地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)研究與應(yīng)用

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(guó)家工程研究中心， 北京 100037)

0 引言

20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)聯(lián)邦國(guó)家為了解決嚴(yán)寒冬季現(xiàn)澆混凝土施工困難的問(wèn)題，在地鐵車站和區(qū)間隧道工程中首次研究和應(yīng)用了預(yù)制裝配建造技術(shù)[1]。在我國(guó)東北嚴(yán)寒區(qū)域的軌道交通建設(shè)中也存在同樣的問(wèn)題，一年中冬歇期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月左右，致使工期壓力巨大。

筆者研究團(tuán)隊(duì)于2012年依托長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線工程開(kāi)展了明挖地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的研究和應(yīng)用工作。截至目前，已成功建成裝配式車站8座。在當(dāng)今我國(guó)工程建設(shè)由傳統(tǒng)觀念的“經(jīng)濟(jì)適用兼顧美觀”逐步向“節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展”轉(zhuǎn)變的時(shí)期，長(zhǎng)春地鐵第一座裝配式車站的成功建設(shè)具有顯著的里程碑意義，引起了行業(yè)和社會(huì)的普遍關(guān)注。這項(xiàng)創(chuàng)新對(duì)促進(jìn)軌道交通工程建設(shè)與工業(yè)化、信息化的深度融合，促進(jìn)建筑業(yè)由傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型向高端產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和變革具有重要意義。

前蘇聯(lián)聯(lián)邦國(guó)家典型裝配式車站結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，所采用的裝配式結(jié)構(gòu)有復(fù)雜的矩形框架形式，也有簡(jiǎn)單的單拱大跨形式[1]。其主要技術(shù)特點(diǎn)是預(yù)制構(gòu)件+現(xiàn)澆混凝土相組合的裝配式結(jié)構(gòu)，即部分結(jié)構(gòu)全預(yù)制、部分結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆，最突出的特點(diǎn)是預(yù)制構(gòu)件之間采用了現(xiàn)場(chǎng)鋼筋連接并澆筑混凝土的濕式連接接頭。

對(duì)于構(gòu)件大、鋼筋含量多的地鐵結(jié)構(gòu)，采用鋼筋連接的現(xiàn)澆混凝土接頭時(shí)，接頭連接施工困難，且在接頭處形成密集的縱橫向現(xiàn)澆施工縫，在一定程度上影響了施工速度和地下結(jié)構(gòu)的防水性能。

繼長(zhǎng)春地鐵后，近年來(lái)國(guó)內(nèi)多個(gè)城市也開(kāi)展了裝配式地鐵車站的研究和應(yīng)用工作，建造模式多樣，主要分為2大類： 1)以長(zhǎng)春地鐵為代表的“全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)”，主要應(yīng)用于長(zhǎng)春、深圳和青島地鐵工程； 2)“疊合裝配式結(jié)構(gòu)”，即車站頂板、樓板、側(cè)墻、立柱或梁等部分構(gòu)件采用疊合結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于上海、廣州、濟(jì)南、哈爾濱等地鐵工程[2-5]。

國(guó)內(nèi)的“疊合裝配式結(jié)構(gòu)”基本采用等同現(xiàn)澆原理，結(jié)構(gòu)整體性好，疊合結(jié)構(gòu)中的預(yù)制構(gòu)件可取代或部分取代現(xiàn)澆臨時(shí)模架體系，有效減少施工環(huán)節(jié)和建筑垃圾，但結(jié)構(gòu)裝配率低，施工效率優(yōu)勢(shì)不明顯，同時(shí)大體積混凝土疊合結(jié)構(gòu)裂縫較難控制，用于地下工程襯砌結(jié)構(gòu)需要有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施。

(a) 裝配式矩形框架結(jié)構(gòu)示意

(b) 裝配式單拱大跨結(jié)構(gòu)示意

(c) 鋼筋連接接頭施工現(xiàn)場(chǎng)照片

本文以長(zhǎng)春裝配式地鐵車站為基礎(chǔ)，針對(duì)筆者研究團(tuán)隊(duì)在全裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)方面近10年的研究成果及其應(yīng)用情況[6]進(jìn)行簡(jiǎn)要論述，供業(yè)內(nèi)參考。

1 主要技術(shù)方案

1.1 裝配式車站結(jié)構(gòu)總體技術(shù)定位

在充分研究國(guó)內(nèi)外地面和地下裝配式建筑工程建造技術(shù)的基礎(chǔ)上，以最大程度發(fā)揮預(yù)制裝配建造技術(shù)優(yōu)勢(shì)為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化建造模式為目標(biāo)，確定裝配式車站結(jié)構(gòu)總體技術(shù)定位： 研發(fā)以干式快速連接接頭為核心的全預(yù)制裝配式地下結(jié)構(gòu)，研究接縫密封防水技術(shù)，取消結(jié)構(gòu)外包防水層，并形成以設(shè)計(jì)技術(shù)、構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)和施工技術(shù)為核心，以標(biāo)準(zhǔn)化、綠色化產(chǎn)品為主導(dǎo)，以工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化裝配和信息化管理為支撐的一整套工業(yè)化建造技術(shù)體系。

1.2 裝配式車站結(jié)構(gòu)選型

依托長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線雙豐站(原名袁家店站)作為試驗(yàn)站開(kāi)展研究和應(yīng)用工作。雙豐站為標(biāo)準(zhǔn)的明挖地下2層11 m島式站臺(tái)車站，原現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為地下2層雙跨矩形框架結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。

圖2 現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)斷面圖

圖3為長(zhǎng)春地鐵裝配式標(biāo)準(zhǔn)車站平面圖。通過(guò)對(duì)車站建筑平面進(jìn)行優(yōu)化，將車站兩端不規(guī)則的風(fēng)道結(jié)構(gòu)與區(qū)間盾構(gòu)工作井整合，采用現(xiàn)澆混凝土施工，車站中部形成完整的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段，并采用裝配式結(jié)構(gòu)建造，有效地提高車站整體裝配率。

圖3 長(zhǎng)春地鐵裝配式標(biāo)準(zhǔn)車站平面圖

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)段裝配式結(jié)構(gòu)形式，主要進(jìn)行了2種方案的比選，一是仍采用常規(guī)的矩形框架結(jié)構(gòu)，二是采用單拱大跨隧道結(jié)構(gòu)，如圖4所示。這2種形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)分析，最終確定試驗(yàn)段工程采用單拱大跨隧道結(jié)構(gòu)。與矩形框架結(jié)構(gòu)相比，單拱大跨結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、受力好，有利于節(jié)省鋼筋用量，并且建筑效果好，尤其是裝配式結(jié)構(gòu)裸裝時(shí)，能充分展現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)肌理之美。不足之處是結(jié)構(gòu)起拱，致使結(jié)構(gòu)埋深較大，增加基坑工程量(根據(jù)測(cè)算，長(zhǎng)春的土方工程費(fèi)用較低，影響不大)； 拱形結(jié)構(gòu)由于拱腳推力的作用，需要采取一定的工程措施，控制結(jié)構(gòu)變形及對(duì)車站周邊環(huán)境的影響。

(a) 矩形框架結(jié)構(gòu) (b) 單拱大跨隧道結(jié)構(gòu)

1.3 裝配式車站結(jié)構(gòu)體系

1.3.1 接頭形式

接頭不僅影響到裝配式結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，而且影響到施工效率、接縫防水性能和結(jié)構(gòu)耐久性，綜合以往地面和地下裝配式建筑所采用的各類型接頭，經(jīng)過(guò)大量的研究論證，最終確定采用新型注漿式榫槽接頭[7]，如圖5所示。

圖5 注漿式榫槽接頭構(gòu)造示意圖

這種接頭以榫槽式連接為基礎(chǔ)，凸凹榫面直接對(duì)接，預(yù)留縫隙通過(guò)注入專門的漿液彌合接縫，可靠傳遞軸力和咬合剪力，并強(qiáng)化軸力作用下接頭的彎曲抵抗作用及抗變形能力。接縫之間不通過(guò)鋼筋和澆筑混凝土連接，在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速、可靠拼裝的同時(shí)，可有效提高結(jié)構(gòu)的承載、抗震及防水性能，為典型的干式柔性連接接頭。

1.3.2 結(jié)構(gòu)拆分方式

地鐵車站結(jié)構(gòu)體量龐大，除了縱向需要拆分成若干標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)環(huán)外，其結(jié)構(gòu)環(huán)橫向也需要拆分成若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。對(duì)于采用柔性接頭連接的裝配式地下結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)拆分方式需要遵循以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為基礎(chǔ)，接頭力學(xué)性能為支撐，構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝為前提的基本原則。

長(zhǎng)春地鐵裝配式車站結(jié)構(gòu)斷面尺寸為20.5 m(寬)×17.45 m(高)，縱向環(huán)寬2 m。其中，底板結(jié)構(gòu)過(guò)長(zhǎng)，如作為1塊構(gòu)件，在市區(qū)不具備運(yùn)輸條件； 如分成2塊構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)設(shè)置在跨中，過(guò)長(zhǎng)的懸臂將使底板墻角處產(chǎn)生過(guò)大的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，影響底板的穩(wěn)定； 因此，底板拆分成3塊構(gòu)件，并將節(jié)點(diǎn)設(shè)置在彎矩較小處。

拱頂結(jié)構(gòu)同樣需要拆分，但與底板的情況完全不同。如像底板結(jié)構(gòu)分成3塊，則形成柔性接頭的四鉸結(jié)構(gòu)連接，不利于抵抗偏載作用，同時(shí)對(duì)于凸凹榫槽式接頭的連接，插入施工難度大； 如分成2塊構(gòu)件，將接頭設(shè)置在拱頂位置，正好形成穩(wěn)定的三鉸拱結(jié)構(gòu)。因此，長(zhǎng)春地鐵裝配式車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)由7塊環(huán)寬2 m的大型預(yù)制構(gòu)件組成，如圖6所示。

圖6 長(zhǎng)春地鐵裝配式車站結(jié)構(gòu)示意圖(單位： m)

襯砌結(jié)構(gòu)整體拼裝完成后，在基坑側(cè)向肥槽的結(jié)硬性回填材料的約束作用下，形成穩(wěn)定的隧道式承載結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的中樓板、立柱和梁等結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程情況可采用裝配式結(jié)構(gòu)，與襯砌結(jié)構(gòu)同時(shí)拼裝，也可在襯砌結(jié)構(gòu)拼裝完成后整體現(xiàn)澆或疊合形成。

1.3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件

地下結(jié)構(gòu)承受巨大的水土壓力，構(gòu)件尺寸一般較大，即便分塊設(shè)置，每塊構(gòu)件的重量仍較大，給運(yùn)輸、吊裝作業(yè)等帶來(lái)一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。筆者研究團(tuán)隊(duì)采用一種新型的閉腔薄壁結(jié)構(gòu)[8]，在預(yù)制構(gòu)件制作時(shí)，通過(guò)在其內(nèi)部適當(dāng)位置設(shè)置若干輕質(zhì)填充芯模，可有效減輕構(gòu)件的重量。長(zhǎng)春地鐵單環(huán)裝配式結(jié)構(gòu)質(zhì)量為292.5 t，總體積為144 m3，其中空腔體積為27 m3，空腔率為18.75%，如圖7所示。

1.3.4 接縫防水

裝配式車站結(jié)構(gòu)防水采用結(jié)構(gòu)自防水+接頭接縫防水模式，無(wú)需設(shè)置外包防水層。接縫防水采用“兩墊一注一嵌”方案(見(jiàn)圖8)，即在接頭接縫設(shè)置2道復(fù)合膨脹橡膠密封墊，在接頭接縫內(nèi)灌注改性環(huán)氧樹脂，以及在隧道內(nèi)側(cè)接縫預(yù)留凹槽處進(jìn)行防水嵌縫。

圖7 閉腔薄壁構(gòu)件及輕質(zhì)芯模分布示意圖

(a) 接頭接縫防水構(gòu)造

(b) 內(nèi)嵌縫防水構(gòu)造

1.3.5 結(jié)構(gòu)拼裝

在每個(gè)襯砌環(huán)內(nèi)，底板構(gòu)件接縫采用預(yù)應(yīng)力張拉壓緊，而上部各構(gòu)件接縫主要靠自重壓緊，并設(shè)置輔助螺栓連接； 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)張拉鎖緊，如圖9所示。

圖9 縱向預(yù)應(yīng)力張拉連接示意圖

為確保預(yù)制構(gòu)件的拼裝精度和防止拼裝過(guò)程中構(gòu)件磕碰，在接頭部位專門設(shè)置了導(dǎo)向定位銷(見(jiàn)圖5)，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。

2 主要研究?jī)?nèi)容和成果

2.1 研究體系整體架構(gòu)

結(jié)合長(zhǎng)春地鐵裝配式車站，筆者研究團(tuán)隊(duì)對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)開(kāi)展了全方位的研究，主要內(nèi)容覆蓋了設(shè)計(jì)、構(gòu)件制造、施工及輔助裝備、多專業(yè)綜合一體化等多個(gè)方面[6, 9]。研究體系整體架構(gòu)如圖10所示。

圖10 研究體系整體架構(gòu)示意圖

2.2 接頭綜合技術(shù)研究

注漿式榫槽接頭由于構(gòu)造的不同而形式多樣，可根據(jù)接頭位置、受力特點(diǎn)及拼裝工藝要求用于不同的部位。針對(duì)單榫長(zhǎng)接頭、雙榫長(zhǎng)接頭及單榫短接頭3種典型結(jié)構(gòu)形式，以大量的1∶1原型接頭試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，對(duì)各種接頭力學(xué)和承載性能進(jìn)行深入研究，包括接頭的彎曲抵抗作用特性、抗彎剛度特性、抗彎承載特性、抗剪承載特性、接頭破壞模式和接頭構(gòu)造要求等，主要研究成果[10-17]如下。

1)揭示了注漿式榫槽接頭在軸力作用下的彎曲抵抗作用特性，提出了“抵抗矩”概念，“抵抗矩”作用作為接頭承載的重要基礎(chǔ)指標(biāo)，有力支撐了后續(xù)接頭力學(xué)行為的研究工作。

2)揭示了注漿式榫槽接頭剛度隨軸力和彎矩變化的“變剛度”特征，通過(guò)對(duì)擬合的M-θ(彎矩-相對(duì)轉(zhuǎn)角)曲線求導(dǎo)，形成了接頭抗彎剛度經(jīng)驗(yàn)公式，并提出了影響接頭抗彎剛度的主要因素。

3)揭示了各種接頭的承載特性曲線特征和不同承載階段的承載能力占比，其中： ①單榫長(zhǎng)接頭，破壞形態(tài)表現(xiàn)為榫頭彎剪破壞，壓區(qū)榫槽壁壓饋； 承載特性曲線呈4拐點(diǎn)4階段特征，線性承載階段占總承載能力的67%～72%。②雙榫長(zhǎng)接頭，破壞形態(tài)表現(xiàn)為拉側(cè)榫頭混凝土保護(hù)層拉開(kāi)，壓側(cè)榫頭彎剪破壞，壓區(qū)榫槽壁壓饋； 承載特性曲線呈3拐點(diǎn)4階段特征，線性和類線性承載階段占總承載能力的80%～84%。③單榫短接頭，破壞形態(tài)表現(xiàn)為受拉側(cè)接縫張開(kāi)、榫頭拔出，壓區(qū)榫槽壁壓饋； 承載特性曲線呈2階段特征，短榫頭對(duì)抗彎不能起到主要作用，接頭承載基本依靠抵抗矩發(fā)揮作用。

4)利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析并獲取了各種接頭承載曲線關(guān)鍵拐點(diǎn)參數(shù)，提出了壓彎作用下注漿式榫槽接頭抗彎承載能力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

5)通過(guò)接頭四點(diǎn)剪切試驗(yàn)，驗(yàn)證了日本抗剪鍵計(jì)算方法對(duì)于注漿式榫槽接頭在無(wú)軸力情況下的適用性； 同時(shí)，提出了軸力作用對(duì)接頭抗剪能力貢獻(xiàn)項(xiàng)的計(jì)算方法，通過(guò)修正日本傳統(tǒng)算法，提出了壓彎作用下注漿式榫槽接頭抗剪承載力計(jì)算公式。

2.3 裝配式結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力力學(xué)行為研究

明挖條件下的裝配式地下結(jié)構(gòu)，建造過(guò)程不僅需要經(jīng)歷結(jié)構(gòu)體系的多次轉(zhuǎn)換，而且變剛度接頭隨受力環(huán)境變化的力學(xué)特性，也使得結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為更加復(fù)雜。因此，針對(duì)施工和使用全過(guò)程開(kāi)展力學(xué)行為研究，揭示結(jié)構(gòu)受力動(dòng)態(tài)和發(fā)展規(guī)律，探索接頭對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)體系力學(xué)行為的影響，并通過(guò)實(shí)際車站施工及建成后的長(zhǎng)期原位測(cè)試，對(duì)理論研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特征

研究發(fā)現(xiàn)，裝配式結(jié)構(gòu)與同型現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布趨勢(shì)基本一致，其中軸力值和剪力值變化極小，而由于柔性接頭具有明顯的接頭彎矩釋放作用，裝配式結(jié)構(gòu)比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)接頭部位的彎矩有顯著降低，同時(shí)多部位的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力也有所降低(75%的觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力小于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu))，總體降幅為35%左右； 各構(gòu)件的彎矩在靠近接頭部位有顯著降低； 靜力和動(dòng)力作用下的內(nèi)力分布顯示出同樣的接頭彎矩釋放作用。圖11示出8度地震作用下裝配式結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的彎矩對(duì)比。

2.3.2 水平地震作用下的結(jié)構(gòu)變形特性

以長(zhǎng)春地鐵裝配式車站結(jié)構(gòu)的實(shí)際計(jì)算結(jié)果為例，地震作用下裝配式結(jié)構(gòu)比同型現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的最大頂?shù)姿轿灰撇钣兴龃?，增大幅度約6.5%，而兩者的位移差時(shí)程曲線的節(jié)律協(xié)調(diào)一致，裝配式結(jié)構(gòu)的整體延性有所提升，如圖12所示。

圖11 8度地震作用下裝配式結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)彎矩對(duì)比

(a) 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)

(b) 裝配式結(jié)構(gòu)

結(jié)合對(duì)研究成果的分析判斷，裝配式結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)體系延性更好，結(jié)構(gòu)變形性能提升，因此地震工況下不易損傷，抗震性能較現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)更好。

2.3.3 裝配施工階段存在多個(gè)關(guān)鍵工況

明挖基坑側(cè)向肥槽回填對(duì)裝配式地下結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的穩(wěn)定性和承載能力產(chǎn)生直接的影響，肥槽回填材料、回填工序、回填高度等方案需要綜合結(jié)構(gòu)形式、分塊方式、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)等因素，通過(guò)計(jì)算分析確定。對(duì)于單拱大跨結(jié)構(gòu)，拱腳水平支撐的設(shè)置對(duì)于控制拱頂結(jié)構(gòu)的變形和彎矩非常關(guān)鍵； 而拱部覆土回填及偏載均是單拱大跨結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵階段，需要綜合各種可能的工況進(jìn)行分析，確定最不利作用工況。

2.4 閉腔薄壁構(gòu)件力學(xué)性能研究

閉腔薄壁構(gòu)件在受力后的傳力途徑復(fù)雜，各主要部位的構(gòu)造參數(shù)對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能影響較大，為此，專門對(duì)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)進(jìn)行了深入的研究[6]。

2.4.1 截面剪力滯效應(yīng)

初等梁理論假定彎曲作用產(chǎn)生的截面正應(yīng)力沿截面呈線性分布。而研究發(fā)現(xiàn)，閉腔薄壁構(gòu)件存在剪力滯效應(yīng)，在偏心受壓荷載作用下，翼緣的正應(yīng)力在橫截面的分布不均勻，與肋板交匯處大、中部小，如圖13所示。

(a) 剪力滯效應(yīng)示意

(b) 實(shí)際構(gòu)件剪力滯效應(yīng)

考慮剪力滯效應(yīng)后，截面正應(yīng)力峰值較初等梁理論計(jì)算值有所增大，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際剪力滯系數(shù)(考慮剪力滯效應(yīng)時(shí)的翼緣板正應(yīng)力與按初等梁理論求得的正應(yīng)力之比)，在初等梁理論計(jì)算應(yīng)力值的基礎(chǔ)上，整體乘以相應(yīng)的剪力滯系數(shù)來(lái)近似考慮剪力滯效應(yīng)的影響，或按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范推薦的有效翼緣寬度方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)。

2.4.2 剪應(yīng)力分布規(guī)律

研究發(fā)現(xiàn)，閉腔薄壁構(gòu)件在剪力作用下剪應(yīng)力分布與實(shí)心截面有顯著差異，其剪應(yīng)力主要分布于3條縱肋板上，3條縱肋板分布的剪力總和達(dá)85%左右(80%～90%)，靠近肋板附近的翼緣部位剪力承擔(dān)比例為15%左右。典型斷面的剪應(yīng)力分布特征如圖14所示。該剪力分布特征和規(guī)律對(duì)閉腔薄壁構(gòu)件設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。

(a) 直構(gòu)件剪應(yīng)力分布

(b) 實(shí)際構(gòu)件剪應(yīng)力分布

2.5 榫槽接頭注漿技術(shù)研究

為方便施工時(shí)快速安裝，避免接頭拼裝施工誤差導(dǎo)致構(gòu)件接頭部位局部混凝土受力損傷，在榫槽式接頭之間預(yù)留了一定寬度的縫隙，拼裝完成后采用注漿的方式予以填充。為此，研發(fā)了一種石英粉改性環(huán)氧樹脂接縫注漿材料，可適應(yīng)裝配式結(jié)構(gòu)注漿環(huán)節(jié)的工程特點(diǎn)和氣候環(huán)境特性，形成了與環(huán)境溫度、單道接縫注漿時(shí)間、不同黏度漿液的可注性能等相適應(yīng)的各類材料配方，掌握了改性環(huán)氧樹脂的各項(xiàng)基本性能。

研發(fā)了接頭接縫注漿專用灌注機(jī)，如圖15所示。該裝備首次采用雙組分、后混合以及反循環(huán)自清洗工藝原理，在實(shí)現(xiàn)大容量、高壓力、高精度注漿的同時(shí)，可杜絕以往常見(jiàn)的管路堵塞問(wèn)題，避免頻繁拆機(jī)清洗。

圖15 裝配式結(jié)構(gòu)接頭接縫專用灌注機(jī)

2.6 結(jié)構(gòu)防水關(guān)鍵技術(shù)研究

裝配式地下結(jié)構(gòu)多接頭特點(diǎn)決定了接頭的接縫防水是關(guān)鍵，通過(guò)試驗(yàn)研究了接縫橡膠密封墊的各項(xiàng)防水性能。

2.6.1 單道橡膠密封墊防水性能

研究發(fā)現(xiàn)，單道橡膠密封墊在最不利拼裝位置條件下(接縫張開(kāi)10 mm，錯(cuò)位5 mm)能夠抵御1.0 MPa水壓。圖16示出不同拼裝接縫工況下密封墊的耐水壓曲線。

圖16 不同拼裝接縫工況下密封墊的耐水壓曲線

2.6.2 雙道橡膠密封墊防水性能

為研究設(shè)置雙道密封墊是否能夠達(dá)到單道密封墊2倍(即“1+1=2”)的防水效果，開(kāi)展了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)內(nèi)容包括： 保持固定接縫寬度和錯(cuò)位量情況下測(cè)試最大耐水壓力、保持固定接縫寬度和水壓力情況下測(cè)試最大允許錯(cuò)位量、保持固定錯(cuò)位量和水壓力情況下測(cè)試接縫最大允許張開(kāi)量。研究結(jié)果顯示，雙道密封較單道密封抗水壓能力提高約0.3 MPa。

2.6.3 長(zhǎng)期作用下橡膠密封墊的應(yīng)力松弛性能

針對(duì)三元乙丙橡膠密封墊開(kāi)展長(zhǎng)期荷載下的應(yīng)力松弛性能試驗(yàn)，其描繪的密封墊殘余應(yīng)力曲線如圖17所示，估算三元乙丙橡膠密封墊應(yīng)力松弛達(dá)到65%時(shí)的使用年限為137年。

圖17 長(zhǎng)期荷載作用下密封墊殘余應(yīng)力曲線

按應(yīng)力松弛值為65%計(jì)算，單道橡膠密封墊137年后的防水性能為0.65 MPa，仍遠(yuǎn)高于地鐵車站實(shí)際承受的地下水最高水壓(一般為0.2 MPa)。

2.6.4 密封墊復(fù)合膨脹層的防水強(qiáng)化性能

按照在橡膠密封墊表面設(shè)置1 mm復(fù)合膨脹橡膠層考慮，根據(jù)接縫拼裝狀態(tài)不同，復(fù)合膨脹層膨脹后能提供0.06～0.19 MPa的抗水壓能力。

2.7 大型預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)研究

研發(fā)了用于大型預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的新型隧道窯式生產(chǎn)線，采用底模流轉(zhuǎn)、側(cè)模及端模吊掛、模板外部支撐等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型預(yù)制構(gòu)件的高精度和高效率生產(chǎn)。

結(jié)合對(duì)鋼模具結(jié)構(gòu)的有限元分析，研究了大型模具在混凝土澆筑過(guò)程中的變形特性，采用外部支桿變形控制法，有效控制模具橫向變形，實(shí)現(xiàn)了采用柔性模具生產(chǎn)高精度大型預(yù)制構(gòu)件的目標(biāo)。

由于構(gòu)件體量龐大，采用傳統(tǒng)人工測(cè)量方式檢測(cè)大型預(yù)制構(gòu)件的制作精度較為困難。為此，研制了預(yù)制構(gòu)件智能掃描系統(tǒng)(見(jiàn)圖18)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)掃描檢測(cè)構(gòu)件拼接面平整度，準(zhǔn)確找出構(gòu)件表面的異常凹凸點(diǎn)，并自動(dòng)形成檢測(cè)報(bào)告，有效解決了大型預(yù)制構(gòu)件高精度自動(dòng)檢測(cè)難題。

圖18 預(yù)制構(gòu)件智能掃描系統(tǒng)

2.8 施工工藝研究與輔助施工裝備研發(fā)

針對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)裝配施工相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并研發(fā)了多種輔助施工專用裝備，形成了多項(xiàng)研究成果。

1)研究提出了2種基坑底面精平處理方法，即“精平條帶法”和“基面統(tǒng)平法”，為不同地質(zhì)條件基坑的高精度拼裝創(chuàng)造了條件。

2)對(duì)構(gòu)件拼縫寬度及張拉控制方法進(jìn)行了研究，提出了用于指導(dǎo)施工的合理拼縫寬度指標(biāo)； 研發(fā)了專用導(dǎo)向定位銷，有力支撐了預(yù)制構(gòu)件的快速拼裝和高精度定位。

3)研發(fā)了預(yù)制構(gòu)件拼裝作業(yè)輔助臺(tái)車(見(jiàn)圖19)，實(shí)現(xiàn)了多功能拼裝作業(yè)的全面整合，大大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。

(a) 結(jié)構(gòu)圖 (b) 實(shí)物圖

4)研發(fā)了拼裝張拉自動(dòng)控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖20)，實(shí)現(xiàn)了高精度自動(dòng)預(yù)應(yīng)力張拉控制和快速拼裝施工，系統(tǒng)解決了大型預(yù)制構(gòu)件多點(diǎn)張拉協(xié)同控制、動(dòng)態(tài)張拉荷載確定、接縫寬度精確控制等拼裝關(guān)鍵技術(shù)難題。

圖20 裝配式結(jié)構(gòu)拼裝張拉自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.9 裝配式車站多專業(yè)一體化技術(shù)

針對(duì)新型的裝配式單拱大跨車站結(jié)構(gòu)，需要突破傳統(tǒng)車站建筑布局，使建筑裝修和設(shè)備系統(tǒng)與裝配式結(jié)構(gòu)相融合。為此，對(duì)裝配式車站建筑空間利用、模塊化布局、設(shè)備管線綜合技術(shù)、簡(jiǎn)裝修、聲光環(huán)境設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了多專業(yè)一體化研究。

1)提出了模塊化布局方案，建立了裝配式車站建筑布局的標(biāo)準(zhǔn)化體系。

2)突破傳統(tǒng)車站設(shè)備管線布置模式，將站廳層管線布置于車站兩側(cè)，拱頂裸露，在充分展示裝配式結(jié)構(gòu)肌理和良好空間布局的同時(shí)，使管線的布局更加合理，方便運(yùn)維。

3)通過(guò)在預(yù)制構(gòu)件上系統(tǒng)設(shè)置預(yù)埋槽道，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備管線安裝、車站裝飾及其他設(shè)施全吊掛模式，全面杜絕了現(xiàn)場(chǎng)打孔對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷。

4)車站裝飾摒棄了傳統(tǒng)的“天、地、墻”常規(guī)設(shè)計(jì)理念，采用裸裝實(shí)現(xiàn)工程裝修的簡(jiǎn)約化。

5)通過(guò)應(yīng)用“藏、隱、露”的理念，對(duì)車站建筑空間進(jìn)行集成化處理，最大程度地保留混凝土結(jié)構(gòu)的本體空間，展現(xiàn)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的韻律美，如圖21所示。

6)通過(guò)開(kāi)展聲學(xué)分析，并針對(duì)性地采取措施，實(shí)現(xiàn)了裝配式大空間、多聲源環(huán)境下良好的聲場(chǎng)效果。

圖21 裝配式車站站廳層實(shí)景照片

3 主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析

3.1 裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)優(yōu)勢(shì)

以長(zhǎng)春地鐵裝配式車站為測(cè)算基礎(chǔ)，對(duì)于同樣規(guī)模的明挖標(biāo)準(zhǔn)車站，裝配式結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，主要優(yōu)勢(shì)如下：

1)裝配施工環(huán)節(jié)，可節(jié)省施工時(shí)間70%以上，每座車站可縮短綜合工期4～6個(gè)月，相當(dāng)于縮短工期25%～30%，現(xiàn)場(chǎng)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； 2)每座車站可節(jié)省鋼材約800 t； 3)節(jié)省施工臨時(shí)性木材用量約800 m3； 4)施工建筑垃圾減量50%以上； 5)施工用地可減少約1 000 m2； 6)綜合碳排放減少約19%。

3.2 效益分析

軌道交通是現(xiàn)代城市的交通動(dòng)脈，在城市發(fā)展和居民生活中發(fā)揮著舉足輕重的作用。地鐵車站通常建在人口密集、商業(yè)繁忙的區(qū)域中心，位于交通要道，對(duì)于施工影響高度敏感。

與明挖現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)完全不同，裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)采用預(yù)制混凝土構(gòu)件、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械化拼裝，快速完成，其間無(wú)混凝土澆筑濕作業(yè)，最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)建筑活動(dòng)，充分發(fā)揮了預(yù)制裝配的最大優(yōu)勢(shì)。這一以工業(yè)化模式為核心的建造技術(shù)，將在社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮重要的作用，主要表現(xiàn)在：

1)工程質(zhì)量和施工安全性大幅提高。工廠化、機(jī)械自動(dòng)化建造模式，使裝配式結(jié)構(gòu)具有更高的生產(chǎn)精度和更好的質(zhì)量保證及耐久性；減少了現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，人工數(shù)量大幅減少，方便工程管理，人身傷害風(fēng)險(xiǎn)降低。

2)綜合效益提高。裝配施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間減少70%，節(jié)省勞力85%。通過(guò)減少工期和人工工日，一座裝配式車站綜合工期可縮短4～6個(gè)月，上述2項(xiàng)優(yōu)勢(shì)合并考慮，所產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)1 000萬(wàn)元。同時(shí)，提高施工效益、加快建設(shè)速度，有利于減少施工對(duì)城市用地、交通、商業(yè)和環(huán)境的影響，有利于緩解勞動(dòng)力緊缺狀況等，大幅提高了城市軌道交通建設(shè)的綜合效益。

3)以人為本。工業(yè)化的建造模式，將極大地改變傳統(tǒng)建筑業(yè)低端產(chǎn)業(yè)局面，提供清潔的工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞力，并提高施工安全性，使從業(yè)人員的幸福感得到整體提升。

4)綠色、環(huán)保。裝配施工無(wú)現(xiàn)場(chǎng)模板架立、鋼筋綁焊、混凝土澆筑振搗等作業(yè)，有效減少施工噪聲和粉塵對(duì)周邊環(huán)境的污染，居民滿意度大幅提升； 木材消耗減少800 m3、建筑垃圾減少50%以上、碳排放量可得到有效控制，有利于減少對(duì)地球環(huán)境的影響。

5)推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和行業(yè)科技進(jìn)步。從傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型向工業(yè)化模式的轉(zhuǎn)變，對(duì)推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展意義重大； 裝配式車站技術(shù)的研發(fā)和成功應(yīng)用，將引領(lǐng)地下工程綠色建造技術(shù)的發(fā)展方向，有力推動(dòng)行業(yè)的科技進(jìn)步。

4 推廣應(yīng)用情況

裝配式車站結(jié)構(gòu)建造技術(shù)在長(zhǎng)春地鐵第一次應(yīng)用后，便得到了業(yè)主的充分肯定，并在后續(xù)的17座車站得到了應(yīng)用，目前有4座車站已通車運(yùn)營(yíng)，有4座車站結(jié)構(gòu)已竣工。該創(chuàng)新技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)同樣受到了其他城市業(yè)主的青睞，其中，青島和深圳地鐵于2019年陸續(xù)開(kāi)始了12座裝配式車站的建造工作?？傮w上，目前已建和在建裝配式車站的規(guī)模達(dá)30座。

裝配式車站結(jié)構(gòu)建造技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際工程中得到成功應(yīng)用和驗(yàn)證，施工期間未發(fā)生任何安全事故，車站運(yùn)營(yíng)后結(jié)構(gòu)安全可靠，使用效果很好，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了巨大的影響，其中長(zhǎng)春地鐵興隆堡站被評(píng)為“中國(guó)十大最美車站(2018—2019年度)”。

5 結(jié)論與建議

地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)取得了覆蓋工程設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)、施工工藝及裝備等一系列工業(yè)化建造的核心成果，形成了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法、大型預(yù)制構(gòu)件高精度制作方法、智能化檢測(cè)裝置、機(jī)械自動(dòng)化拼裝工藝、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等支撐建造全過(guò)程的技術(shù)體系，為軌道交通地下車站提供了一種全新的建造模式。這項(xiàng)技術(shù)是為解決我國(guó)長(zhǎng)春市在嚴(yán)寒冬季施工困難問(wèn)題而研發(fā)的地鐵車站工業(yè)化建造方法，同時(shí)也適用于其他城市各種環(huán)境條件下的地鐵車站建設(shè)，目前已在長(zhǎng)春、青島和深圳地鐵得到推廣應(yīng)用。

對(duì)于研發(fā)的地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)，同樣適用于地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)、人行通道、地下管廊等其他明挖地下結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式可以是單拱大跨隧道結(jié)構(gòu)，也可以是矩形框架結(jié)構(gòu)； 其明挖基坑支護(hù)體系可適用于放坡、土釘墻、噴錨支護(hù)、樁(墻)+錨索、樁(墻)+內(nèi)支撐等各種形式，適用性非常廣泛。

盡管該技術(shù)經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展取得了突出的成效，但仍存在許多需要解決的問(wèn)題，有待進(jìn)一步完善和升級(jí)，如提高結(jié)構(gòu)的裝配率、降低工程投資、提升裝配化的理念、加大創(chuàng)新力度、加大工業(yè)化的深度融合、促進(jìn)信息化和智能化的深入發(fā)展、加大推廣應(yīng)用等，這些需要行業(yè)的共同努力、不斷探索，讓這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)發(fā)揮更大的作用，創(chuàng)造更高的價(jià)值。