富水軟土地區(qū)地鐵裝配疊合整體式地下車站設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

許俊超

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 430063， 武漢∥高級工程師)

20世紀60年代，法國人首創(chuàng)了預(yù)制鋼筋混凝土管片裝配拱技術(shù)，該技術(shù)在地鐵地下車站施工中得到了廣泛應(yīng)用。20 世紀80年代，前蘇聯(lián)聯(lián)邦國家在明挖法施工的地鐵區(qū)間隧道、車站主體及附屬通道等工程中應(yīng)用了預(yù)制裝配技術(shù)。20世紀90年代，俄羅斯采用裝配式層間樓板單拱結(jié)構(gòu)建成了彼得堡地鐵的奧林匹克換乘車站。國內(nèi)裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)展目前尚處于起步階段，長春地鐵2號線袁家店站是我國首次采用裝配式技術(shù)建造的地鐵地下車站，濟南軌道交通R1線演馬站是基于臨時支護與永久支護相結(jié)合建成的裝配式車站[1-2]。

近年來，建筑業(yè)亟需進行產(chǎn)業(yè)升級，以積極應(yīng)對勞動力老齡化這一嚴峻問題。在國家層面，國務(wù)院及國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部密集發(fā)布了鼓勵發(fā)展裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的政策、文件，希望盡快推廣裝配式建筑，并形成裝配式建筑產(chǎn)業(yè)鏈。目前，地鐵裝配式地下車站在長春等地開始試點并取得了一定發(fā)展，但在南方富水地區(qū)帶內(nèi)支撐基坑的地鐵地下車站尚無應(yīng)用案例，其關(guān)鍵核心技術(shù)主要包括如何解決地下裝配式結(jié)構(gòu)的防水問題、多道內(nèi)支撐體系下的結(jié)構(gòu)施工問題及結(jié)構(gòu)的整體受力性能等問題。本文針對富水地區(qū)、基坑設(shè)置內(nèi)撐的施工條件，提出地鐵新型的裝配疊合整體式的地下車站結(jié)構(gòu)體系，以期對地鐵裝配式地下車站的進一步推廣與應(yīng)用起到促進作用。

1 總體方案介紹

本文提出的富水軟土地區(qū)地鐵裝配疊合整體式地下車站的成套設(shè)計方案，是通過理論研究并結(jié)合數(shù)值模擬、試驗研究得到的。該方案突破了各構(gòu)件新型環(huán)扣式節(jié)點連接方案、單面預(yù)制外墻板疊合結(jié)構(gòu)型式、地鐵裝配整體式地下車站抗震計算理論及計算方法、地鐵裝配整體式地下車站智能化虛擬建造等關(guān)鍵技術(shù)，最終在無錫至江陰城際軌道交通工程的南門站得以應(yīng)用。

南門站采用的裝配疊合整體式結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示。通過優(yōu)化建筑設(shè)計方案，為保證結(jié)構(gòu)縱向柱間距達9 m，預(yù)制構(gòu)件按照縱向3 m/塊進行拆封，以方便運輸，以及在內(nèi)支撐縱向間距4.5 m時的吊裝拼裝。該站底板為現(xiàn)澆混凝土，中柱為鋼管混凝土柱，外墻、頂板、中板及縱梁等均為預(yù)制疊合構(gòu)件。車站底板與側(cè)墻、中板與側(cè)墻、側(cè)墻與側(cè)墻等均采用新型環(huán)扣連接節(jié)點予以連接。該工程中，板均采用先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，梁均采用型鋼組合結(jié)構(gòu)。通過預(yù)應(yīng)力和型鋼抵抗施工荷載，最后澆筑混凝土，形成整體框架結(jié)構(gòu)形式，保證結(jié)構(gòu)受力和結(jié)構(gòu)防水滿足性能要求。

圖1 地鐵裝配疊合整體式地下車站橫斷面示意圖Fig.1 Diagram of cross section of fabricated composite monolithic metro station

南門站的主要施工工序如下：

1) 施工車站圍護結(jié)構(gòu)。采用明挖順作法，邊開挖邊支撐，開挖到基底后施作底板墊層及防水層。

2) 綁扎底板和底縱梁的鋼筋，對底板、底縱梁現(xiàn)澆混凝土。完成負二層側(cè)墻防水施工。吊裝、拼裝負二層的側(cè)墻、柱、中縱梁等預(yù)制構(gòu)件。

3) 澆筑負二層側(cè)墻混凝土。安裝中縱梁與柱的連接節(jié)點，吊裝、拼裝中板預(yù)制構(gòu)件。

4) 澆筑中板疊合層混凝土。此時負二層已形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，待現(xiàn)澆混凝土強度達到設(shè)計要求后，拆除第二道鋼支撐。

5) 鋪設(shè)負一層側(cè)墻防水層。吊裝、拼裝負一層的側(cè)墻、柱、頂縱梁等預(yù)制構(gòu)件。

6) 澆筑負一層側(cè)墻混凝土，安裝頂縱梁與柱的連接節(jié)點，架設(shè)頂板預(yù)制構(gòu)件。澆筑頂板疊合層混凝土，待現(xiàn)澆混凝土強度達到設(shè)計要求后，拆除第一道混凝土支撐。隨后實施管線回遷、頂板覆土回填和恢復(fù)路面交通。

2 地鐵裝配疊合整體式地下車站設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 不同工況下車站整體及各構(gòu)件的受力性能研究

1) 在生產(chǎn)、施工過程中動態(tài)調(diào)整各構(gòu)件受力性能設(shè)計和計算。主要包括：頂板、中板預(yù)制構(gòu)件斷面設(shè)計和計算；側(cè)墻預(yù)制構(gòu)件斷面設(shè)計和計算，頂縱梁、中縱梁預(yù)制構(gòu)件斷面設(shè)計和計算，運輸、吊裝方案設(shè)計和計算等。

2) 對正常工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進行設(shè)計和計算。主要包括：整體結(jié)構(gòu)受力性能計算，頂板、中板預(yù)應(yīng)力疊合構(gòu)件計算，頂縱梁、中縱梁型鋼混凝土疊合構(gòu)件計算方法，側(cè)墻疊合構(gòu)件計算等。

3) 試驗研究。主要包括預(yù)應(yīng)力疊合板、疊合梁、框架梁柱、中板開大洞及門式框架等構(gòu)件在施工階段與正常使用階段的承載力研究。

2.2 結(jié)構(gòu)整體抗震性能計算研究

文獻[3-4]已對地鐵裝配式地下車站側(cè)墻底節(jié)點抗震性能做了研究。在此基礎(chǔ)上，本文針對地鐵裝配疊合整體式地下車站進行全面分析研究。

圖2為地鐵裝配疊合整體式地下車站的結(jié)構(gòu)整體抗震性能計算的有限網(wǎng)格及其計算結(jié)果。該計算主要包括以下方面：

1) 結(jié)合地鐵裝配疊合整體式地下車站結(jié)構(gòu)的計算實例，明確反應(yīng)位移法的計算方法及其計算過程，完成地鐵裝配疊合整體式地下車站結(jié)構(gòu)的抗震專項設(shè)計與計算，揭示地鐵裝配疊合整體式地下車站的抗震薄弱環(huán)節(jié)，驗證設(shè)計方案的合理性，用以指導(dǎo)車站構(gòu)件及節(jié)點的設(shè)計。

2) 對預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件的連接、土體和混凝土的材料非線性、結(jié)構(gòu)配筋和輸入地震動特性等進行合理模型化，建立土層-裝配式地下結(jié)構(gòu)靜動力耦合相互作用的整體有限元二維和三維精細分析模型，研究模型的計算方法。

3) 通過建立與地鐵裝配疊合整體式地下車站結(jié)構(gòu)一致的非裝配式地下車站結(jié)構(gòu)有限元分析模型，對比分析裝配式車站結(jié)構(gòu)與對應(yīng)非裝配式車站結(jié)構(gòu)在層間位移角、結(jié)構(gòu)加速度、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和地震損傷等參數(shù)的差異，揭示了裝配式車站與對應(yīng)非裝配式車站在結(jié)構(gòu)抗震性能上的差異。

a) 有限元網(wǎng)格

4) 考慮預(yù)制肋板與現(xiàn)澆板直接的連接方式，以及預(yù)制構(gòu)件在縱向上環(huán)與環(huán)之間的連接，建立土層-裝配式地下結(jié)構(gòu)靜動力耦合相互作用的三維有限元分析模型，并與二維分析模型的計算結(jié)果進行對比，以研究車站結(jié)構(gòu)整體抗震性能。

6) 總結(jié)地鐵裝配疊合整體式地下車站結(jié)構(gòu)的整體抗震性能研究結(jié)果，提出提高地鐵裝配整體式地下車站結(jié)構(gòu)整體抗震性能的建議與措施。

2.3 關(guān)鍵節(jié)點的力學(xué)性能研究

圖3為地鐵裝配疊合整體式地下車站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點的計算模型及現(xiàn)場試驗圖片。對關(guān)鍵節(jié)點的力學(xué)性能進行研究，其主要內(nèi)容包括：

1) 關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計方案。對GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(2015年版)》、JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等已有的連接節(jié)點設(shè)計方案進行調(diào)研，確定側(cè)墻底節(jié)點與側(cè)墻頂節(jié)點的連接型式，確定頂層梁柱連接節(jié)點的型式并進行設(shè)計、計算，對本項目的節(jié)點設(shè)計方案與規(guī)范已有的節(jié)點設(shè)計方案進行比較分析。

a) 節(jié)點計算模型

2) 關(guān)鍵節(jié)點力學(xué)性能試驗。主要包括：低周反復(fù)加載作用下側(cè)墻底、頂節(jié)點的抗震性能及承載力，側(cè)墻底節(jié)點的位置對側(cè)墻抗震性能與承載力的影響，側(cè)墻頂節(jié)點內(nèi)鋼筋的錨固方式對側(cè)墻抗震性能與承載力的影響，頂層縱梁柱連接節(jié)點的靜力學(xué)性能等。

3) 關(guān)鍵節(jié)點力學(xué)性能數(shù)值模擬。節(jié)點核心區(qū)域采用三維實體單元，對側(cè)墻剩余部位采用SHELL單元。主要對三維實體單元與SHELL單元的連接方式進行研究。數(shù)值模擬側(cè)墻頂、底節(jié)點、梁柱節(jié)點及所有相關(guān)構(gòu)件的承載力，并與試驗得到的骨架曲線進行對比分析，研究其破壞形態(tài)。

2.4 防水關(guān)鍵技術(shù)研究

針對地鐵地下車站的特點，本文主要針對兩個方面進行車站防水的研究：一是混凝土結(jié)構(gòu)自防水，包括預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土抗裂防滲技術(shù)；二是裝配整體式車站防水方案研究，研究內(nèi)容包括裝配式車站外包防水、細部構(gòu)造等。

2.4.1 預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土抗裂防滲技術(shù)

預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土抗裂防滲技術(shù)主要研究各個構(gòu)件開裂的原因及其應(yīng)對措施。由配比試驗研究可知：混凝土底板開裂的原因主要為凝結(jié)前的塑性收縮、硬化溫度收縮和自收縮等因素；側(cè)墻開裂的原因主要為現(xiàn)澆混凝土的溫度收縮和自收縮，因受先澆筑的底板、預(yù)制板約束，導(dǎo)致在混凝土早期收縮應(yīng)力超過抗拉強度； 頂板開裂的原因主要為凝結(jié)前的塑性沉降開裂及塑性收縮開裂，以及硬化后混凝土自收縮、溫降收縮、干燥收縮受下部預(yù)制件約束。結(jié)合試驗結(jié)論，為了控制混凝土因水化熱引起的溫度上升及收縮，提升強約束條件下的抗裂性，南門站在施工時，其底板、中板的混凝土均采用高性能混凝土，頂板采用低收縮、高抗裂混凝土。

“批評與自我批評”是中國共產(chǎn)黨從成立之日至延安時期成熟的三大優(yōu)良作風(fēng)之一。勇于和善于開展嚴肅而認真的批評與自我批評是增強黨的生機與活力的重要法寶，也是搞好高校黨建教育活動的潤滑劑。習(xí)近平總書記在關(guān)于嚴格黨內(nèi)政治生活，開展積極而健康的批評與自我批評明確指出:【要本著對自己、對同志、對班子、對黨高度負責的精神，大膽使用，經(jīng)常使用批評與自我批評這個武器，敢于揭短亮丑、真刀真槍、見筋見骨，不斷清除黨內(nèi)各種政治灰塵和政治微生物，使廣大黨員干部思想受到洗禮，靈魂受到觸動。】[1]

2.4.2 裝配式車站外包防水方案

1) 頂板防水方案。經(jīng)過測試，C30P8型號的抗?jié)B混凝土在沒有裂縫、接縫的情況下，在100 m水頭壓力作用下其最大滲透深度不會超過1 cm。頂板的滲漏部位主要集中在混凝土收縮裂縫及施工縫處。縫隙處有微量的振動，并產(chǎn)生小幅的延伸、伸縮等變形，外包防水層不能適應(yīng)其變形，因而從裂縫端頭或邊界滲漏至防水層局部脫開處。日本科學(xué)家小林清提出了“零延伸”的解決方案，即將一些粘結(jié)力特別強和自身強度非常好的環(huán)氧涂膜抹涂在裂縫上，裂縫變形時能夠很容易觀察到涂膜斷裂，外部水沒法竄流至局部脫粘層下，從而可以確保防水性能。綜合上述因素后，南門站在施工時頂板采用了外包防水涂膜。

2) 側(cè)墻防水方案。南門站的圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，車站內(nèi)襯側(cè)墻與地下連續(xù)墻為復(fù)合結(jié)構(gòu)，外包柔性防水層將地下連續(xù)墻和車站內(nèi)襯側(cè)墻分隔開。預(yù)制墻板構(gòu)件兼做永久模板，與現(xiàn)澆混凝土側(cè)墻形成疊合結(jié)構(gòu)。對于這樣的復(fù)合結(jié)構(gòu)，需要在地下連續(xù)墻上預(yù)先鋪設(shè)具有反粘性能的防水層，與后面現(xiàn)澆的側(cè)墻混凝土形成“皮膚式反粘”的外包防水結(jié)構(gòu)。綜合相關(guān)因素后，南門站在施工時，側(cè)墻采用自粘防水卷材。

2.4.3 裝配式車站細部構(gòu)造防水方案

2.4.3.1 預(yù)制構(gòu)件拼縫處防水方案

預(yù)制構(gòu)件與外側(cè)現(xiàn)澆混凝土形成裝配疊合整體式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式等同“現(xiàn)澆”。側(cè)墻環(huán)向拼縫處的防水方案如圖4～5所示。

單位：mm圖4 側(cè)墻環(huán)向拼縫處的防水構(gòu)造Fig.4 Waterproof construction of circumferential joint of side wall

單位：mm圖5 側(cè)墻環(huán)向拼縫處的防水大樣Fig.5 Side wall circumferential joint waterproof sample

除了預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土拼縫處需要進行防水處理外，預(yù)制構(gòu)件之間形成的縫隙也需要實施防水處理。其防水措施主要有兩個：一是通過采取預(yù)制構(gòu)件之間預(yù)埋充氣膠條措施，解決施工期間現(xiàn)澆混凝土澆筑引起的漏漿問題，同時在一定程度上防止使用期間出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)滲漏水問題；二是在預(yù)制結(jié)構(gòu)拼縫之間增設(shè)嵌入式壓縮密封條，以解決結(jié)構(gòu)滲漏水的問題。

2.4.3.2 裝配段施工縫防水方案

1) 水平施工縫(詳見圖 6)。對于車站墻體(設(shè)厚度為W)與底板、中板連接的“濕節(jié)點”，采用環(huán)箍的施工方案；現(xiàn)澆墻體無法預(yù)埋橡膠鋼板止水帶，可采用遇水膨脹止水條、單組分聚氨酯遇水膨脹止水膠等遇水膨脹材料，并可根據(jù)實際情況單道、復(fù)合或者多道使用。

圖6 水平施工縫節(jié)點大樣Fig.6 Detail drawing of horizontal construction joints

2) 環(huán)向施工縫。如圖7所示，在車站2個墻體鋼筋籠之間采用后插鋼筋籠的施工工藝；現(xiàn)澆混凝土墻體無法預(yù)埋橡膠鋼板止水帶，可采用丙烯酸樹脂遇水膨脹止水條+單組分聚氨酯遇水膨脹密封膠。

圖7 環(huán)向施工縫節(jié)點大樣Fig.7 Detail drawing of circumferential construction joint

3 結(jié)語

與當前國內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)相比，本文在地鐵明挖裝配整體式地下車站設(shè)計的多個方面的關(guān)鍵技術(shù)上均有所創(chuàng)新：

1) 提出了一種適用于富含水地層帶內(nèi)支撐的明挖法施工裝配疊合整體式地下車站的設(shè)計方案，有效解決了地鐵裝配式地下車站推廣使用受限的問題。

2) 提出了采用單面預(yù)制外墻板的疊合結(jié)構(gòu)型式，實現(xiàn)地鐵地下車站預(yù)制裝配及整體現(xiàn)澆的良好結(jié)合，提升了地鐵地下車站裝配疊合整體式建造技術(shù)。

3) 創(chuàng)造性地提出了地鐵裝配疊合整體式地下車站各構(gòu)件新型環(huán)扣式節(jié)點的連接方案，解決了各預(yù)制構(gòu)件之間有效連接問題。

4) 開展了地鐵裝配疊合整體式地下車站“半預(yù)制+半現(xiàn)澆疊合” 結(jié)構(gòu)的抗震計算理論及計算方法研究，填補了國內(nèi)外在該方面的技術(shù)空白。

5) 提出了地鐵裝配疊合整體式地下車站整體及各構(gòu)件在不同工況下受力性能研究計算的理論及具體計算方法，填補了國內(nèi)外在該方面理論研究及設(shè)計計算的空白。

地鐵裝配疊合整體式地下車站設(shè)計方案在南門站的應(yīng)用，形成了從裝配方案體系設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件設(shè)計及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、施工智能化管理、設(shè)備研發(fā)應(yīng)用的全套技術(shù)方案。該方案可在南方廣大富水區(qū)域的地鐵地下車站設(shè)計及施工中推廣使用，以減少對城市環(huán)境的污染。此外，該方案可縮短工期，減少施工對城市交通的不利影響，有效提高施工的機械化與自動化程度，降低人力成本，還有利于節(jié)約資源能源、提升勞動生產(chǎn)效率、促進建筑業(yè)與信息化工業(yè)的深度融合，促進建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。