裝配式地鐵車站發展及節點連接設計淺析

何瑩

海南元正建筑設計咨詢有限責任公司第三設計事務所 海南 三亞 572000

1 裝配式地鐵車站

地鐵車站是地下軌道交通的停靠點，可以滿足客流中轉、運送客流的功能。目前地鐵車站結構包括島式和側式兩種。通常地鐵車站優先采用明（蓋）挖法施工，結構形式多采用雙柱三跨雙層或單柱雙跨雙層箱型框架結構體系。目前地鐵車站設計中還存在著很多問題，一方面，地下地鐵車站頂板因需承擔填土荷載有及道路交通荷載，使得頂板構件設計復雜；另一方面，地鐵車站屬于地下隱蔽工程，不可預見因素較多，導致施工周期較長，且多數車站處于交通便利的路口或商業中心區，客流量、交通量比較大，施工期間會造成道路的擁堵，嚴重影響人們的工作與生活[1-3]。

裝配式結構是指以預制構件為主要受力構件，經裝配或連接成的結構[4]，具有材料利用率高、能源消耗低、現場濕作業少等優勢，可實現建筑業“節能、節水、節材、節地”目標。

裝配式地鐵車站指將地鐵車站中框架結構受力構件梁、柱在工廠預制后，在現場組裝、拼裝而成結構，具有安全、高質、高效、綠色環保等顯著優勢[5]。與地面建筑相比，除盾構法隧道外,地下工程在裝配式建造技術方面的研究和應用起步較晚。我國裝配式車站建造技術目前取得了一定成績,仍有很大的提升和拓展空間,在將來仍有許多新的課題需要研究,創新和發展仍是裝配式地鐵車站建設的主旋律。

2 裝配式地鐵車站發展

目前對地鐵裝配式的研究多集中在裝配式出入口、裝配式襯砌、預制站臺板、樓板等次要構造，對地鐵結構中預制主體結構的研究相對較少。在國外，俄羅斯在預制裝配式地鐵車站結構上進行了創新。俄羅斯利用單拱結構的受力機理和優勢，修建了每座地鐵雙層換乘樞紐奧林匹克站，如圖1所示[6][7]。該車站的頂底板均為單拱結構，通過拱結構側向推力抵抗地下連續墻承擔的土壓力，構件間連接采用錯縫拼接，增強整體結構的穩定性，車站所有構件均為預制，施工速度快，施工作業環境好。

圖1 奧林匹克車站

法國的星廣場地鐵車站是暗挖裝配式地鐵車站結構。該車站裝配式技術體現在側墻采用預制鋼筋混凝土拱結構，然后在裝配式構件達到要求后，進行后續結構施工。該工法有效結合了預制裝配式結構和現澆混凝土結構，初期支護和二次襯砌合為一體，取消了臨時支護，加快他工程建設速度，節省了工程造價。

國內的預制裝配式地鐵車站起步較晚，目前僅在長春地鐵2#線袁家店站中施工完成。袁家占在施工中采用整體裝配方案，通過解剖結構、構件定位、制定合理拼接順序、構件吊裝順序進行整體組裝，如圖2所示。該方案具有施工便捷，縮短工期、勞動力投入少、節省造價和材料用量等優勢。

圖2 袁家村站

3 裝配式地鐵車站設計存在問題

國內外的預制地鐵主體結構主要采用的均是受力性能較好的拱結構，具有形狀不規則和接縫較多缺陷。節點連接部位是裝配式結構的薄弱點。相比地上裝配式結構，地下裝配式結構在節點連接部位需要解決連接強度和防水性能兩個方面。由于是分塊拼裝的，構配件之間會留下大量的拼裝接縫。如果接縫位置強度和防水不能得到保障，結構安全性受到威脅。

結構的震害調查表明：預制裝配式剪力墻結構中預制構件并沒有出現嚴重破壞，破壞主要集中在接縫與節點處。而對下地下裝配式結構受到地震力時，接頭與節點也不可避免地承受來自地層的橫向剪切作用。地鐵作為市政公用工程重要性不言而喻，考慮其結構承載、百年耐久性、防水防滲等高要求高標準，因此對接頭的抗震以及消能耗能研究就顯得成為重要。另外，對于地鐵車站，尤其是處于地下水位比較高的地鐵車站，由于長期處于地下水位以下，對接縫與節點的抗滲技術也是一個需要解決的關鍵問題，接縫與節點處的消能和抗滲技術也是制約裝配式在地下地鐵車站普及應用的主要瓶頸。此外，裝配式車站要和地下車站現澆結構一樣承擔外部荷載和巖層，兩者的結構內力大致相同，預制構件在連接節點處的力學性能需要和現澆結構一樣。因而，預制混凝土節點設計是地鐵車站裝配式設計的關鍵。

4 裝配式地鐵車站節點設計

裝配式地鐵車站節點主要有兩種連接方式，即“榫卯式”和“栓接式”。

“榫卯式”預制混凝土節點如圖3較現有節點構造有以下兩方面優勢：一是在提高工業化水平方面，“榫卯式”節點的預制構件沒有外露的錨連鋼筋，解決了裝配式混凝土結構在運輸、吊裝安裝方面的不便；其次是在其提高混凝土結合面性能方面，“榫卯式”節點接縫處的預制混凝土突起間能較好咬合，咬合處可直接提供相應的抵抗側向變形的能力，顯著提高抗裂性能和整體工作性能，對于預制混凝土結構體系具有重要意義[8][9]。

圖3 裝配式地鐵車站榫卯式連接節點

“栓接式”是在地鐵車站側墻澆筑過程中預埋型鋼構件，在工廠預制車站頂板的過程中預留孔洞，車站主體結構與頂板連接時，將側墻預埋的鋼構件穿過頂板預留孔洞，用高強螺栓進行連接的方法。地鐵區間盾構管片采用高強螺栓經驗成熟，但是關于具體材質、型號選取經歷過漫長的探索，業內盾構管片多采用8.8s級，直徑M24mm，成型后區間結構受力、耐久性各方面穩定可靠。但是該思路經過分析表明實際應用困難重重、過于理想化，因此還需要針對細節設計嚴格進行分析和考量。

本文通過經驗類比法，結合自身對裝配式建筑結構和鋼結構的學習和研究，提出一種高強螺栓組合形式如圖4。該種連接方式是在車站側墻面的澆筑過程中，先預埋型鋼件，在工廠預制車站頂板的過程中預留孔洞。因車站裝配式方案里板、墻截面厚度800mm，通過企口錯臺形成550mm+250mm兩部分，取最小截面250mm的十分之一厚度作為螺栓直徑認為比較匹配（避免構造破損）。設計時考慮一個連接節點設2組螺栓，布設原則以“小而密間距”比“大而梳間距”避免應力集中、使得受力性能更優。

圖4 裝配式地鐵車站栓接式連接節點

5 結語

本文對國內外裝配式地鐵車站發展進行說明，指出裝配式地鐵車站關鍵問題為節點連接設計，并對節點連接設計進行討論，最后提出一種高強螺栓組合形式連接方式設計思路，供設計參考。