預制裝配技術在地下工程中的應用

周 全

（佛山市新一建筑集團有限公司，廣東 佛山 528099）

0 引言

經濟的發展帶動了建筑工程行業的蓬勃發展，隨之而來的是人們對建筑工程的施工質量和技術提出了更高的要求。地下工程是城市化建設的必然趨勢，在一定程度上緩解了城市用地緊張的矛盾。如今，人們的日常生活已經越來越離不開地下工程。地下室、地鐵、開采地下礦山等，都是地下工程的重要組成部分。受到場地、環境以及地下土質等因素的限制，高質量的地下工程需要有穩固的支架作為支撐體系，預制裝配技術很大程度上滿足了地下工程施工的需要。預制裝配技術通過將較為復雜的安裝提前組裝好，通過將地下施工受限的一些設備和結構提前搭建好，從而滿足地下施工的需要。本文對地下工程中的預制裝配技術的應用進行探討。

1 預制裝配技術簡介

20 世紀初期，在歐洲首先興起了預制裝配技術，“二戰”之后廣泛應用于美國、日本、新西蘭等西方國家中的民用房屋建筑，且預制裝配技術逐漸成熟。對比傳統的現澆技術，預制裝配技術有諸多優勢，如施工速度較快、工程造價偏低、對施工環境友好、較少影響周圍環境以及完成等量工程使用的人工數量少等。許多國家看到了預制裝配技術在建筑工程中的良好應用，開始嘗試在地下工程中應用預制裝配技術。如今，預制裝配技術的水平已經成為衡量一個國家地下工程發展程度的標志。

從預制裝配技術的發展來看，預制裝配技術逐漸形成兩大類別：全部構件的預制和部分構件的預制。在此基礎上，根據其結構斷面的差異，可以分為結構整體預制以及結構的分塊預制。在具體的應用中，將預制結構與現澆結構共同使用，建成完整的地下工程結構。由于預制裝配技術對周圍環境有較少的需求，而且地下工程的施工環境和技術較為復雜，預制裝配技術在我國的地下工程中得到了廣泛應用。

2 地下工程預制裝配技術重難點分析

2.1 地下工程中預制裝配式結構的計算與設計

預制裝配技術要在裝置進入地下前就應當計算好相應的接頭剛度等參數，這是至關重要的。目前，在設計接頭時常用等效剛度模型和梁-接頭模型。當地下結構的接頭或地下預制構件試驗的資料不充分時，接頭剛度的規律就很難被掌握，這種情況下通常使用等效剛度模型，其不需要考慮預制構件接頭的柔性特征，而是根據經驗將接頭剛度限制在某個常數范圍內，使設計的剛度較為均勻。這是一種簡化了的接頭模型，對復雜的問題也能用來模擬，其精確度較高且計算簡便，所以較為廣泛地應用在工程上。梁-接頭模型有2 種形式。直（曲）梁－接頭元連續模型源于日本，它把預制構件當作梁，接頭可以看作是變形連續的彈簧，即預制構件和接頭都可以看作是一個彈性體。這種預制裝配結構的優勢在于原理簡單，劣勢在于對非線性形狀的接頭不能準確、全面地模擬。直（曲）梁-接頭元不連續模型的非線性屬性，使得結構具備一定的抗拉伸作用。這種預制裝配式結構的優勢在于精度高，能夠節約工程造價，但需要確保預制裝配結構的抗壓和抗彎等剛度。

2.2 地下預制裝配結構的抗震和防水性能

地下預制裝配結構需要具備較好的抗震和防水性能。地震觀測、試驗研究、理論分析和數值模擬是常用的地下預制裝配結構抗震性能的研究方法。當前，對于地下結構的抗震缺乏統一的認識。抗震措施能夠提高預制裝配結構的抗震能力。由于地下裝配結構更加復雜，其橫向與縱向尺寸、裝配構件的連接形式以及地下工程所涉及的場地等差異，將地下結構的問題擺在了更加突出的位置。地下預制裝配結構的防水性能是地下結構應用的關鍵因素，它與所處的環境、管道的結構和施工情況等有關，接縫的防水也是施工的重點防控對象。通過加強混凝土的防滲透層，在接頭處用橡膠封條封住，或者在工程的關鍵位置留下注漿孔，完工后用注漿進行接縫。防水材料也是提高防水性能的重要方面，要求防水材料能夠滿足密封的要求。

3 預制裝配技術在地下工程中的應用

相較于地面工程，地下工程在技術和工程需求上有不少的限制。在地面上應用效果好的技術，很有可能在地下工程中難有用武之地。預制裝配技術的發展滿足了地下工程較為復雜的施工環境和技術要求，能夠起到防水、防震的效果。

3.1 明挖隧道預制裝配技術的應用

明挖隧道工程中多采用裝配式襯砌結構，在很大程度上降低了搭建支撐量和模板臺車的使用量，提升施工效率。施工時，明挖隧道的結構分為三分或四分塊，其內輪廓是公路隧道輪廓，除底部的行車區是現澆結構外，其余可以由預制拼裝結構構成。進行預制裝配時，要使用標準化的流程，設計時要根據隧道跨度的分塊進行。現場施工盡量使用機械化的作業方式，避免過度依賴人工。

3.2 地鐵站臺預制裝配技術的應用

將預制裝配技術應用到地鐵站臺最早是在蘇聯其地鐵地下結構（如地鐵車站主體、附屬結構和隧道區間等）都應用了預制裝配技術。我國也有在地鐵工程中應用預制裝配技術的案例，長春地鐵站就使用了標準化預制結構。長春地鐵站的預制裝配，其車站主體分為7 大塊，預制結構是厚度為4～5m 的頂板，約2m 的縱向寬度，其中最重的預制構件達54.3t。預制鋼棒的張拉形成固定的構件間距，構件間通常使用通縫拼裝方式構成，由于其拼裝和受力不一，要根據實際情況使用合適的榫槽將各個構件連接在一起，完成裝配后，注漿使其形成一個堅固的整體。

3.3 盾構隧道預制裝配技術的應用

在地下、井下或者隧道等地下工程中，常會用到盾構技術。這是一種通過在山體或者地表中使用盾構工具推進，并用盾構工具支撐好固定結構，從而完成山體工程或隧道建設的一種現代施工方法。從字面意思上看，盾構隧道預制裝配技術即使用盾構機這種施工機械進行安裝的技術。地下施工的井口一般較小，而盾構機通常具有較為龐大的體形和質量，在施工時會在地上完成盾構間的安裝，然后再通過井口進入地下施工現場。在應用盾構隧道預制裝配技術時，根據不同的使用場景可以采用不同的方法。其方法主要有2 種。

1）在較大的場地和較寬廣的區域，常使用盾構雙機抬吊的方法，即使用2 臺吊裝機械開展盾構機的吊裝工作。這種盾構機通常由前、中、尾3 個部分組成，2 臺起重機開動時，翻轉盾構機將其從井口送到施工現場。使用雙機抬吊技術安裝盾構機械時，要把控好雙機抬吊的組裝上限。選取載荷較大的雙機，并計算好盾構的實際重量與雙機的固定起重比，要確保盾構機械的總重小于雙機固定載荷重量的3/4，與此同時，還要使載荷不超過每臺機械的80%。在配置雙機起重吊機時，要盡可能使用最大的固定配置，防止因為實際操作時發生變化使得其重量超過其配置的載荷。為了能夠充分發揮起重機械的作用，要配置好質量過硬的鋼絲繩和卸扣。

2）在面積和空間均受到限制的場地常用履帶式起重機吊裝。安裝履帶式起重機時，首先要確定吊裝的主臂、重型副臂的長度，還要確定好安裝的角度，確保主臂和副臂能夠保證盾構機部件完成翻轉作業。

3.4 地下綜合管廊預制裝配技術的應用

傳統的地下綜合管廊，大多采用現澆明挖施工，但由于地下工程的限制，現澆明挖施工的施工質量難以保證，施工周期難以控制，甚至會導致城市交通擁堵、影響城市形象等問題。為了減少地下綜合管廊施工過程中的上述問題，預制裝配技術被應用于地下綜合管廊施工中。日本較早使用預制管廊。我國也有地下綜合管廊預制裝配技術應用的案例，如上海世博會裝配式管廊。在此基礎上，我國進一步開發了各種樣式的預制管廊，如頂板預制裝配式管廊、分塊預制裝配式管廊、鋼波紋管式管廊和疊合裝配式管廊。

3.5 暗挖隧道預制裝配技術應用

內部空間狹窄、精度控制難度大、施工工序有很多交叉等是暗挖隧道的特點，也是其施工中的難點。在暗挖隧道中應用預制裝配技術的情況很少，但也有應用個案，如某高速公路為了擴建但又不想阻礙正常交通的運行，就將預制的鋼筋混凝土箱體護罩置于原隧道道路的上方，分隔了原隧道公路和施工區。為提高施工效率，減少施工工期，在擴挖后將預制的結構進行精確定位和拼裝。

4 結語

具有龐大人口基數的城市，為滿足人們的生活、出行等需求，需要不斷擴大建筑工程，但城市的土地面積有限，僅利用地面工程已無法滿足城市的正常運轉和人們對高質量生活的追求。因此，充分利用好城市的地下空間成為解決城市問題的重要方向。在地下工程中應用預制裝配技術能夠提高地下工程的穩固性、施工效率和施工質量，因此，在地下施工應充分利用預制裝配技術，使其既能滿足地下工程的施工要求，又能提高施工效率。