許俊超

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢∥高級(jí)工程師)

20世紀(jì)60年代，法國(guó)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(jì)80年代，前蘇聯(lián)聯(lián)邦國(guó)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(jì)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(guó)內(nèi)裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)展目前尚處于起步階段，長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線袁家店站是我國(guó)首次采用裝配式技術(shù)建造的地鐵地下車站，濟(jì)南軌道交通R1線演馬站是基于臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)相結(jié)合建成的裝配式車站[1-2]。

近年來(lái)，建筑業(yè)亟需進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，以積極應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力老齡化這一嚴(yán)峻問(wèn)題。在國(guó)家層面，國(guó)務(wù)院及國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部密集發(fā)布了鼓勵(lì)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(zhǎng)春等地開(kāi)始試點(diǎn)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(wú)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(wèn)題、多道內(nèi)支撐體系下的結(jié)構(gòu)施工問(wèn)題及結(jié)構(gòu)的整體受力性能等問(wèn)題。本文針對(duì)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(duì)地鐵裝配式地下車站的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用起到促進(jìn)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(jì)方案，是通過(guò)理論研究并結(jié)合數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究得到的。該方案突破了各構(gòu)件新型環(huán)扣式節(jié)點(diǎn)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(jì)算理論及計(jì)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(wú)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(guò)優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)方案，為保證結(jié)構(gòu)縱向柱間距達(dá)9 m，預(yù)制構(gòu)件按照縱向3 m/塊進(jìn)行拆封，以方便運(yùn)輸，以及在內(nèi)支撐縱向間距4.5 m時(shí)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(diǎn)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(guò)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(hù)結(jié)構(gòu)。采用明挖順作法，邊開(kāi)挖邊支撐，開(kāi)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(duì)底板、底縱梁現(xiàn)澆混凝土。完成負(fù)二層側(cè)墻防水施工。吊裝、拼裝負(fù)二層的側(cè)墻、柱、中縱梁等預(yù)制構(gòu)件。

3) 澆筑負(fù)二層側(cè)墻混凝土。安裝中縱梁與柱的連接節(jié)點(diǎn)，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(shí)負(fù)二層已形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，待現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，拆除第二道鋼支撐。

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

6) 澆筑負(fù)一層側(cè)墻混凝土，安裝頂縱梁與柱的連接節(jié)點(diǎn)，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(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，拆除第一道混凝土支撐。隨后實(shí)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(jì)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(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整各構(gòu)件受力性能設(shè)計(jì)和計(jì)算。主要包括：頂板、中板預(yù)制構(gòu)件斷面設(shè)計(jì)和計(jì)算；側(cè)墻預(yù)制構(gòu)件斷面設(shè)計(jì)和計(jì)算，頂縱梁、中縱梁預(yù)制構(gòu)件斷面設(shè)計(jì)和計(jì)算，運(yùn)輸、吊裝方案設(shè)計(jì)和計(jì)算等。

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

3) 試驗(yàn)研究。主要包括預(yù)應(yīng)力疊合板、疊合梁、框架梁柱、中板開(kāi)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(jì)算研究

文獻(xiàn)[3-4]已對(duì)地鐵裝配式地下車站側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)抗震性能做了研究。在此基礎(chǔ)上，本文針對(duì)地鐵裝配疊合整體式地下車站進(jìn)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(jì)算的有限網(wǎng)格及其計(jì)算結(jié)果。該計(jì)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(jì)算實(shí)例，明確反應(yīng)位移法的計(jì)算方法及其計(jì)算過(guò)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(xiàng)設(shè)計(jì)與計(jì)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(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，用以指導(dǎo)車站構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

2) 對(duì)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(dòng)特性等進(jìn)行合理模型化，建立土層-裝配式地下結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力耦合相互作用的整體有限元二維和三維精細(xì)分析模型，研究模型的計(jì)算方法。

3) 通過(guò)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(duì)比分析裝配式車站結(jié)構(gòu)與對(duì)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(duì)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(dòng)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(diǎn)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(diǎn)的計(jì)算模型及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖片。對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行研究，其主要內(nèi)容包括：

1) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。對(duì)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)研，確定側(cè)墻底節(jié)點(diǎn)與側(cè)墻頂節(jié)點(diǎn)的連接型式，確定頂層梁柱連接節(jié)點(diǎn)的型式并進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算，對(duì)本項(xiàng)目的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案與規(guī)范已有的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較分析。

a) 節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型

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

3) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能數(shù)值模擬。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域采用三維實(shí)體單元，對(duì)側(cè)墻剩余部位采用SHELL單元。主要對(duì)三維實(shí)體單元與SHELL單元的連接方式進(jìn)行研究。數(shù)值模擬側(cè)墻頂、底節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)及所有相關(guān)構(gòu)件的承載力，并與試驗(yàn)得到的骨架曲線進(jìn)行對(duì)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(duì)地鐵地下車站的特點(diǎn)，本文主要針對(duì)兩個(gè)方面進(jìn)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?jī)?nèi)容包括裝配式車站外包防水、細(xì)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(gè)構(gòu)件開(kāi)裂的原因及其應(yīng)對(duì)措施。由配比試驗(yàn)研究可知：混凝土底板開(kāi)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(kāi)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(guò)抗拉強(qiáng)度； 頂板開(kāi)裂的原因主要為凝結(jié)前的塑性沉降開(kāi)裂及塑性收縮開(kāi)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(yàn)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(qiáng)約束條件下的抗裂性，南門站在施工時(shí)，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(píng)與自我批評(píng)”是中國(guó)共產(chǎn)黨從成立之日至延安時(shí)期成熟的三大優(yōu)良作風(fēng)之一。勇于和善于開(kāi)展嚴(yán)肅而認(rèn)真的批評(píng)與自我批評(píng)是增強(qiáng)黨的生機(jī)與活力的重要法寶，也是搞好高校黨建教育活動(dòng)的潤(rùn)滑劑。習(xí)近平總書記在關(guān)于嚴(yán)格黨內(nèi)政治生活，開(kāi)展積極而健康的批評(píng)與自我批評(píng)明確指出:【要本著對(duì)自己、對(duì)同志、對(duì)班子、對(duì)黨高度負(fù)責(zé)的精神，大膽使用，經(jīng)常使用批評(píng)與自我批評(píng)這個(gè)武器，敢于揭短亮丑、真刀真槍、見(jiàn)筋見(jiàn)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(dòng)?！縖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(guò)測(cè)試，C30P8型號(hào)的抗?jié)B混凝土在沒(méi)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(huì)超過(guò)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?？p隙處有微量的振動(dòng)，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(kāi)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(qiáng)和自身強(qiáng)度非常好的環(huán)氧涂膜抹涂在裂縫上，裂縫變形時(shí)能夠很容易觀察到涂膜斷裂，外部水沒(méi)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(shí)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(hù)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(kāi)。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(duì)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(shí)，側(cè)墻采用自粘防水卷材。

2.4.3 裝配式車站細(xì)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(jìn)行防水處理外，預(yù)制構(gòu)件之間形成的縫隙也需要實(shí)施防水處理。其防水措施主要有兩個(gè)：一是通過(guò)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(wèn)題，同時(shí)在一定程度上防止使用期間出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)滲漏水問(wèn)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(wèn)題。

2.4.3.2 裝配段施工縫防水方案

1) 水平施工縫(詳見(jiàn)圖 6)。對(duì)于車站墻體(設(shè)厚度為W)與底板、中板連接的“濕節(jié)點(diǎn)”，采用環(huán)箍的施工方案；現(xiàn)澆墻體無(wú)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(shí)際情況單道、復(fù)合或者多道使用。

圖6 水平施工縫節(jié)點(diǎn)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(gè)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(wú)法預(yù)埋橡膠鋼板止水帶，可采用丙烯酸樹(shù)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(diǎn)大樣Fig.7 Detail drawing of circumferential construction joint

3 結(jié)語(yǔ)

與當(dāng)前國(guó)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(jì)的多個(gè)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(jì)方案，有效解決了地鐵裝配式地下車站推廣使用受限的問(wèn)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(shí)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(diǎn)的連接方案，解決了各預(yù)制構(gòu)件之間有效連接問(wèn)題。

4) 開(kāi)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(jì)算理論及計(jì)算方法研究，填補(bǔ)了國(guó)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(jì)算的理論及具體計(jì)算方法，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外在該方面理論研究及設(shè)計(jì)計(jì)算的空白。

地鐵裝配疊合整體式地下車站設(shè)計(jì)方案在南門站的應(yīng)用，形成了從裝配方案體系設(shè)計(jì)、預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)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(jì)及施工中推廣使用，以減少對(duì)城市環(huán)境的污染。此外，該方案可縮短工期，減少施工對(duì)城市交通的不利影響，有效提高施工的機(jī)械化與自動(dòng)化程度，降低人力成本，還有利于節(jié)約資源能源、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率、促進(jìn)建筑業(yè)與信息化工業(yè)的深度融合，促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。