地鐵車站預制裝配新技術研究策略

楊秀仁，黃美群

（1. 北京城建設計發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國家工程實驗室，北京 100037）

“推動裝配式建筑取得突破性進展”是住建部近年來的重點工作之一[1]。裝配式建造技術是建筑工程建造方式的重大變革，在國家的大力倡導下，經過國內骨干企業持續多年的潛心研究和應用，地面裝配式建筑已經取得了可喜的成績，相關技術和管理體系初步建立，工程應用逐年增加。

但在我國地下工程領域，大型地下結構預制裝配建造技術的研究和應用尚屬空白。筆者及其團隊結合長春地鐵2號線實際工程，在國內首次對明挖條件下的地鐵車站預制裝配技術進行了系統研發，截至目前，已經成功建設5座地下車站，成效顯著。

1 國內外地下工程預制裝配技術應用現狀

1.1 國外應用情況

國外在地下工程預制裝配技術方面的發展早于我國。19世紀末 20世紀初，預制裝配襯砌就在國外盾構隧道工程中得到了應用[2]。經過百余年的發展，盾構隧道已經成功應用于地鐵、公路、市政等多個領域，隧道斷面形式多種多樣，以圓形為主，直徑從3 m到18 m不等。

除盾構隧道外，其他地下結構采用預制裝配式襯砌的做法起源于20世紀80年代，前蘇聯聯邦國家為了解決冬季寒冷氣候給現澆混凝土施工帶來的影響，在明挖法施工的地鐵區間隧道、車站主體及附屬通道等工程中研究應用了預制裝配技術。

明挖區間隧道有兩種做法：一種是采用整體預制管段縱向拼裝形式，管段環與環之間采用水泥材料密封填充；另一種是采用分塊裝配，底板接縫現澆的做法（見圖1）[3]。

圖1 區間拼裝式結構Fig. 1 Prefabricated running tunnel

早期的車站結構多采用體系較為復雜的矩形裝配式結構，頂板、底板、側墻、立柱及梁結構均采用預制裝配工藝，其中底板構件接頭通常采用現澆鋼筋混凝土形式，并在其上預留杯口供上部構件進行后期連接[3]（見圖 2）。

圖2 明挖矩形裝配式車站Fig. 2 Open rectangular excavation prefabricated station

1985年，采用明挖法施工的明斯克地鐵應用了一種大跨坦拱裝配式結構[3-4]，該結構頂部、底部分別設兩道接縫，側墻設一現澆段，構件之間采用現澆鋼筋混凝土的方式連接（見圖3）。

圖3 明斯克地鐵明挖坦拱裝配式車站Fig. 3 Open excavation prefabricated arch metro station in Minsk

俄羅斯和法國也有在礦山法條件下采用預制裝配技術建造地鐵車站的先例，如圣彼得堡體育館裝配式車站（見圖4）[5]。

1.2 國內應用情況

我國除盾構法隧道采用裝配式襯砌外，其他地下工程預制裝配技術的應用基本局限在少量的較小斷面的明挖隧道工程中，如市政管線、管廊等。在鐵路礦山法隧道工程中也曾有局部采用裝配式襯砌的先例，如西秦嶺特長鐵路隧道的仰拱采用預制化的技術，墻和拱現場澆筑[6]（見圖5）。

2 預制裝配技術應用于地面建筑和地下結構的特性分析

2.1 裝配式地面建筑結構

圖4 圣彼得堡體育館裝配式車站Fig. 4 St. Petersburg stadium prefabricated station

圖5 秦嶺隧道預制裝配式仰拱結構Fig. 5 Prefabricated inverted arch structure of Qinling tunnel

裝配式地面建筑以其高效率、高質量、高壽命、綠色環保等優勢，在歐美及日本等發達國家得到了非常廣泛的應用，且技術成熟、體系完整[7]。我國在這方面雖然起步較晚，但也取得了長足的發展。

目前我國的地面建筑預制裝配結構是由預制混凝土構件通過可靠的方式連接，并與現場后澆混凝土、水泥基灌漿料形成整體的裝配式混凝土結構，簡稱裝配整體式結構[8]。在裝配整體式結構中，節點及接縫處的縱向鋼筋可采用機械連接、套筒灌漿連接、漿錨搭接連接、焊接連接或綁扎搭接連接等方式[8]，實現接頭的剛性連接。

地面建筑除基礎嵌固于地基中外，其上部結構位于地表以上，屹立在沒有約束作用的空間，結構除了承受垂直荷載外，還有風荷載和地震力作用。地面結構在風荷載作用下會產生水平位移及振動振幅；當地震時，地震波在土層中傳播引起地面運動，導致建筑結構發生振動。地面結構在地震力的作用下將產生“鞭梢”效應，此時由結構形狀、質量和剛度屬性所反映出的自振特性對結構反應的影響起決定性作用。

因此，地面結構要實現預制裝配化，其承載體預制構件之間的剛性連接及裝配整體式的定位非常重要。國家行業標準《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ 1—2014）規定“在各種設計狀況下，裝配整體式結構可采用與現澆混凝土結構相同的方法進行結構分析”。顯然，這一裝配整體式技術符合地面建筑結構的環境特性和受力特性，是安全可靠、經濟合理的。

當然，在我們的調研中也發現，目前普遍采用套筒灌漿連接方式，由于預制構件的預埋鋼筋和套筒位置極易產生偏差，在實際連接過程中出現對位困難，要么勉強插入，要么構件重新加工，且套筒注漿質量無法驗證，后澆帶模板漏漿嚴重等問題，這些問題在相關文獻中也有不少報道[9-10]，因此裝配整體式剛性接頭的形式和施工工藝仍有進一步優化完善的空間。圖6為套筒灌漿連接及典型連接偏差圖片。

圖6 套筒灌漿連接及典型連接偏差Fig. 6 Rebar splicing by grout-filled coupling sleeve and typical deviation.

我國也有建筑工程采用德國的疊合板式混凝土剪力墻技術，其理念是將內外兩層預制構件作為核心部位的后澆混凝土的模板使用，預制模板上設置格構鋼筋，與后澆混凝土形成永久的整體混凝土結構，不足之處在于現場混凝土澆筑量極大，施工難度較大，且不利于后期的檢測，抗震設計也存在不足等諸多問題[11-13]。從預制裝配的角度來看，這種所謂的疊合整體裝配式結構因現場作業量很大，導致其優勢更不明顯。

2.2 裝配式地下結構

2.2.1 受力特性

地下結構位于地層中，其所處的環境特點和承載機理與地面結構有著本質的區別。除了需要承受自重、人群、設備等各種垂直荷載作用外，地下結構更主要的作用是來自周圍全方位的水土壓力，與此同時，還受到周圍地層全方位的約束作用，地層既是荷載，也是承載體的一部分，圖7 為結構體與地層作用的整體平衡關系示意圖。即便在地震作用下，結構體在地層的“裹挾”下同步振動、與地層共同變形，對結構地震反應起主要作用的是地基土的運動特性，而非結構自振特性，結構形狀、質量和剛度的改變并不能改變結構與地層運動的振動特性。

圖7 結構體與地層作用的整體平衡關系Fig. 7 Equilibrium relationship between the structure and strata

無襯砌的黃土窯洞、簡單噴錨支護的巖石隧道、各種軟硬地層中采用的裝配式盾構隧道、各種形式的現澆鋼筋混凝土結構等地下工程，其良好的承載性能和抗震性能均充分反映了地下結構的受力特性。

對于預制裝配式地下結構，采用穩定的結構體系、選擇合適的接頭形式、掌握接頭的剛度和承載特性、安排合理的接頭位置、剖析結構體系的力學行為應是技術關鍵。

2.2.2 防水特性

地下結構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變水的運動路徑、起擋水和排水作用為目的，即“雨傘和雨衣”的防水做法，地下結構的防水性質類似于“潛水艇”，需要承受較大的地下水壓力。

在防水做法及效果方面，大量的工程實踐表明，地下結構即便是整體現澆鋼筋混凝土結構，在結構與地層之間設置全包防水層的情況下，滲漏水現象也時有發生。而大量的盾構隧道在無外包防水層及無現澆內襯的情況下，防水性能卻較為理想，尤其是穿越江河、海底的盾構隧道通常能抵御水頭壓力達60 m以上。

解決好裝配式地下水結構防水的關鍵是混凝土結構自防水性能及接頭、接縫的防水性能，包括確定合理的防水體系、材料性能、構造措施、施工工藝及檢測手段等。

2.2.3 施工環境特性

地下結構的建造與土體開挖方式，即施工工法密切相關。地下結構的施工工法主要有基坑開挖類的明挖法，礦山式挖掘類的暗挖法，以及機械掘進類的盾構法。無論何種建造技術，其特點都是作業空間狹小。預制裝配地面結構一般構件小、配筋少，且有自由的空間進行吊運和拼裝，剛性接頭也能較好實現。而地下結構的預制裝配卻相當于在一個“盒子”里面“搭積木”，對于大構件、高配筋的地下結構，從結構選型、接頭方式、防水措施到構件吊運、定位、拼裝等各環節均需要充分考慮施工環境條件制約的影響。

總之，預制裝配技術應用于地下結構，應綜合考慮地下結構的承載特性、施工方法及環境特點。從充分發揮預制裝配技術優勢的角度出發，結合以往地上和地下實際工程的應用經驗，合理確定結構形式和承載體系、接頭連接方式、防水措施、預制和拼裝工藝等關鍵技術，使預制裝配式地下結構真正實現技術先進、安全可靠、綠色環保、經濟合理的建設目標。

3 長春地鐵2號線預制裝配車站關鍵技術

3.1 研究背景

長春市地處我國東北的嚴寒氣候區域，地鐵施工每年有4～5個月的冬歇期，致使工程工期壓力巨大。2014年長春地鐵2號線啟動了預制裝配車站的研究和應用工作，首先開展研究和應用的試驗段選在線路西端的袁家店車站，隨后又分別開展了另外4座車站的應用工作。目前5座車站中除西湖站（車站長700 m）因拆遷原因尚有一少部分結構未裝配外，其余4座車站均已建成，圖8是2號線5座裝配式車站的分布示意圖。

這5座車站均為采用樁錨體系基坑支護結構的明挖車站，車站主體為單拱雙層馬蹄形結構，結構總寬20.5 m、總高17.45 m，外圍主體承載結構由環寬2 m的7塊大型預制構件拼裝而成（見圖9），裝配式結構整體無現澆混凝土濕作業，為“全裝配式結構”。預制裝配結構環向的構件與構件之間、縱向的環與環之間均采用“榫槽注漿式接頭”形式，接頭部位設置多道防水措施，除拱頂外其他部位均未設置外包防水層。目前，施工完畢的車站已覆土，并恢復地下水狀態約1年半時間，歷經2個雨季，從長期監測情況看，車站結構變形穩定，且無滲漏水現象。圖10是不同裝配階段的車站結構照片。

圖8 長春地鐵2號線5座裝配式車站分布Fig. 8 Five prefabricated stations of Changchun Metro Line 2

圖9 長春地鐵2號線裝配式車站斷面示意Fig. 9 Sectional diagram of prefabricated station of Changchun Metro Line 2

圖10 不同裝配階段的結構工程照片和站廳層裝修效果圖Fig. 10 Photos of different assembly stages and decoration rendering of station floor

3.2 關鍵技術研究

在長春地鐵預制裝配技術研究過程中，共開展了六大部分的理論和試驗研究工作，主要研究內容包括結構選型及力學行為研究、接頭綜合技術研究、結構防水關鍵技術研究、施工技術研究與專用施工裝備研發、大型預制構件生產技術研究、裝配式地鐵車站多專業一體化綜合技術研究等，主要研究成果全面覆蓋并形成了設計、施工、構件制造等成套技術體系。下面就業內較為關注的幾個關鍵技術研究作簡要介紹。

3.2.1 預制構件連接接頭研究

預制構件連接接頭是裝配式結構研究的核心之一，其關系到結構的整體受力狀態和承載特性，也關系到構件制作工藝、施工拼裝工藝、結構防水性能等各方面。綜合考慮裝配式地下結構特性，以及充分發揮預制裝配技術工序簡潔、準確定位、快速拼裝的理念和優勢，在對以往多種技術（地面建筑的“套筒灌漿接頭”及“疊合裝配式技術”、盾構隧道的“拼裝接頭”、前蘇聯的“現澆及杯口插入接頭”等）做法的優缺點及適應性進行研究的基礎上，最終選擇采用了“榫槽注漿式接頭”連接形式（見圖11）。

圖11 榫槽注漿式接頭示意Fig. 11 Schematic diagram of groove grouting joint

“榫槽注漿式接頭”是典型的變剛度結構，在不同的荷載氛圍下呈現不同的接頭剛度屬性。非剛性接頭的存在以及變剛度接頭的連接，是導致預制裝配式地下結構體系復雜性的根本原因，而這種良好的接頭結構又是有效調節和優化結構體系內力幅值（尤其是彎矩）的重要手段。對于這種接頭，必須通過大量的理論分析和多種形式的1︰1原型接頭試驗，研究接頭結構的力學行為、剛度、承載能力、合理構造、注漿作用機理及防水特性等，掌握接頭結構的關鍵力學行為規律，即接頭本構關系，形成接頭結構承載能力的設計方法，為地鐵車站預制裝配技術的研究奠定堅實的基礎。

3.2.2 裝配式結構體系和力學行為研究

全裝配式地下結構的“裝配”以及“非剛性連接”特性，使其在結構體系和力學行為方面與傳統的整體現澆混凝土地下結構形成了顯著的區別，需要對“結構體系穩定性”和“變剛度接頭下的結構體系力學行為”進行重點研究。

結構體系穩定性涉及多個方面：首先是結構體與地層作用之間要能夠形成穩定的力學平衡關系，而且結構體還應保留必要的能力儲備；其次是在土體約束下結構體必須保持自身的靜定特性，應確保底板、側墻、拱頂、中樓板等承載構件之間能夠形成靜定或超靜定體系；另外，單一構件的承載能力以及接頭的承載和變形能力應確保結構體系中不出現局部穩定問題等。

變剛度接頭下的結構體系力學行為相對復雜。非剛性接頭的存在，一方面使結構體系的整體變形能力得到有效的提升；另一方面，由于接頭的剛度及承載能力不僅與接頭構造有關，而且與接頭所承受的軸力大小關系密切，不同部位接頭的內力及接頭構造不同，導致每一個接頭的剛度均有所差異，加上接頭的剛度與軸力、彎矩之間的非線性本構關系，因此，結構體系力學行為需要考慮從裝配施工過程到正常使用期間以及地震時的各個階段，分析在受力演變過程中接頭結構的行為特性和整體結構體系的力學行為，并需要進行多次迭代。

3.2.3 裝配式結構抗震性能研究

地下結構由于受地層約束作用，其抗震性能大大優于地面建筑，且地震時對結構反應的控制因素是地層土的運動特性，因此，國內外對于地下結構抗震方面的研究主要集中在土體振動特性上，而對地下結構尤其是裝配式地下結構抗震性能的研究尚處在起步階段。

提高結構的延性是提升地下結構抗震性能的重要手段，在地震荷載作用下，裝配式結構非剛性接頭使整體結構的變形能力得到提高，地震時利用接頭的變形削減接頭部位的彎矩、適應地層變形，結構體系的延性優于傳統的現澆結構，合理的結構體系甚至可以避免在結構構件上形成塑性鉸。

基于上述理念，對于裝配式地下結構抗震性能研究的重點有以下3點：

1）多條件下的結構體系抗震性能分析。需要對不同地層條件、不同接頭性能、不同地震作用等級條件下的結構分別進行大量的數值仿真分析，研究多因素條件下結構體系的性能及其內力、變形規律，必要時進行不同軟件的平行驗證。

2）接頭的抗震性能和構造研究。接頭的抗震性能體現在兩個方面，即承載能力和變形能力（轉角），可采取實驗室原型接頭試驗的方法進行研究。接頭的構造決定了接頭的特性，構造形式和附加構造措施直接影響接頭的變形能力和破壞方式。

3）開展裝配式結構與同型現澆結構的靜力和動力工況下的對照分析。主要是獲取裝配式結構與現澆結構的差異性特征，進而驗證裝配式結構的主要技術優勢和特點。

通過對長春地鐵裝配式車站在地震作用下的主要行為特征及相關技術指標進行研究，充分驗證了結構在抗震性能方面不僅完全滿足要求，而且在有效降低主要結構內力（彎矩）幅值方面具有優勢。研究充分證明地鐵裝配式車站結構體系在地震作用下的穩定性和安全性。

3.2.4 裝配式結構防水技術研究

根據預制裝配建造技術的特點，確立長春地鐵裝配式車站結構的防水目標是取消常規外包防水層，達到或超過國家規范對地鐵車站結構防水的設防要求。

由于采用預制構件，因此不必擔心結構的自防水問題，但接頭防水性能是關鍵。裝配式地下結構接縫眾多，縱橫交錯，首先應對裝配式結構的整體防水密封系統進行合理周密的規劃和設計，形成可靠的密封防水構造系統。合理規劃防水系統的設置路徑，尤其對邊、角、榫槽、交叉、留孔等部位進行詳細的設計，確保接縫不漏空，縱向不串水。

高標準配置接縫的防水性能必不可少。確立的設計原則是多道防線、主動密封，具體措施是“二墊一注一嵌”（見圖11），即接縫設置兩道復合膨脹壓縮橡膠密封墊、接頭接觸面縫隙進行充填注漿、接縫表面的溝槽做嵌縫/排水處理。

結合長春裝配式車站具體工程開展了一系列的接縫防水試驗驗證。試驗證明，在接縫最不利就位的情況下（接縫張開10 mm、密封墊錯位5 mm），僅采用一道橡膠密封墊即可達到承受80 m水頭壓力下不滲漏功效；接頭接觸面填充注漿采用新研發的環氧改性材料，理論上不存在滲水可能；內表面的嵌縫兼具排水和表面封閉功能。

3.2.5 裝配式結構構件輕量化研究

與地面建筑不同，地下結構需要承受巨大的水土壓力作用，一般構件體積大、配筋高。裝配式地下結構即使拆分為多塊預制構件后，單塊構件的體積和質量仍然較大，導致拼裝作業難度大，對起重吊運設備的要求相應提高。因此，構件的輕量化是提升裝配式結構施工性能的重要手段。

對于混凝土構件，輕量化有效的途徑是減少混凝土的用量。根據混凝土截面的受力特性，提出了在構件內部設置封閉腔體，并采用輕質材料填充的閉腔薄壁構件思路，圖12為單塊閉腔薄壁構件軸側圖。

圖12 單塊閉腔薄壁構件軸測圖Fig. 12 Axonometric drawing of closed cavity thin-walled components

采用閉腔薄壁方式后，構件的輕量化效果顯著。環寬2 m的構件，輕量化之前每一環總重360 t，其中最重構件達65 t、最輕構件35.35 t，輕量化后平均減重16.67%，目前一環總重300 t。輕量化不僅方便了施工，而且節約了混凝土和鋼筋用量，同時，在構件預制環節還收獲了意想不到的好處，即閉腔薄壁構件預制時的混凝土水化熱大幅降低，降溫時間大大縮短，避免了構件降溫開裂現象，構件的生產效率得到提高。

當然，輕量化構件增加了研究、設計和制造難度，由于內空腔的存在，端頭、隔肋、縱肋、腔體等各部位的內力和應力傳遞非常復雜，需要探討閉腔薄壁構件的力學特性，以及內力應力—構造尺度—構件性能等多因素的互動關系，研究閉腔薄壁構件的設計方法。對空腔芯模在輕質材料、成型方法、防吸水、經濟性等多方面進行了研究，使用后達到了預期效果。

3.2.6 施工技術研究與專用施工裝備研發

施工是裝配式地下結構實施的關鍵環節，作為一種全新的地下結構建造方式，與拼裝技術相關的所有工藝和環節都不可忽視，包括：科學合理的裝配施工流程安排、大型預制構件的吊運、就位定位方法、接頭拼裝流線、張拉和接縫寬度控制等。

各類專用施工裝備以及輔助拼裝部件的研發和利用也十分重要，包括：專用拼裝臺車、側向支撐絲杠、構件導向定位銷棒、輔助連接張拉系列裝置和設備、專用接縫注漿設備，以及構件測量定位系統、拼裝自動控制系統等。

4 技術經濟和社會效益

地下結構采用預制裝配技術的優勢主要體現在6個方面：一是能顯著提高結構工程質量；二是能大幅提高現場施工作業效率，縮短工期；三是可提升工程施工的安全性，地下工程以施工作業高風險著稱，采用預制裝配技術后，現場的作業環節大大減少，作業安全性顯著提高；四是對環境影響小，采用預制裝配技術后，以往對環境有不良影響的現場作業環節大大減少甚至取消，施工噪聲和粉塵污染大大降低；五是節省勞動力。當前，在建筑工程領域，現場施工與作業工人緊缺的矛盾十分突出，人口紅利逐漸消失，勞動力成本不斷增高，采用預制裝配技術能大幅減少勞動力需求；六是能解決寒冷或嚴寒地區冬季無法施工的問題。

在長春地鐵實際工程應用的基礎上，對預制裝配式地鐵車站的技術經濟效益和社會效益進行了初步分析，與一座同樣規模的明挖兩層雙跨矩形框架現澆混凝土標準車站結構相比，其產生的主要效益包括：

1）一座車站工期節省4～6個月（20%～30%）；

2）高峰施工期現場作業人員每班由130～150人減少到30人左右；

3）每座車站節省鋼材約800 t，節省木材800 m3，施工廢棄量減少50%；

4）施工場地減少約1 000 m2。

5 結語

地下結構預制裝配建造技術所具有的優勢，預示著其將在今后有著廣闊的發展空間，也將成為建筑產業化領域的一支“生力軍”。地下結構預制裝配建造技術體系研究需要做的工作還很多，而長春地鐵對這項優勢技術研發和應用所給予的支持，開啟了一扇新技術的大門。

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