青島地鐵 6 號線裝配式地鐵車站大型異形 PC 構件制造技術

張全昌，陳 燁，穆鵬雪，安良梅，于海鵬

（1. 青島中科坤泰裝配建筑科技有限公司，山東青島 266603；2. 青島中科坤泰智能建造研究院，山東青島 266520）

1 引言

隨著工業化生產技術的快速發展以及建筑業的加速轉型，傳統高能耗、勞動力密集、生產技術低下、生產成本高、污染嚴重的粗放式建筑施工方式將被高質量、低能耗、綠色可持續發展的現代化建筑產業發展模式所取代，而裝配式建筑正是現代化建筑的重要組成部分[1-2]。

隨著裝配式技術的不斷發展和國家政策的持續性鼓勵[3-4]，作為地鐵的重要組成部分——地鐵車站，也開啟了裝配式建造的征程。自2021年長春地鐵2號線開始建設裝配式車站至今，國內已有長春、北京、濟南、上海、廣州、哈爾濱、深圳、無錫、青島9個城市40座地鐵車站從不同角度開展了裝配式車站建造技術的研究和應用工作[5-7]。相比于傳統現澆地鐵車站，裝配式車站不但具有高效率、高精度、質量可控、工期短等優點，而且對綠色可持續發展有著積極的意義。1座標準全方位裝配式車站可減少用工80%，節約鋼材800 t、木材800 m3，減少建筑垃圾60%，減少碳排放20%，縮短裝配現場作業時間約70%，節省工時4～6個月，對碳達峰、碳中和有著直接貢獻作用，同時也助推著地鐵建造技術的迭代升級和快速發展[8-9]。

本文探究了青島地鐵6號線裝配式車站預制構件的生產技術難點、質量控制要點，可為后期裝配式車站預制構件的生產、施工提供一定的技術參考。

2 工程概況

青島市地鐵6號線位于青島市西海岸新區，一期線路全長30.8 km，全部為地下線路，共設車站21座，其中6座為裝配式車站，建成后將成為貫穿西海岸新區中心城區的骨干線，是地鐵建設及沿線開發建設重點推進項目之一。目前，6座裝配式車站主體均已順利拼裝完成，裝配構件共計434環，拼裝總重量達12 萬t，累計應用面積達46 918 m2。

裝配式車站設計為上下2層，主體結構全部采用構件拼接，每環寬度2 m，由7塊預制構件組成（構件編號分別為：A、B、C、D、E、F、G），其中生產難度最高的底板A塊，長度超過20 m，重達113 t。車站主體結構如圖1和圖2所示。

圖1 裝配式車站主體結構示意

圖2 裝配式車站主體結構拼裝

3 難點分析

該項目工期緊張，涉及的預制構件尺寸大、質量重、結構復雜，構件制作、安裝、拼接精度極高，同時需防止溫度裂縫與貫穿裂縫的產生。預制構件生產過程的質量控制對后期裝配式車站的拼裝效率、拼裝質量有著至關重要的作用。

整個生產工藝過程中主要的技術難點有：

（1）大型、異形模具的設計精度及穩定性的控制；

（2）C50P10早強高性能混凝土的研究；

（3）超大異形預制構件的動態養護措施；

（4）預制底板A塊的翻轉；

（5）預制構件吊裝、運輸。

針對以上難點，結合工程中的預制構件特點，詳細研究并制定了各個工藝環節的專項方案，從而確保了預制構件各項技術質量的達標。

4 生產難點與質量控制

4.1 模具

模具是保證構件制作精度的關鍵，項目從模具的設計、加工制造、安裝、運行環節，全方位閉環控制，保證預制構件的制造精度。

4.1.1 模具設計、加工精度控制

項目模具最大長度達到20余m，且為弧形異形模板，大型鋼模具在加工過程中容易因為殘余應力引起變形，同時降低鋼板的實際強度和疲勞極限，造成應力腐蝕和脆性斷裂。因此，降低和消除鋼模板的殘余應力是模具質量控制中的必要工作。為解決以上問題，主要采取以下措施。

（1）優選Q355優質鋼材，設計、加工組合支撐鋼架，保證模具整體剛度和穩定性。

（2）激光切割精準下料，定制模具粗加工后的應力釋放專項方案，采用熱時效工藝，將鋼板由室溫緩慢、均勻地加熱至550 ℃左右，保溫4～8 h，再嚴格控制降溫速度至150 ℃以下出爐。

（3）采用人工測量與激光測距結合方式，檢測大型預制構件的制作精度（生產前測量，即在合模完成后，利用激光測距對模具長、寬進行測量，保證合模尺寸精度；生產后測量，即在開模起吊后利用人工對成品構件進行測量，保證質量合格）。

4.1.2 模具安裝、運行精度和穩定性控制

（1）首創伺服電機作為模具開合的驅動系統，結合位置傳感器實現模具自動行駛、精準定位、自動開合，精度達到±1 mm，確保模具10 min內完成自動開合。

（2）結合建筑信息模型（BIM）技術進行模具運行仿真模擬并建立數字化模型，安裝和生產過程智能協同。模擬真實運行情況下的受力狀態，保證模具剛度，避免變形，確保構件精準成型，如圖3所示。

圖3 模具運行仿真建模和同步受力分析

（3）設置伺服電機頂緊裝置、對拉套鎖等措施，給模具提供一定的預壓力，精準控制模具由于混凝土的側壓力而產生的變形，實現模具生產穩定性控制，如圖4所示。

圖4 模具頂緊裝置和對拉套示意圖

4.2 C50P10 早強高性能混凝土的研究

4.2.1 早強高性能混凝土的難點分析

本項目預制構件的特點是：①早期強度較快速增長，要求6～10 h拆模（≥10 MPa），24～36 h吊裝（≥37.5 MPa）；②幾何尺寸大，底板長20.5 m，寬2 m，端部厚2.3 m，中部厚1 m；③力學、抗滲等級要求高，除中板外，所有預制構件都將采用C50P10的高性能混凝土。傳統大體積混凝土構件預制工藝易導致水泥水化熱在結構內部集聚并難以擴散，從而引起大體積混凝土出現裂縫，影響構件的整體性和耐久性。因此，本項目中大體積混凝土的早強和抗裂的矛盾分析是重點研究工作之一。需要一種既滿足混凝土的強度、整體性、和易性以及耐久性等要求，又能夠較好控制溫度應力、解決裂縫問題的大體積混凝土構件的高效制備工藝。

4.2.2 原材料優選

（1）優選水化熱較低的膠凝材料體系（P·O 42.5級水泥、F類Ⅱ級粉煤灰、S95級礦渣粉）、低堿活性的優質粗細骨料，提高流動性，降低混凝土收縮量，降低膠凝材料體系水化熱。

（2）自研裝配式構件專用早強型聚羧酸減水劑，解決減水劑帶來的緩凝作用和引氣性，加速誘導水泥水化過程和結晶成核，快速增強早期強度，提高耐久性和抗滲性。

4.2.3 配合比及工作性能試驗

（1）配合比設計。根據對C50P10早強高性能混凝土配合比的多次試驗分析[10-11]，在滿足工作性能、力學性能等要求的情況下，最終優選出配合比方案見表1。

表1 C50P10預制構件混凝土配合比 kg/m3

（2）拌合物基本性能。每車混凝土自生產到澆筑結束大約需要1 h，所以，試驗測試了混凝土拌合物初始、1 h的坍落度和擴展度及混凝土凝結時間等，以保證新拌混凝土在整個澆筑過程中均能滿足使用要求，混凝土拌合物性能試驗結果見表2。

表2 混凝土拌合物基本性能

（3）力學性能。通過對配合比試拌、成型后進行標準養護及溫度匹配養護，試壓各齡期試件強度，預制構件混凝土力學性能均符合設計要求。具體力學性能如圖 5～圖8所示。

由圖5和圖6可知，在標準養護條件下，混凝土試件3天抗壓強度37.9 MPa（75.8%），7天抗壓強度48.7 MPa（97.4%），28天抗壓強度59.6 MPa（120%），56天抗壓強度64.3 MPa（128.6%），混凝土力學性能符合規范設計要求。

圖5 標養混凝土試件各齡期抗壓強度

圖6 標養混凝土試件各齡期劈裂抗拉強度

由圖7和圖8可知，在溫度匹配養護條件下，混凝土6 h抗壓強度10.8 MPa（21.6%），1天抗壓強度40.9 MPa（81.8%），3天抗壓強度53.4 MPa（106.8%），7天抗壓強度55.2 MPa（110.4%），28天抗壓強度60.3 MPa（120.6%），56天抗壓強度63.9 MPa（127.8%），混凝土力學性能符合規范設計要求[12]。同時滿足早期強度快速增長并實現6～10 h拆除側模（≥10 MPa），24 ～36 h起吊存放的要求（≥37.5 MPa）。

圖7 溫度匹配混凝土試件各齡期抗壓強度

圖8 溫度匹配混凝土試件各齡期劈裂抗拉強度

4.3 超大型預制構件的動態養護

4.3.1 蒸汽養護

采用全自動智能蒸汽養護設備，準確控制溫度和時間，加速混凝土早期強度發展[13]，從而實現預制構件盡快脫模，加速流水化進程，提高生產效率，蒸汽養護制度如表3所示。

表3 地鐵預制構件蒸養制度

4.3.2 保溫、保濕養護

超大、異形混凝土預制構件在蒸汽養護、拆除側模工作完成后，水化溫升還遠未達到峰值，混凝土構件內、外溫度仍持續上升，因此需采取保溫、保濕處理，使預制構件先升溫再逐步降溫，以防止溫度裂縫的產生。養護時間按照混凝土構件內、外溫度進行調整，一般總時長不少于5天。在保溫、保濕養護期間，對混凝土進行不同材料多層覆蓋，覆蓋層如圖9～圖10所示，有效減少混凝土構件上表層水分散失的同時，防止混凝土表層溫度快速下降，避免構件內、外產生較大溫差。

圖9 保溫、保濕覆蓋層示意圖

圖10 車站底板A塊保溫、保濕養護圖

4.3.3 自然保濕養護

待構件溫度降至與環境溫度差小于20 ℃后，去除構件覆蓋物（塑料布、厚棉被），噴淋灑水進行保濕養護。當環境溫度低于5 ℃時，采取噴涂養護劑的措施進行保濕養護。

4.3.4 溫度動態監測

結合溫度傳感、數字采集等方式實現混凝土芯部、表層、環境溫度的實時監測，通過信息采集、數字化監控實現全流程監控養護，保證構件內、外溫差低于20 ℃，養護濕度維持在95%以上，避免溫度裂縫產生[14-15]。預制構件內、外溫度實測值如圖11所示。

圖11 預制底板A塊端部內、外溫度監測數據圖

4.4 預制底板 A 塊翻轉

為實現重達113 t的車站預制底板A塊180° 翻轉，研發出可實現最大翻轉130 t的超大異形裝配式構件智能翻轉設備，此設備可滿足大跨、異形、超重預制構件在0°～180°的翻轉需求，具有極高的先進性、可靠性。

基于底板A塊的造型結構及翻轉需求，設計研發的多組液壓油缸翻轉設備，可實現裝配式車站底板A塊0°～180°正向、逆向任意角度翻轉。翻轉設備主要由固定翻轉架基座、L形翻轉支撐架、電氣設備、液壓油泵裝置、傳動裝置、從動裝置、管路、閥路、傳感器等組成，整體方案主要采用液壓油缸傳動，L形翻轉支撐架采用從動方式進行翻轉，翻轉流程如下：

第1步，將底板A塊吊裝放置在L形翻轉支撐架上；

第2步，啟動液壓油泵，在預制構件翻轉0～90°時，上側6個連接液壓油缸向下收縮進行翻轉，液壓系統采用流量控制式同步回路，保證油缸與預制構件同步行走、均勻受力；

第3步，在預制構件翻轉至90～180°時，下側6 個連接液壓油缸開始向上支撐，L形翻轉支撐架配合傳動裝置使預制構件翻轉至180°，完成預制構件的翻轉，翻轉示意如圖12、圖13所示。

圖12 預制底板A塊翻轉示意圖（單位：mm）

圖13 預制底板A塊翻轉實圖

圖14 預制底板A塊正反面吊點設置示意

4.5 吊裝、運輸

對于超長、超大的異形混凝土預制構件的吊裝、運輸一直以來都有一定的難度，而對于此次地鐵車站預制構件而言主要有以下難點：

（1）體積超大，重量超重，如何平穩、安全無破損吊裝；

（2）超長異形構件吊點數量、規格、位置的確定；

（3）超長異形構件車輛的選擇；

（4）運輸車輛支撐架、支點數量、位置的設計；

（5）150 km長距離運輸路途顛簸。

以上多種因素大幅增加了預制構件在吊裝、運輸過程中因受力集中出現較大面積破損和因受力不均衡而產生貫穿性裂縫的風險。

4.5.1 吊裝

底板A塊長度達到20.5 m，自重達113 t，常規的吊裝方式難以實現其吊裝任務。為保證底板A塊的吊裝平穩、安全，利用數學模型對預制構件進行受力分析，最終決定正反兩面各設置4組共計8個吊點，每個吊點可滿足32 t的承載力，并利用2臺承載力為120 t同頻運行的大型行車進行吊裝，底板A塊吊裝吊點設置如圖 14所示。

4.5.2 運輸

（1）運輸前準備。依據預制構件尺寸，定制加長掛車；根據構件類形、尺寸進行受力計算，制作構件運輸支撐架等，底板A塊運輸支撐架及支點位置如圖15所示；申請專門路線，規避橋洞、大坡、急轉彎、過窄等路線。

圖15 預制底板A塊支撐架示意

（2）注意事項。運輸支撐架受力位置放置10 cm厚高強橡膠墊塊；預制構件與運輸支撐架受力位置貼合，用鋼絲繩將預制構件與車體固定，所有受力接觸點設置橡膠墊塊、角鋼進行隔離、保護；車輛運輸過程平穩行駛，盡量避免緊急制動情況。

5 總結

（1）采取激光切割、有限元模擬、自動控制系統等方法能有效控制大型、異形模具的精準度和穩定性，且滿足生產過程和車站拼裝過程的高精度要求。

（2）優選早強高性能混凝土配合比、制定大型預制構件保溫保濕養護方案、監測實體構件水化溫升等措施不僅滿足混凝土施工性能和各齡期力學性能要求，且能有效避免大型預制構件溫度裂縫的產生。

（3）通過設計吊點位置、同頻行車、運輸支撐架、申請專門輸送路線等措施，能有效減小預制構件在吊裝、運輸過程中因受力集中出現較大面積破損和因受力不均衡而產生貫穿性裂縫的風險。

（4）我國裝配式車站建造技術起步時間較晚，但是發展勢頭迅猛，車站預制構件生產正逐步向設計標準化、生產工業化、施工自動化、控制精準化的生產理念和生產模式邁進。

（5）“適用、經濟、安全、綠色、美觀”成為現代建筑的指導方針，因此推進建筑業轉型升級，大力發展現代化建筑是未來建筑業發展的大趨勢。