地鐵車站裝配式站臺板拆分設計與連接方法研究

路清泉，蘇立勇，張志偉，許 洋，任宇洪

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京重點實驗室，北京 100068；3.中鐵隆工程集團有限公司，四川 成都 610046)

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市人口迅速增加，交通堵塞問題日益嚴峻。地鐵軌道交通運行速度快，運載能力強，是有效緩解城市交通壓力的重要手段[1]。近20年，我國的軌道交通保持了高強度發展，2015年后，伴隨國家大力投入基礎設施建設政策的出臺，國內軌道交通建設進入新一輪繁榮期。

目前地鐵軌道交通的施工方法仍以淺埋礦山法、明挖順作法、暗挖逆作法和盾構法等傳統工藝為主[2]，多倚重簡單勞動力的高強度使用，整體建設技術科技含量較低、建設效率偏低，且對環境的可持續發展考慮不足。如何實現地鐵軌道交通的綠色安全建造是亟待解決的難題。

裝配式技術是建造方式的變革，它利用預制部品部件的現場裝配形成建筑，具有節能環保、施工進度快、工程造價低等優點[3]。目前，裝配式技術已逐步應用于地鐵車站建造，如長春地鐵2號線袁家店站和北京地鐵6號線金安橋站等多個地鐵車站建造采用了裝配式技術[4-6]。另外，眾多學者也開始研究裝配式技術在地鐵車站中的運用，如杜修力等[7]對地鐵車站裝配式梁板柱中節點的抗震性能展開了研究；鐘春玲等[8]利用有限元方法對裝配式地鐵車站的力學性能展開了研究；李兆平等[4]對裝配式地鐵車站雙榫槽式接頭的抗彎性能進行了試驗研究。雖然裝配式技術在地鐵車站的建造中取得了較大的突破，但主要集中在車站主體結構的建造方面，而關于地鐵車站二次結構的裝配式技術應用與研究鮮有報道。如站臺板、隔墻、軌頂風道、樓梯和出入口等二次結構的建造工程量巨大，且施工工序多、生產環境復雜、施工質量難以控制，對周邊環境影響大。因此，如何將裝配式技術應用到地鐵車站二次結構的建造中具有重要意義。

本文將以北京地鐵19號線一期工程新發地站的站臺板為對象，對站臺板的裝配式技術展開探索研究。重點針對目前地鐵車站常用的明挖法和暗挖法，討論了適用于不同施工方案的裝配式站臺板的拆分方法、站臺板連接節點設計及具體施工方案，為后續地鐵車站的安全綠色建設提供參考。

1 工程概況

新發地站是北京地鐵19號線一期工程的中間站，位于豐臺區京開高速新發地北橋東北象限綠地內，沿京開高速東側綠地南北向布置，為地下3層13m島式站。車站主體結構為3層雙柱3跨的框架結構，車站設計起(終)點里程為：K33+178.623—K33+424.623，有效站臺中心里程為 K33+291.623， 總長246m，標準段寬22.3m，頂板覆土約厚3.3m，軌面埋深約22.388m。車站共設置3個出入口、4個安全出口，兩端各設置2組風亭(頂板頂出設計)。車站主體結構采用明挖法施工，兩端接盾構區間。車站主要構件的設計使用年限為100年，永久構件的安全等級為一級，二次結構構件在按荷載效應基本組合進行承載力計算時，結構重要性系數取1.1，按荷載效應的偶然組合進行承載力計算時，結構重要性系數取1.0。

新發地車站站臺板的典型剖面如圖1所示。站臺板有效寬度為13.0m，有效長度約為186.0m。板底距離底板高度為1.39m，兩端設置200mm厚端墻，跨中設置鋼筋混凝土梁，梁下為300mm×300mm鋼筋混凝土柱。

圖1 站臺板典型剖面

2 裝配式站臺板拆分設計

拆分是裝配式技術的關鍵環節。構件拆分受多方面因素的影響，如建筑功能性、結構合理性、制作運輸安裝環節的可行性和便利性。本車站站臺板的拆分原則大致如下：①拆分應考慮站臺板受力的合理性，如按單向還是雙向板考慮；②構件拆分接縫宜選在應力較小部位；③盡可能減少構件規格和連接節點種類；④宜與相鄰的相關構件拆分協調一致；⑤充分考慮預制構件的制作、運輸、安裝各環節對預制構件拆分設計的限制，遵循受力合理、連接簡單、施工方便、少規格、多組合的原則。

由于地鐵車站內不同位置站臺板建筑功能的差異，整個站臺板的規格并不完全一致，公共區樓梯和設備區開洞較多，如果所有站臺板均采用裝配式方案施工，則構件預制需要的模具種類繁多，生產成本較高，且難以實現標準化。綜合考慮，初步選取公共區(避讓樓扶梯)及設備區未開洞部分的站臺板作為裝配式技術的施工對象。

2.1 明挖順作法

由于該車站采用明挖順作法施工，有較大的構件運輸和吊裝空間，因此，在進行站臺板拆分時，盡可能減少站臺板的拆分數量，減少現場拼接工序。本方案將站臺板、左右邊側墻及中間梁柱視為整體，沿其中軸線對稱拆分成兩部分，具體如圖2所示。

圖2 站臺板拆分(方案1)

每個預制節段包括站臺板和側墻，其橫斷面為槽形。由于主體結構框架柱的存在，部分站臺板需在框架柱位置開洞，因此，共存在4種規格的預制節段，如圖3所示。其中，預制塊A1為 2.565m×6.495m，重約11.36t；預制塊A2為2.565m×6.495m，重約11.61t；預制塊A3為3.03m×6.495m，重約13.73t；預制塊A4為3.03m×6.495m，重約13.48t。站臺板總面積2 980m2，設備區站臺板總面積831m2，可裝配面積約86.1m2，裝配率約10.4%；公共區站臺板總面積為2 149m2，可裝配面積 1 338.3m2， 裝配率約62.3%。裝配式站臺板區域如圖4所示。

圖3 站臺板預制節段尺寸(方案1)

圖4 裝配式站臺板區域(方案1)

2.2 暗挖法

如果車站位于繁華的城市中心區，明挖順作法受限，采用暗挖施工時，車站內施工空間有限，且不能采用大型吊裝機械，因此，方案1的站臺板拆分并不適用。本節考慮有限施工空間和吊裝能力，提出了第2種站臺板拆分方案，站臺板有效寬度范圍內橫向拆分如圖5所示。橫向拆分為4塊，共3種規格，綜合現場機械吊運能力及安裝要求，各預制塊的詳細尺寸及吊點設置如圖6所示。其中，預制塊A為0.99m×2.75m， 重約1.36t；預制塊B1為0.99m×2.55m，重約1.26t；預制塊B2為0.99m×3.2m，重約1.58t。設備區站臺板可裝配面積423.3m2，裝配率約50.9%；公共區站臺板可裝配面積1 811.7m2，裝配率約84.3%。裝配式站臺板區域如圖7所示。

圖5 站臺板拆分示意(方案2)

圖6 各預制塊構造(方案2)

圖7 裝配式站臺板區域(方案2)

3 預制節段連接接頭設計

合理可靠的連接是裝配式建筑的關鍵，是確保結構整體受力的前提。現階段，建筑結構領域裝配式樓板的連接方式主要有兩種：①濕連接[9]，通過在連接處預留一定范圍的混凝土后澆帶進行連接；②干連接[10]，通過設置預埋的機械連接件進行連接。

對于適用于車站明挖順作法的方案1，站臺板拆分少，現場連接接頭少，僅包括預制塊間的接縫和與底板間的接縫。預制塊間的連接，采用企口砂漿擠密等連接方式；與底板間的連接，則采用預留杯形基礎后灌漿的連接方式，其構造形式如圖8所示。其中，杯底厚度應≥150mm，杯壁厚150～200mm。杯口基礎混凝土初凝后終凝前將芯模取出，并將杯口內側表面混凝土鑿毛。柱插入杯口的深度h1不應小于柱截面高度的1.0～1.2倍，且柱插入杯口部分的表面應盡量鑿毛。柱與杯口之間的空隙，應用細石混凝土充填密實，其強度達到基礎設計強度等級的70%以上時，方能進行上部吊裝。

圖8 杯形基礎連接示意

對于適用于車站暗挖法的方案2，由于受施工空間和吊裝能力的限制，站臺板拆分較細，連接接頭較多，主要可歸為兩大類：①板與板之間的連接，包括預制塊A和預制塊B1，B2的連接；②板與墻、梁的連接。

對于板間的連接，采用企口式后澆帶的連接方式[11]，具體的構造措施如圖9所示。預制塊A和B擱置在主體結構底縱梁上，底縱梁表面鑿毛處理，且鑿毛凹凸深度≥6mm；預制塊端部預留凹形企口，企口深度約30mm，且端面鑿毛處理，其鑿毛凹凸深度≥4mm；后澆帶總長度為840mm；后澆帶內兩預制板鋼筋的搭接長度取10d(鋼筋直徑)。當后澆帶遇到主體結構中柱時，連接構造如圖9b所示。預制站臺板直接擱置在底縱梁上，板內鋼筋在中柱粗糙面處直接截斷，板端與柱間的縫隙約20mm，采用C40 CGM灌漿料封堵。

圖9 站臺板間連接接頭構造

對于板與墻、梁的連接，則借鑒建筑結構中預制梁與柱牛腿的連接方式[12]。預制站臺板與現澆側墻的連接構造如圖10a所示，在側墻內預埋22螺紋鋼筋，同時在預制站臺板的相應位置預留直徑為40mm的孔洞，施工時，直接將預制站臺板穿過預埋鋼筋，并采用高強灌漿料對孔洞進行填充。預制站臺板與梁的連接如圖10b所示，在現澆梁內沿寬度方向預埋2排22螺紋鋼筋，預制站臺板內的預留孔洞直接穿過螺紋鋼筋。為避免兩預制塊在安裝時發生碰撞擠壓，中間預留10mm縫隙，并采用柔性材料填充。同樣，縱向預制站臺板之間也留10mm空隙，防止現場拼裝時預制板間擠壓碰撞。

圖10 站臺板與墻和梁連接接頭構造

為確保預制站臺板的正常使用，對公共區和設備區預制站臺板的撓度和裂縫寬度進行了驗算。根據預制站臺板連接接頭構造形式，偏于安全地認為板的邊界條件為兩端簡支，且以跨度最大的預制塊B2作為驗算依據。不同厚度站臺板的撓度和裂縫寬度如表1所示。

表1 預制站臺板撓度與裂縫寬度 mm

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》要求[13]，裂縫寬度不應超過0.3mm，撓度不應超過l/350(l為跨度)。預制塊B2的跨度為3 200mm，即允許撓度值約為9.1mm。對比表1可知，當公共區板厚取≥180mm，設備區板厚取200mm時能滿足正常使用的裂縫寬度和撓度要求。另外，為了進一步減少預制站臺板的模具，公共區和設備區的預制站臺板厚度均取200mm，可使模具從12種規格減少至8種。

4 預制站臺板施工方案

合理的施工方案是保障裝配式正常使用的前提。對于適用于車站明挖順作法的方案1，受施工場地和吊裝能力的限制小，其施工方案較簡單，當車站主體底板及框架柱施工完成后，直接利用龍門式起重機將預制站臺板吊裝就位，插入底板上預留的杯口內即可完成安裝。

對于適用于車站暗挖法的方案2，所有施工作業在車站內的封閉空間進行，運輸及吊裝空間有限。為達到施工要求和目的，綜合設計方案和施工環境，最終確定如下施工流程。

1)主體結構施工的同時，工廠開始站臺板預制。

2)預制站臺板塊運輸至施工現場。

3)利用起重機將各預制塊從車站預留吊裝孔吊裝至車站內部。

4)在站內利用改裝叉車將各預制塊運輸就位。

5)以每20m為一段，先進行跨中站臺板預制塊B1和B2安裝，再進行左右側站臺板預制塊A安裝，最后進行后澆帶施工。

由于站內運輸受到空間的限制，現有的設備并不能實現構件的運輸和吊裝。為方便進行站內運輸、吊裝，根據各預制塊的質量和尺寸，本研究選取5t叉車進行改裝，主要包括：①為實現吊裝功能，在原來的叉車上增加吊臂；②為減少空氣污染，對動力系統進行改裝，將原來的燃油動力改為電動力。

相比于現澆方案，裝配式方案可明顯減少施工現場工人數，節約人工成本；施工工序更簡潔，施工效率高，施工質量易控制；施工文明程度高，現場整潔。值得注意的是，由于裝配式站臺板需專門制作模具，當建設工程量較小時，其總成本相比于現澆方案并無優勢，但當大范圍使用裝配式站臺板時，構件拆分標準化，模具可反復使用，裝配式方案具備明顯的成本優勢。

5 結語

本文以北京地鐵19號線一期工程新發地站為對象，探討了裝配式技術運用于站臺板的可行性，提出了兩種適用于不同車站施工方法的站臺板裝配式方案，重點分析了兩種裝配式方案的拆分設計、連接方法及施工方案，初步得到以下結論與建議。

1)為減少模板數量，使預制構件標準化，建議選取開洞較少的設備區和公共區的站臺板作為預制對象。

2)對于采用明挖法施工的車站，由于受施工空間和吊裝能力的限制小，可將站臺板和側墻視為整體，分成左右對稱的2段。通過在底板預留杯口，實現站臺板的快速拼裝。

3)對于采用暗挖法施工的車站，將站臺板沿橫向拆分成4段，其尺寸和質量均可滿足站內封閉空間的施工要求，且站臺板的裝配率約75%。企口式后澆帶和插筋灌漿的連接形式，施工簡便，受力合理，能使裝配式站臺板連成整體。

4)與現澆方案相比，裝配式站臺板方案能明顯減少施工人數，提高施工效率和質量，同時也能提高現場施工文明程度。