預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在大型市政地下工程中的施工應(yīng)用

任天曄

(上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433)

1 發(fā)展市政工程預(yù)制裝配式的意義

近幾年我國(guó)勞動(dòng)力逐漸缺乏，各個(gè)地方多年從事施工現(xiàn)場(chǎng)管理的人員都明顯感覺(jué)到施工勞動(dòng)力不足。可見老齡化、人們不愿從事艱苦施工行業(yè)等因素導(dǎo)致的建筑行業(yè)勞動(dòng)力短缺已經(jīng)開始。

我國(guó)人口老齡化趨勢(shì)如圖1所示[1]。

圖1 2016-2050年中國(guó)老年人口規(guī)模和比重

面對(duì)未來(lái)勞動(dòng)力不足的嚴(yán)峻形勢(shì)，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)約勞動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)大大體現(xiàn)。除此之外預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)還具備施工時(shí)間短、環(huán)保節(jié)能、克服季節(jié)影響、工程質(zhì)量容易保證、工業(yè)產(chǎn)業(yè)化高等特點(diǎn)[2-4]。

目前我國(guó)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)主要集中于房屋建筑行業(yè)，尤其是國(guó)內(nèi)預(yù)制裝配式住宅發(fā)展極為迅猛。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2013～2015年每年全國(guó)預(yù)制裝配式住宅建設(shè)面積將近1 000萬(wàn) m2[5]。2016年國(guó)務(wù)院出臺(tái)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作若干意見》，該文件明確指出發(fā)展新型建造方式，大力推廣裝配式建筑，減少建筑垃圾和揚(yáng)塵污染，縮短建造工期，提升工程質(zhì)量。力爭(zhēng)用10年左右的時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%[6]。

綜上，在國(guó)家政策、未來(lái)勞動(dòng)力不足等因素的作用下，預(yù)制裝配式建筑必然具備巨大的發(fā)展空間，其迎合了未來(lái)建筑行業(yè)的發(fā)展需要。目前預(yù)制裝配式已經(jīng)在我國(guó)各地得到普遍推廣，但是在大型公共市政建筑中卻推廣緩慢，尤其是城市地下空間結(jié)構(gòu)方面。由于地下空間防水和防潮較為重要，且目前的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在這方面的技術(shù)比較薄弱，因此地下結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配化進(jìn)程還處于起步階段。但是除了外圍的防水圍護(hù)結(jié)構(gòu)之外，地下空間結(jié)構(gòu)中的其他梁、柱、板等結(jié)構(gòu)完全可以使用預(yù)制裝配式，可見地下空間預(yù)制裝配化還有巨大的發(fā)展空間。地下工程往往涉及到深基坑，其施工對(duì)周圍環(huán)境影響非常大，尤其是降水、變形等對(duì)周圍地面沉降的影響極為嚴(yán)重，因此縮短施工周期對(duì)控制周邊環(huán)境改變有重要意義。而預(yù)制裝配式可以大大縮短工期，在地下空間進(jìn)行預(yù)制裝配式施工不僅節(jié)約勞動(dòng)力，還具備減小影響周邊環(huán)境的效果[7-8]。

2 工程概況

上海市浦東新區(qū)軌道交通某線某地鐵車站，全長(zhǎng)188.2 m，為地下二層島式站臺(tái)車站。車站按雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有4個(gè)出入口，2個(gè)風(fēng)亭。全站站臺(tái)板和6部樓梯采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)。

據(jù)對(duì)上海軌道交通車站施工的調(diào)研，該車站使用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)還屬首例。研究分析該地鐵車站中預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)對(duì)今后的應(yīng)用具有重要意義。

3 預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 PC構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)

由于地下市政工程的特殊性，設(shè)計(jì)階段在不改變地下車站主要結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆的前提下，著手將部分構(gòu)件設(shè)計(jì)為預(yù)制裝配式。

（1）基于地下空間市政工程預(yù)制裝配式還處于起步階段的特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)工程的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行策劃，需在盡可能滿足預(yù)制裝配率的前提下降低施工成本。

（2）房屋建筑的墻板、梁柱等構(gòu)件均較小，并且地上建筑吊裝條件優(yōu)良，而地下市政工程卻正好相反。因此需要著重考慮預(yù)制構(gòu)件的吊裝、安裝等施工問(wèn)題來(lái)確定地下車站中各個(gè)構(gòu)件是否采用預(yù)制裝配式。

（3）大型市政工程不同于房屋建筑工程，往往在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有不可重復(fù)性。因此在考慮采用預(yù)制裝配式時(shí)還需要看各個(gè)構(gòu)件預(yù)制是否具備可推廣性。

（4）預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)需要考慮構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸能力、構(gòu)配件的制作、堆放和起重運(yùn)輸設(shè)備吊裝能力及起重運(yùn)輸設(shè)備服務(wù)半徑所需的空間。

（5）依據(jù)施工水平、工期要求，同時(shí)考慮建造成本，初步確定本項(xiàng)目的預(yù)制率及預(yù)制構(gòu)件種類。在滿足建筑使用功能的前提下，裝配式構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)方法，滿足體系化設(shè)計(jì)的要求，充分考慮構(gòu)配件的標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、多樣化。

最終確定該地鐵車站的預(yù)制裝配式構(gòu)件分為預(yù)制梯板、預(yù)制站臺(tái)板兩種構(gòu)件。

3.2 構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

經(jīng)深度優(yōu)化設(shè)計(jì)，在盡可能滿足標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上樓梯梯板構(gòu)件設(shè)計(jì)為590 mm和690 mm兩種寬度規(guī)格，梯板厚度均為250 mm，選用150 mm×300 mm和159 mm×280 mm兩種規(guī)格的踏步。最大樓梯板重3.78 t。每塊樓梯板一端設(shè)置兩個(gè)灌漿連接孔，與梯梁通過(guò)螺桿和灌漿料等統(tǒng)一連接，如圖2所示。

本工程標(biāo)準(zhǔn)段站臺(tái)板寬12.56 m，標(biāo)準(zhǔn)厚度0.2 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖2 模具拆分示意圖及實(shí)物圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)段站臺(tái)板（單位：mm）

考慮到吊裝運(yùn)輸?shù)睦щy，總體寬度為12.56 m的站臺(tái)板分三塊預(yù)制，如圖3中間一塊長(zhǎng)度尺寸為6.4 m，兩側(cè)兩塊為2.88 m，加上兩個(gè)0.2 m的后澆帶共12.56 m。

在地下空間中吊裝受到限制，因此單塊站臺(tái)板不宜做的太大，長(zhǎng)6.4 m的站臺(tái)板寬度為1 m，重量為3.2 t，2.88 m的站臺(tái)板設(shè)計(jì)寬度為1.5 m。如果遇到柱子等可適當(dāng)改變?cè)煨汀?/p>

站臺(tái)板在后澆帶處預(yù)留180 mm長(zhǎng)的搭接主筋，為后續(xù)兩塊站臺(tái)板連接為一個(gè)整體做準(zhǔn)備。

4 構(gòu)件吊裝

本工程項(xiàng)目在主要結(jié)構(gòu)施工完畢后，進(jìn)行預(yù)制站臺(tái)板和預(yù)制樓梯板的施工。在施工過(guò)程中吊裝分為露天吊裝和封閉空間中吊裝兩種。

本文僅介紹本工程地下封閉空間吊裝施工技術(shù)，這對(duì)今后軌道交通地下工程預(yù)制裝配式施工據(jù)有重要意義。

4.1 吊裝機(jī)械的選擇

本工程預(yù)制構(gòu)件吊裝受限于地下空間的不足，不能采用常規(guī)吊裝設(shè)備吊裝。地下車站分兩層，負(fù)一層凈高4.95 m，負(fù)二層凈高6.05 m。負(fù)一層和負(fù)二層均為三跨框架結(jié)構(gòu)，中間有上下翻梁和立柱等障礙。

在吊裝研究中準(zhǔn)備了兩種方案。方案一為制造一臺(tái)專門吊裝設(shè)備來(lái)吊裝本工程的預(yù)制構(gòu)件。吊裝設(shè)備具有水平和垂直運(yùn)輸?shù)墓δ埽梢栽诘装迳掀鸬醺黝悩?gòu)件，操作方便。但是地下工程的重復(fù)性少，該設(shè)備并不適合推廣，機(jī)械制造成本不能攤銷，因此方案沒(méi)有經(jīng)濟(jì)可行性。

方案二是采用市場(chǎng)上已經(jīng)存在的SWTC5型履帶起重機(jī)吊裝。該起重設(shè)備最大起重量為5 t，自身重量為10 t，可以攜帶重物在平坦地面上自如運(yùn)動(dòng)。相比方案一，采用該種吊裝方案可以避免昂貴的設(shè)備制造費(fèi)用，而僅僅花費(fèi)一些設(shè)備租賃費(fèi)，在經(jīng)濟(jì)上具有推廣性和可操作性。但是車站公共區(qū)樓梯梯板最重一種型號(hào)為3.78 t，履帶吊最大起重能力僅僅為5 t，因此需要非常嚴(yán)格的計(jì)算來(lái)確定吊裝設(shè)備的起吊位置、起吊回轉(zhuǎn)半徑等才能實(shí)現(xiàn)吊裝。其中公共區(qū)樓梯最難吊裝，本方案選擇雙機(jī)抬吊的方式在負(fù)一層對(duì)公共區(qū)樓梯梯板進(jìn)行起吊，并且成功實(shí)現(xiàn)梯板的吊裝。最終選用SWTC5型履帶起重機(jī)來(lái)吊裝預(yù)制構(gòu)件。

4.2 樓梯段吊裝

本工程項(xiàng)目樓梯僅僅對(duì)梯板進(jìn)行預(yù)制，其余梁柱結(jié)構(gòu)均采用現(xiàn)澆。預(yù)制樓梯上下各有200 mm寬擱置在樓梯梁上。樓梯梁上預(yù)埋Φ16高強(qiáng)螺桿，其與每塊梯板上下兩端預(yù)留的灌漿孔相對(duì)應(yīng)，灌漿孔50 mm，預(yù)埋螺桿最大可允許誤差為34 mm。

以公共區(qū)地下空間樓梯吊裝安裝為例，其流程如下。

（1）放梯板安裝控制點(diǎn)，依據(jù)控制點(diǎn)在預(yù)制樓梯吊裝前應(yīng)復(fù)測(cè)梯梁面標(biāo)高。如發(fā)現(xiàn)梯梁面不平或者標(biāo)高不正確，立刻采用打磨或者抹灰等措施保證梯梁面到標(biāo)高。復(fù)測(cè)梯梁上預(yù)埋螺桿的坐標(biāo)，如果螺桿坐標(biāo)超出允許范圍應(yīng)立刻糾偏整改。

（2）在梯梁面刷單組份氯基粘結(jié)劑，然后在其上鋪設(shè)6 mm厚丁腈木脂橡膠墊（尺寸依據(jù)樓梯寬度而定，一般其寬度為200 mm）。丁腈木脂橡膠墊根據(jù)預(yù)埋的螺桿鉆直徑50 mm的孔，其孔正好套住預(yù)埋的高強(qiáng)螺桿。之后在丁腈木脂橡膠墊上方刷組份氯基粘結(jié)劑。做這一步主要是為滿足樓梯的抗震。

（3）將預(yù)制樓梯板在車站底板上水平運(yùn)輸?shù)轿唬⑶覍WTC5型履帶起重機(jī)吊運(yùn)到車站中板指定位置，樓梯吊裝情況如圖4所示。重量在3 t以上梯板采用雙機(jī)抬吊的方式起吊安裝，起吊過(guò)程中嚴(yán)禁履帶吊超過(guò)施工方案設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)半徑施工。吊裝過(guò)程中一切依據(jù)施工方案中的步驟來(lái)實(shí)施。

（4）調(diào)整梯板位置，將梯板上下端預(yù)留圓孔套到梯梁上的預(yù)留螺桿之上，并且調(diào)整位置將螺桿正好落到預(yù)留圓孔的正中。

圖4 公共區(qū)樓梯吊裝圖

（5）依據(jù)控制點(diǎn)糾正梯板縱橫向位置，確保各塊梯板放置到指定位置上，盡量減少梯板之間的不均勻高差。

（6）樓梯梯板吊裝完畢之后，梯板與梯板之間、梯板與樓梯休息平臺(tái)之間、預(yù)埋螺桿與梯板灌漿孔均存在空隙。梯板與梯板之間并不需要處理，將來(lái)采用樓梯鋪裝直接覆蓋，并排拼放的梯板用Φ12高強(qiáng)螺桿拉結(jié)成為一體，保證梯板在橫向上不移動(dòng)。梯板端部與樓梯休息平臺(tái)之間縫隙采用聚笨材料填充，然后在聚笨之上填塞PE棒，在PE棒上填充結(jié)構(gòu)密封膠起防水密封作用。梯板灌漿孔正好套在梯梁的預(yù)埋螺桿上。根據(jù)設(shè)計(jì)，樓梯上端是固定支座，下端為滑動(dòng)支座。上端灌漿孔中采用C40GCM灌漿料填滿，使得樓梯與梯梁成為一個(gè)整體；下端灌漿孔中先放直徑相當(dāng)?shù)匿搲|片，再用螺母將鋼墊片固定住，然后在鋼墊片之上灌注C40GCM灌漿料，將孔口填平，如此在鋼墊片下形成一個(gè)190 mm高中空空間，可確保梯板下端自由滑動(dòng)。

（7）做完所有工作后將預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行成品保護(hù)。

4.3 站臺(tái)板吊裝

到目前為止該工程的站臺(tái)板還未施工，但是初步施工方案采用SWTC5型履帶起重機(jī)來(lái)吊裝。站臺(tái)板構(gòu)件規(guī)整，并且吊裝條件要比樓梯有利，因此吊裝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。這里暫時(shí)不做討論。

5 結(jié)論

（1）由于大型市政工程往往不具備重復(fù)性，因此這類工程標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建較為困難。目前市政工程地下空間中應(yīng)用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)尚屬于起步階段，全面推行預(yù)制裝配式的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)均有所欠缺。但一些重要性相對(duì)較小的附屬結(jié)構(gòu)完全可以實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配式，并且實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。如軌道交通地下車站樓梯和站臺(tái)板等次要結(jié)構(gòu)。

（2）成功地在上海浦東某地鐵車站試行預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，完成了預(yù)制樓梯標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，并且完成了預(yù)制樓梯的吊裝，為大型市政地下工程局部結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配式發(fā)展提供了工程實(shí)例。

（3）本工程目前僅完成預(yù)制樓梯吊裝，在預(yù)制梯板吊裝安裝的施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)諸多問(wèn)題，可為今后地下空間預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工做為改進(jìn)依據(jù)。a.預(yù)制梯板兩端的灌漿孔直徑太小，僅僅為50 mm，而梯梁預(yù)埋的螺桿直徑為16 mm，單塊梯板僅僅預(yù)留34 mm誤差余量，大大增加了施工實(shí)施的難度。土木工程不是繡花，應(yīng)該盡量空出足夠的誤差余量才能適應(yīng)行業(yè)的施工要求，建議改進(jìn)灌漿孔結(jié)構(gòu)形式以避免允許誤差太小導(dǎo)致難以施工的情況。b.一跑樓梯由三塊或者四塊梯板并排拼裝而成，雖然避免市政工程構(gòu)件太重難以起吊的問(wèn)題，但是要求梯板構(gòu)件的精度加強(qiáng)。梯板吊裝完畢后發(fā)現(xiàn)各塊梯板標(biāo)高出現(xiàn)差別，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)梯板自身有一定翹曲致使這種現(xiàn)象產(chǎn)生，因此在生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件時(shí)需要強(qiáng)度、剛度較高的模具。c.預(yù)制樓梯端部采用的6 mm厚丁腈木脂橡膠墊來(lái)做支座，而丁腈木脂下方為已經(jīng)硬化的砂漿找平層，一旦梯板有翹曲，6 mm厚的橡膠墊不能分散預(yù)制梯板受力，應(yīng)該在其下方加一層坐漿料。d.地下空間現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工困難重重，但是預(yù)制構(gòu)件的吊裝更加困難，受限于起吊空間、設(shè)備起重量等因素，只能將預(yù)制構(gòu)件做小，如此吊裝工作的工作量將大大增加，并且繁瑣。

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