新型裝配疊合整體式地下車站關鍵技術研究

劉 毅，潘 清，郭正興，徐軍林，張 磊

（1.無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫 214023；2.東南大學，江蘇南京 210096；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 國內外預制裝配式地下工程發展現狀

1.1 國外發展現狀

預制裝配技術在國外地下工程中的發展較早，19世紀末就已經在盾構法區間隧道工程中得到了應用[1]，經過多年的發展，國外預制裝配技術被廣泛用于公路、市政及地鐵等多個工程領域。上世紀80年代，為解決嚴寒地區地鐵無法正常進行現澆混凝土施工的問題，前蘇聯在明挖法施工的地鐵區間隧道及車站內采用預制構件技術[2]；90年代，法國巴黎在地鐵快車線中使用預制鋼筋混凝土管片裝配拱技術修建地鐵車站[2]；日本在仙臺市地下鐵道、公路雙車道隧道、公路擴建等工程均采用預制裝配技術[3]。

國外早期車站結構體系較為復雜，多采用矩形裝配式結構，頂板、側墻、底板等均采用預制裝配技術，底板構件接頭采用現澆混凝土形式[4]，如圖1所示，這種技術將結構整體劃分為多個構件，有助于車站結構的快速施工。經過一段時間的發展，成段襯砌結構形式被廣泛應用，如圖2所示，這種技術將多塊預制地鐵襯砌通過明挖法方式連接成整體，并在烏茲別克斯坦塔什干市地鐵中得到應用[3]。后期，國外在明挖法地鐵車站中較多應用標準化的做法，即底板采用整體現澆混凝土，邊墻、頂板采用預制結構，且頂板采用密肋板式結構，成功地解決了構件的輕量化問題[5]。

圖1 矩形裝配式車站

圖2 成段襯砌式車站

1.2 國內發展現狀

我國地下工程裝配式建造技術發展緩慢，主要在盾構法施工的隧道工程中采用裝配式襯砌，且結構形式較為簡單，多為圓形斷面結構。近年來，在國內技術人員的努力下，國內預制裝配式地下工程有了一定的創新與發展。例如，楊秀仁等[4]在國內率先研發了全裝配式建造技術，并首次應用于長春地鐵2號線袁家店車站，車站結構形式為二層單拱大跨結構；北京地鐵6號線西延線金安橋站采用裝配整體結構修建明挖車站，各構件采用工廠化預制，構件節點采用套筒灌漿方法連接，保證車站結構的整體性[6]；濟南市軌道交通基于預制構件與現澆混凝土相結合的形式對明挖法車站進行施工，并應用于R1線演馬莊西站[7]；2019年，哈爾濱地鐵3號線丁香公園站首次采用疊合裝配式地鐵車站；上海地鐵15 號線吳中路站首次采用預制拱形頂板設計。

2 新型裝配疊合整體式地下車站簡介

2.1 工程背景

無錫至江陰城際軌道交通工程南門站作為新型裝配疊合整體式地下車站的試驗點，是采用地下連續墻基坑支護結構的明挖車站，車站外包總長為198.7 m，標準段寬度為19.7 m。車站主體結構為雙層箱式結構，采用預制構件+現澆構件相結合的方式，預制板件表層通過拉毛等方式與現澆混凝土形成疊合整體，各構件連接節點通過現澆混凝土的方式形成整體。南門站平面總圖如圖 3所示。

2.2 新型結構體系

南門站采用明挖法施工，主體結構外圍采用地下連續墻圍護結構，內設3道橫向支撐，3道支撐為均為鋼結構支撐，形成質量可靠、剛度大、工效高、可循環利用的防護體系。

南門站主體結構為預制+現澆鋼筋混凝土結合的箱式框架結構，由底板、外墻、頂板、中板、縱梁及立柱等構件組成，包含站臺層側墻A、站廳層側墻B、中板C、立柱D、頂板E、中縱梁F、頂縱梁G。其中，立柱采用圓鋼管混凝土組合柱，鋼管內現場灌注高強度混凝土；中縱梁、頂縱梁采用部分預制裝配型鋼混凝土梁，即預制縱梁埋入工字鋼；底板采用現澆鋼筋混凝土結構；側墻采用預制+現澆鋼筋混凝土疊合墻板，內側為預制墻板；中板、頂板采用預應力混凝土板+現澆鋼筋混凝土層，下層為預應力混凝土預制板。南門站整體結構及各構件如圖4所示。

構件連接節點是南門站的重要組成部分，關系到結構的整體受力性能及正常使用功能。在對多種接頭技術（地上結構“灌漿套筒連接”、地下結構“榫槽注漿式接頭”等）的優缺點及適用性分析的基礎上，選擇U形鋼筋搭接并現澆混凝土的濕接方式對側墻、頂板、底板等構件節點進行連接，采用立柱外伸型鋼與縱梁型鋼先栓焊連接、后澆筑節點區混凝土的方式將立柱及縱梁節點連接形成整體。

圖3 南門站平面總圖（單位：m）

圖4 南門站整體結構及各構件示意圖

3 裝配疊合整體式地下車站關鍵技術研究

3.1 結構整體受力性能研究

相比傳統現澆地下結構，裝配式地下車站的整體性較差、構件種類較多且存在多種不同的節點連接方式，其在外部作用下的力學行為具有較大的不確定性。目前，國內主要對傳統現澆地下結構的力學性能進行研究，對裝配式地下車站的綜合性能研究較少。因此，對裝配式車站靜力性能和動力性能等方面進行重點研究，主要包括以下幾個方面。

（1）圍護結構的地下連續墻作為主體結構的一部分，與側墻組成復合式結構，共同承擔外部作用，圍護結構與側墻之間不能傳遞彎矩與剪力，只可傳遞法向壓應力[8]。考慮結構從構件預制、構件吊裝、現澆混凝土到正常使用的各施工階段的影響，分析各構件在受力演變過程中的力學特性和整體結構的力學行為，確保各構件在各階段滿足承載能力、穩定性、變形及抗裂性能要求。

（2）多因素條件下的結構體系抗震性能分析。建立土-地下連續墻-主體結構非線性動力相互作用的數值仿真模型，充分考慮構件協調變形特征、材料非線性、地震動頻譜特性等因素，通過對結構層間位移角、加速度反應等計算結果的分析，綜合評價裝配式車站的抗震性能。

（3）裝配式車站與傳統非裝配式車站結構的動力性能對比分析。通過數值仿真模型，對比同一地震動條件下裝配式與非裝配式結構的變形、地震損傷程度等指標，驗證裝配式車站結構的優越性。

3.2 關鍵構件節點試驗研究

裝配式地下車站構件種類、連接方式較多，各構件節點具有明顯的偏心受力特性，其力學性能直接關系到裝配式地下車站結構在建設及運營使用過程中的承載能力、整體受力狀態，是裝配整體式結構體系的核心點[9-10]，僅通過理論研究難以反應各節點在不同作用下的損傷狀態。因此對各構件節點進行試驗研究，主要研究內容如下。

（1）側墻底節點抗震性能試驗研究。為研究側墻底節點的抗震性能，優化節點設計，設計制作了3個預制拼裝側墻底節點足尺模型試件和1個現澆側墻底節點試件。采用低周往復加載試驗對側墻底試件的抗震性能進行分析，主要研究側墻底節點的承載能力、破壞形態及耗能性能，并對比預制裝配式節點與傳統現澆節點的受力性能，驗證單側預制疊合墻板節點的可靠性。側墻底節點抗震試驗如圖5所示。

（2）側墻頂節點抗震性能試驗研究。為驗證側墻頂節點的抗震性能，設計制作了3個預制拼裝側墻頂節點和1個現澆側墻頂節點試件，采用低周往復加載試驗對側墻頂試件的抗震性能進行分析，主要研究側墻頂節點的裂縫發展過程及形態、破壞機理及耗能性能；對比預制裝配節點與現澆節點的試驗結果，改進預制裝配節點設計。側墻頂節點抗震試驗如圖6所示。

圖5 側墻底節點抗震試驗

圖6 側墻頂節點抗震試驗

（3）頂層縱向梁柱節點靜力性能試驗研究。頂層梁柱節點由疊合板、型鋼混凝土疊合梁、鋼管混凝土柱組成，其節點成為影響結構受力性能的薄弱部位。為驗證頂層梁柱節點的受力特性，設計制作了1個預制拼裝頂層梁柱節點足尺模型，對頂梁兩側施加對稱豎向荷載，研究梁柱節點連接區在負彎矩作用下的承載能力、破壞形態及裂縫分布特點，指導梁柱節點構造設計。頂層縱向梁柱節點試驗如圖7所示。

3.3 疊合頂板力學性能試驗研究

無錫地鐵裝配式車站頂板采用新型半預制疊合頂板，即頂板下層采用先張法預應力預制梁，上層澆筑混凝土形成疊合結構。目前，國內外對該類型的疊合板研究較少，相關文獻欠缺，尚無可直接借鑒的案例，故有必要對該類型疊合板在施工階段及正常使用階段的力學性能進行研究。

圖7 頂層縱向梁柱節點試驗

為此，設計制作了疊合板足尺模型，對疊合板施加對稱豎向荷載，研究疊合板在正彎矩作用下的承載能力、內力分布及破壞形態，驗證新型預應力疊合板的可行性。疊合板構造及加載試驗如圖8所示。

3.4 裝配整體式地下車站抗裂、防水綜合技術研究

考慮到地下車站采用預制裝配+現澆混凝土的施工技術，且所處地區具有地下水豐富、大氣降水量大的特點，通過對結構抗裂及自防水性能、防水構造措施等多方面進行研究，解決裝配式地下車站在工程建設及運營過程中可能面臨的復雜抗裂、防水使用功能問題。

（1）大型疊合構件綜合防裂技術研究。結合面的粘結、抗剪性能及粗糙度決定了疊合構件的共同工作性能。結合面常用工藝包括鑿毛、拉毛、鍵槽及水洗露骨料等，拉毛、鑿毛工藝已有大量試驗成果證明其可靠性[11-13]，并被納入相關國家標準中[14]，而水洗露骨料使用性能的研究相對較少，在疊合構件中的適用性有待研究。因此，對分別采用水洗露骨料、拉毛結合面工藝的疊合構件進行抗拉、抗剪、受彎及偏壓力學性能試驗研究，指導結構構造設計。疊合構件試驗如圖9示。

（2）現澆混凝土質量控制技術研究。由于預制混凝土對現澆混凝土的約束行為導致各部分混凝土變形分布不均，應力狀態極為復雜，其防裂控制成為一大難題。結合理論與試驗研究，研制低收縮高性能混凝土，并分析混凝土構件在不同工作狀態下的力學性能、變形性能、抗裂性能，進一步指導現澆混凝土配合比設計。

4 BIM技術在裝配疊合整體式地下車站中的應用

無錫地鐵在裝配疊合整體式地下車站中開展裝配式設計、生產、運輸和施工各環節協同工作關鍵技術研究，解決產業鏈各專業間信息數據交換、標準接口與集成技術，建立無錫地鐵建筑信息模型（BIM）建管平臺如圖10所示。

圖8 疊合板構造及加載試驗

（1）在設計階段，實現構件生產方、施工方前置參與，通過BIM信息化模型進行多專業協同管理，對結構、建筑、機電、裝修等專業預留空間、預埋件等進行碰撞檢測分析，確保構件設計預留空間滿足各專業要求，有效避免了2D圖紙各專業細部沖突的問題。

（2）在構件生產階段，將構件深化數據及時輸入BIM模型中，自動匯總形成構件信息清單。結合構件生產線運行管理系統，實現構件模具組裝、鋼筋籠組裝、預埋件安裝、隱蔽工程檢驗、澆筑振搗等工序管理，錄入構件預埋芯片，并將過程信息實時上傳BIM平臺，進行信息跟蹤追溯。

（3）在施工階段，利用BIM模型構造一個虛擬的施工環境，虛擬施工環境包括施工現場空間布置、材料及設備放置位置等，實現施工場地統一規劃與管理；在實際施工過程中，項目部可通過BIM技術在三維可視化模型中清楚地觀察現場實際情況，進一步加強現場施工布置與管理。

圖9 疊合構件試驗（單位：mm）

5 結束語

相比整體現澆車站，裝配式地下車站有著不可替代的優勢，其在地下工程領域中具有廣闊的發展前景。無錫地鐵地下車站對裝配疊合整體式結構相關技術的研究與應用，必將促使裝配式建造技術登上新臺階。

（1）通過對裝配式車站結構整體受力性能進行研究，綜合評價車站結構在建造過程中的力學行為，為后期地下車站建設與運營管理提供有效的技術支撐。

（2）通過對關鍵節點及構件進行試驗研究，提煉出地下車站裝配式關鍵技術及研究要點，驗證新型構件連接方式的可行性與適用性，為后期同類型工程應用提供參考。

圖10 BIM建管平臺示意圖

（3）通過地下車站防水、抗裂技術研究，研制適用于軟土富水地區的低收縮高性能混凝土，具有較高的經濟與社會應用價值。