验证明，在接缝最不利就位的情况下（接缝张开10mm、密封垫错位5mm），仅采用一道橡胶密封垫即可达到承受80m水头压力下不渗漏功效；接头接触面填充注浆采用新研发的环氧改性材料，理论上不存在渗水可能；内表面的嵌缝兼具排水和表面封闭功能。 3.2.5装配式结构构件轻量化研究 与地面建筑不同，地下结构需要承受巨大的水土压力作用，一般构件体积大、配筋高。装配式地下结构即使拆分为多块预制构件后，单块构件的体积和质量仍然较大，导致拼装作业难度大，对起重吊运设备的要求相应提高。因此，构件的轻量化是提升装配式结构施工性能的重要手段。 对于混凝土构件，轻量化有效的途径是减少混凝土的用量。根据混凝土截面的受力特性，提出了在构件内部设置封闭腔体，并采用轻质材料填充的闭腔薄壁构件思路，图12为单块闭腔薄壁构件轴侧图。  采用闭腔薄壁方式后，构件的轻量化效果显著。环宽2m的构件，轻量化之前每一环总重360t，其中最重构件达65t、最轻构件35.35t，轻量化后平均减重16.67%，目前一环总重300t。轻量化不仅方便了施工，而且节约了混凝土和钢筋用量，同时，在构件预制环节还收获了意想不到的好处，即闭腔薄壁构件预制时的混凝土水化热大幅降低，降温时间大大缩短，避免了构件降温开裂现象，构件的生产效率得到提高。 当然，轻量化构件增加了研究、设计和制造难度，由于内空腔的存在，端头、隔肋、纵肋、腔体等各部位的内力和应力传递非常复杂，需要探讨闭腔薄壁构件的力学特性，以及内力应力—构造尺度—构件性能等多因素的互动关系，研究闭腔薄壁构件的设计方法。对空腔芯模在轻质材料、成型方法、防吸水、经济性等多方面进行了研究，使用后达到了预期效果。 3.2.6施工技术研究与专用施工装备研发 施工是装配式地下结构实施的关键环节，作为一种全新的地下结构建造方式，与拼装技术相关的所有工艺和环节都不可忽视，包括：科学合理的装配施工流程安排、大型预制构件的吊运、就位定位方法、接头拼装流线、张拉和接缝宽度控制等。 各类专用施工装备以及辅助拼装部件的研发和利用也十分重要，包括： 专用拼装台车、侧向支撑丝杠、构件导向定位销棒、辅助连接张拉系列装置和设备、专用接缝注浆设备，以及构件测量定位系统、拼装自动控制系统等。 4 技术经济和社会效益 地下结构采用预制装配技术的优势主要体现在6个方面：一是能显著提高结构工程质量；二是能大幅提高现场施工作业效率，缩短工期；三是可提升工程施工的安全性，地下工程以施工作业高风险著称，采用预制装配技术后，现场的作业环节大大减少，作业安全性显著提高；四是对环境影响小，采用预制装配技术后，以往对环境有不良影响的现场作业环节大大减少甚至取消，施工噪声和粉尘污染大大降低；五是节省劳动力。当前，在建筑工程领域，现场施工与作业工人紧缺的矛盾十分突出，人口红利逐渐消失，劳动力成本不断增高，采用预制装配技术能大幅减少劳动力需求；六是能解决寒冷或严寒地区冬季无法施工的问题。 在长春地铁实际工程应用的基础上，对预制装配式地铁车站的技术经济效益和社会效益进行了初步分析，与一座同样规模的明挖两层双跨矩形框架现浇混凝土标准车站结构相比，其产生的主要效益包括： 1）一座车站工期节省4～6个月（20%～30%）； 2）高峰施工期现场作业人员每班由130～150人减少到30人左右； 3）每座车站节省钢材约800t，节省木材800m3，施工废弃量减少50%； 4）施工场地减少约1000m2。 结 语 地下结构预制装配建造技术所具有的优势，预示着其将在今后有着广阔的发展空间，也将成为建筑产业化领域的一支“生力军”。地下结构预制装配建造技术体系研究需要做的工作还很多，而长春地铁对这项优势技术研发和应用所给予的支持，开启了一扇新技术的大门。 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。  （文章来源：《都市快轨交通》2018年第1期） |
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