我國預制裝配式地鐵車站建造技術發展現狀與展望

楊秀仁

(1. 北京城建設計發展集團股份有限公司, 北京 100037； 2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室, 北京 100037)

0 引言

我國將建筑產業化作為破解當前建筑業困局、實現產業優化升級的重要依托。預制裝配建造技術是實現建筑模式由現場作業向工廠制造轉移、由勞動密集型向機械化轉變的重要基石。2016年國務院辦公廳專門出臺《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，住房和城鄉建設部也集中出臺了一系列針對裝配式建筑的政策和標準，推進預制裝配技術的發展和應用已成為建筑工程實現產業優化升級和可持續發展的重要舉措[1]。

目前，我國地面裝配式建筑得到了蓬勃發展，已基本形成了比較完善的技術和標準體系，工程應用十分廣泛。與地面建筑相比，除盾構法隧道外，地下工程在裝配式建造技術方面的研究和應用起步較晚，尤其在大型地下工程領域近乎處于空白狀態。

城市地鐵車站是大型地下工程的典型代表。2012年起，長春地鐵2號線率先開展了明挖地鐵車站裝配式建造技術的研究和應用工作，開啟了裝配式地鐵車站建設的先河。截至目前，長春地鐵已成功建成裝配式車站8座，還有10座正在建設中。

長春地鐵裝配式車站的成功建設起到了很好的示范作用。據初步統計，截至目前，國內已有長春、北京、濟南、上海、廣州、哈爾濱、青島、深圳和無錫等9個城市從不同的角度開展了裝配式車站建造技術的研究和應用工作，已實施的車站數量近40座。本文在分析國外裝配式地鐵車站建造技術的基礎上，結合國內部分城市的工程建設情況，對我國預制裝配式地鐵車站建造技術的發展現狀進行綜述，并提出思考和展望。

1 國外裝配式地鐵車站技術發展簡況

1.1 盾構法裝配式地鐵車站

地下工程預制裝配建造技術起源于國外，盾構法隧道是最早應用預制裝配技術的地下結構。1869年，詹尼斯·亨利·格瑞海德(Janes Heary Greathead)工程師用圓形盾構在泰晤士河底修建了第1條盾構隧道，該隧道首次采用了裝配式襯砌結構[2]，至今已有150余年的歷史。盾構隧道襯砌均為全預制裝配式結構，接頭干式連接，目前已廣泛應用于世界各國的鐵路、公路、地鐵、市政管線、綜合管廊等地下工程，并由單一的圓形結構發展到雙圓、三圓及類矩形結構等多種形式，以適應不同的工程用途。

日本曾經有采用盾構法建造地鐵車站的先例，例如： 采用雙圓盾構修建的日本JR京葉線京橋站(見圖1)和采用三圓盾構修建的東京7號線白金臺站(見圖2)[3-4]。由于受其結構形式的限制，此類大型地下車站應用案例較少，絕大部分盾構隧道仍以單一的圓形結構為主，直徑3～18 m。

圖1 日本JR京葉線京橋站雙圓結構

圖2 東京7號線白金臺站三圓結構

1.2 明挖法裝配式地鐵車站

明挖條件下地下結構預制裝配技術的應用起源于20世紀70年代。蘇聯聯邦國家為了解決冬季施工問題，在明挖地鐵車站和區間工程中研究應用了預制裝配技術[5]。早期的裝配式車站基本為體系較為復雜的矩形框架結構(如圖3所示)，底板結構要么整體現澆，要么采用現澆濕式連接的裝配整體式結構；上部結構一般為搭接式裝配。后期部分車站采用了單拱大跨結構，襯砌結構也基本采用了裝配整體式結構建造，例如： 明斯克地鐵車站裝配式結構(見圖4)頂、底部分別用3塊預制構件通過接頭濕式連接，側墻設置鋼筋混凝土現澆段[6-7]。

圖3 明挖矩形裝配式地鐵車站結構示意圖(單位： mm)

圖4 明斯克地鐵車站拱形裝配整體式結構示意圖(單位： mm)

明挖條件下接頭濕式連接的方式，不僅制約了機械化拼裝水平和施工效率，而且對于大構件、高配筋率的地鐵結構，在有限的基坑空間內進行鋼筋連接和混凝土澆筑，施工難度極大，工程質量難以控制，同時大量現澆施工縫的存在也嚴重影響到地下結構的整體防水性能，一般需要在結構外側設置外包防水層進行加強。受種種因素制約，上述預制裝配施工方法在后期的工程中很少使用。

但是，裝配整體式結構由于接頭為現澆鋼筋混凝土的剛性連接，從而具有與現澆混凝土結構同等的結構性能。國內外地面建筑裝配式結構基本采用的都是這一裝配整體式技術，適合地面建筑的承載環境特點和受力特性，安全可靠、經濟合理。

1.3 礦山法裝配式地鐵車站

國外也有在礦山法隧道內利用預制裝配技術建造車站結構的案例。俄羅斯圣彼得堡體育館站為雙層地鐵換乘站，位于60 m深的黏土層中，采用礦山法施工。在進行裝配施工前，先行施工2個輔助隧道，在隧道內通過現澆混凝土的方式形成頂拱和仰拱的反力支座，然后開挖車站主體隧道并拼裝預制襯砌結構[5]，如圖5所示。

圖5 圣彼得堡體育館站裝配式結構示意圖(單位： mm)

法國奧貝爾車站也是在礦山法隧道內拼裝預制襯砌的成功案例[8]，其結構如圖6所示。該車站拱部結構由預制構件裝配而成，利用機械裝備進行拼裝施工。

圖6 奧貝爾車站裝配式結構示意圖(單位： mm)

礦山法隧道內裝配的襯砌結構，由于作業空間的局限性，基本均拆分為小型預制構件，并通過干式楔形接頭連接。

2 我國裝配式車站技術研究與應用

自長春地鐵首座裝配式車站建設以來，近10年來國內已建和在建裝配式地鐵車站初步統計見表1。

各城市在開展裝配式車站建設時采用了不同的技術路線，各具特色，歸納起來主要有2大類。

表1 國內已建和在建裝配式地鐵車站初步統計

第1類： 以長春地鐵為代表的全預制裝配式結構，其主體結構全部采用預制構件裝配而成，預制構件之間為干式連接，接頭接縫采取密封防水措施，以實現結構的高性能防水，結構外不設置全包防水層。目前長春、青島和深圳地鐵的裝配式車站采用了單拱大跨全預制裝配式結構。

第2類： 主體結構采用以疊合結構+現澆混凝土結構為主的疊合裝配式結構。而廣州地鐵上涌公園站，除頂板采用疊合結構外，還在樓板采用了裝配式結構，為各種形式相混合的裝配式結構。第2類中除個別車站采用單拱大跨結構外，其他基本為矩形框架結構，每座車站采用的疊合結構各不相同，有疊合拱、疊合板、疊合墻、疊合柱、疊合梁等多種形式。目前上海、廣州、濟南、哈爾濱、無錫等城市的地鐵裝配式車站采用了這一類結構。

2.1 長春、青島和深圳地鐵裝配式車站

2.1.1 長春地鐵

長春地鐵裝配式車站為明挖地下2層島式站臺車站，裝配式結構為單拱大跨形式，寬20.5 m，高17.45 m，結構沿縱向拆分成環寬2 m的標準結構環，每一結構環再拆分為7塊標準構件，結構斷面如圖7所示。已建成車站的基坑為樁+錨支護體系；在建車站的基坑除了樁+錨支護體系外，還有樁+內支撐體系，同時內部結構也采用預制裝配技術建造。

文獻[9]結合裝配式車站試驗段及后續實施的項目，對預制裝配建造技術開展了全方位的研究工作，主要內容覆蓋設計、構件制作、施工及輔助裝備等多方面。

圖7 長春地鐵裝配式車站結構斷面示意圖(單位： m)

1)接頭連接技術。接頭連接是全預制裝配式結構最關鍵的技術，采用榫槽式插入連接方式，接頭榫槽面咬合對接，結構整體拼裝完成后，進行接縫注漿作業，使接縫接觸面充分彌合。根據接頭的位置、截面高度、受力特點、拼裝工藝等要求，共采用了3種接頭形式。其中，單榫長接頭和雙榫長接頭用于環內構件連接，并設置外部螺栓連接裝置；單榫短接頭用于環與環的縱向連接。接頭形式及構造如圖8所示。

圖8 接頭形式及構造示意圖

以大量的原型接頭試驗為基礎，對各類注漿式榫槽接頭進行了系統性的研究，揭示了接頭的彎曲抵抗作用、抗彎剛度特性、抗彎抗剪承載特征和接頭破壞模式等，取得了一系列支撐裝配式車站結構研究和應用的重要成果，并提出了接頭的設計方法[9-17]。

2)結構靜力力學行為。注漿式榫槽接頭的剛度具有隨內力環境變化而變化的特性，因而使得全裝配式結構體系的力學行為更加復雜。通過開展針對施工全過程及使用階段的結構力學分析，揭示了帶有變剛度接頭的全裝配式結構的力學行為，掌握了內力和變形演變規律，并通過實際車站原位測試，對理論研究成果進行了驗證[9-17]。

3)結構抗震性能。全裝配式結構的抗震性能廣受關注，通過采用多種方法對在E2和E3地震作用下的裝配式結構進行了整體分析，并將裝配式結構與同型現澆結構進行地震作用對比分析，從穩定性、結構變形、內力分布、接頭對結構內力的影響等多個方面研究了裝配式結構的抗震性能。研究發現，所采用的全裝配式結構整體穩定安全，結構體系的延性好于現澆結構，能夠更好地適應地震工況下的變形，接頭變形使結構整體彎矩有大幅度的減小，保護結構不受損傷，抗震性能優于現澆結構[9-17]。

4)閉腔薄壁構件力學性能。為實現大型預制構件的輕量化，提出了一種新型“閉腔薄壁”結構構件，即在構件內部填充輕質芯模替代實體結構的混凝土，形成帶有封閉空腔的薄壁結構，如圖9所示。由于內部空腔的存在，受力后的閉腔薄壁結構內應力傳遞途徑比實體結構更加復雜，結構構造及其主要參數對構件力學性能有直接影響。文獻[9]、[17-18]研究了閉腔薄壁構件的剪力滯效應、剪應力分布規律以及各項構造參數，提出了閉腔薄壁構件的設計方法。

圖9 閉腔薄壁構件示意圖

5)接頭注漿技術。為確保接頭可靠傳力，并避免接頭受力后出現局部損傷，在接頭連接部位預留了一定寬度的縫隙，拼裝完成后在縫隙內注入填充漿液。結合注漿環節的工程和氣候環境特性，文獻[17]研發了一系列適用于不同溫度條件和注漿時間的材料配方，提出了注漿關鍵技術參數； 同時，研發了專用注漿設備，實現了大容量、大壓力、高穩定、管路免拆洗的接頭注漿施工工藝。

6)接頭接縫防水技術。地下結構長期浸沒在水土之中，對防水性能的要求很高，而裝配式車站結構存在大量接頭接縫，是防水的薄弱點。長春地鐵裝配式車站接頭接縫防水措施如圖10所示。接縫部位共設置了“兩墊一注一嵌”4道防線，即2道橡膠密封墊、1道接縫填充注漿、1道結構內側接縫嵌縫。

(a) 接頭接縫防水構造 (b) 內嵌縫防水構造

針對多種可能的接頭拼裝形態以及密封墊的壓緊狀態關系，開展了大量橡膠密封墊的防水性能試驗。試驗表明，接頭接縫能達到最不利拼裝條件下抵抗1.0 MPa水壓(相當于100 m水位高度)的防水性能[9，17]。

7)預制構件生產技術。研發了專門用于裝配式車站大型預制構件生產的新型生產線。該生產線的特點是利用地下隧道窯結構來固定大型預制構件的模具，并提供抑制模板側向變形的可靠支撐點，采用底模流轉、側模及端模吊掛、側模外部支頂抑制變形等技術，實現裝配式構件的高精度生產。

同時，研發了大型預制構件智能掃描系統，如圖11所示。該智能掃描系統可自動掃描檢測預制構件拼接面的平整度，準確找出構件表面的異常凹凸點，并形成檢測報告，有效解決了大型預制構件高精度自動檢測的問題[17]。

圖11 大型預制構件智能掃描系統

8)施工技術與輔助施工裝備。在結構環內，除底板構件的接縫采用預應力張拉壓緊外，其余各構件的接縫主要靠構件自重壓緊，并設置輔助連接螺栓；環與環之間的接縫采用接力式預應力鋼筋逐環張拉壓緊，見圖12。為確保接頭拼裝定位精度和防止拼裝過程中的構件磕碰，在接頭部位設置了導向定位銷棒(見圖8)，用于引導構件的拼裝移動方向和限制接頭發生非預期拼裝錯位。

圖12 縱向預應力張拉連接示意圖

研制了裝配式結構構件拼裝作業輔助臺車，實現了多功能拼裝作業的全面整合，方便了裝配施工作業，提高了施工作業的穩定性和安全性。

研發了裝配式結構拼裝張拉自動控制系統，實現了多點協同的高精度預應力張拉自動控制，系統解決了大型預制構件多點張拉協同、動態張拉荷載確定以及接縫寬度精確控制等拼裝關鍵技術難題[17]。

9)裝配式車站多專業一體化技術。針對裝配式車站建筑空間利用及綜合布局、設備管線綜合技術、車站環境設計等方面進行了研究，提出了車站用房模塊化布局模式，并重新布局設備管線系統，簡裝修理念充分展示了裝配式結構肌理，通過聲學分析并采取措施實現了裝配式大空間、多聲源環境下良好的聲場效果。

10)技術經濟和社會效益。長春裝配式車站應用后取得了顯著的經濟和社會效益，提高了工程質量和施工安全性，降低了施工對環境的影響，尤其在實現減員、增效、節材、減排方面優勢突出。以長春地鐵1座裝配式車站與1座普通明挖現澆車站進行比較，裝配式車站的優勢包括：

①對應現澆結構施工，同樣長度的裝配式結構可節省施工時間70%以上；

②按1座整體車站計算，每座車站可節省施工時間4～6個月，相當于縮短工期25%～30%；

③現場施工人員減少85%～90%，高峰時間作業人員由每班150～180人減少為20人左右；

④1座車站節省鋼材約800 t，節省施工臨時性木材用量約800 m3，施工建筑垃圾減量50%以上，施工用地減少1 000 m2左右，綜合碳排放減少約19%。

從已通車運營的車站情況來看，施工期間未發生任何安全事故，使用期間裝配式結構無滲漏水現象發生。目前，裝配式車站已成為長春市的地標建筑，其中，地鐵2號線興隆堡站被評為2018—2019年度全國十大最美車站之一，其實景如圖13所示。

2.1.2 青島地鐵6號線

青島地鐵6號線有6座車站采用全預制裝配技術建造，車站為地下2層單拱大跨結構，其斷面如圖14所示。青島地鐵裝配式車站基本上應用了長春的全預制裝配技術，但在結構斷面優化、內部結構裝配、內支撐體系裝配技術等方面也進行了相關的研究和應用工作。

圖13 長春地鐵2號線興隆堡車站實景圖

圖14 青島地鐵6號線裝配式車站斷面示意圖(單位： m)

主體襯砌結構環寬仍為2 m，每1結構環由長春地鐵的7塊構件調整為5塊，其中，底板由3塊調整為1塊，內部結構的板、梁、柱由長春地鐵的現澆結構調整為裝配結構。另外，青島地鐵6座裝配式車站，有5座車站基坑采用樁+錨支護體系，1座車站采用樁+內支撐體系，這也是國內首次在樁+內支撐體系下進行全裝配式車站施工。

目前，青島地鐵裝配式車站已經開工建設，基坑支護結構基本就緒，即將開展裝配施工。

2.1.3 深圳地鐵

深圳地鐵在3期建設規劃修編線路上選擇了7座車站應用全預制裝配技術建造。7座車站的基坑均采用地下連續墻+內支撐支護體系，這是國內首次在連續墻+內支撐體系下開展全裝配式車站的建造，目前車站正在建設中。

深圳地鐵的裝配式車站有2種結構形式，其中，6座車站采用如圖15所示的結構形式，簡稱方案1； 1座車站采用如圖16所示的結構形式，簡稱方案2。

圖15 深圳地鐵裝配式車站方案1(單位： m)

圖16 深圳地鐵裝配式車站方案2(單位： mm)

方案1是在長春地鐵和青島地鐵裝配式方案的基礎上，根據當地的建設條件進行了進一步的優化調整，即對結構斷面進行優化，采用地下2層單拱大跨結構，結構環寬2 m，襯砌結構環僅由4塊大型預制構件拼裝而成，內部板、梁、柱仍為裝配結構。另外，還研發了預制軌頂風道和預制站臺板結構。

方案2被應用在深圳地鐵3號線4期的西坪站，是在長春地鐵裝配式方案的基礎上進行了優化調整，襯砌結構和內部結構采用一體化設計，側墻與軌頂風道整合為1塊構件，頂、底板則分別拆分為3塊構件，站臺層不設中間立柱[19]。

構件的接頭連接大部分采用注漿式榫槽接頭，頂板和中樓板接頭為搭接接頭，并在全部接頭部位設置了水平開尾銷連接裝置，即在兩構件連接部位預埋C型鋼，構件拼接后再用H型鋼插入，輔助兩構件的連接。這種水平開尾銷連接裝置曾在日本的盾構隧道襯砌中有過應用。與長春地鐵裝配式車站的螺栓連接相比，開尾銷連接可在一定程度上提高接頭的抗彎剛度和承載性能，但也加大了施工拼裝難度和工程造價。

另外，針對全環結構9塊構件的拼裝，研發了專用拼裝設備，確保拼裝過程中結構體系的穩定性和連接的可靠性。其他結構設計方案如閉腔薄壁構件、注漿式榫槽接頭、接縫防水措施、拼裝定位措施等同于長春地鐵裝配式車站技術方案。

2.2 上海地鐵15號線吳中路站

上海市地鐵15號線吳中路站為地下2層島式站臺車站，單拱大跨結構，主體結構長170 m，結構橫斷面為變寬度，由19.8 m變化至21.6 m，斷面如圖17所示。該站拱頂結構采用了疊合結構建造，預制拱蓋拼裝完成后，進行上部疊合層的鋼筋綁扎和混凝土現澆作業，形成疊合結構。拱頂以下的底板、樓板、側墻等結構為現澆混凝土結構[20]。

圖17 吳中路站主體結構斷面示意圖(單位： mm)

拱頂疊合結構的預制構件由2塊預制拱蓋組成，預制拱蓋為帶有2道肋的π形構件。圖18為π形拱蓋構件吊裝施工照片。拱蓋拼裝時，其拱腳坐落于側墻頂部現澆好的拱座上，在拱腳與拱座之間安裝楔形止推支座，2個楔形塊就位壓緊后，通過焊接的方式進行固定。拱蓋頂接頭節點處，在2道梁肋端部埋設鋼板，拼裝時通過定位銷安裝入孔，預埋鋼板靠齊頂緊并連接，接頭節點對接施工照片見圖19。

圖18 π形拱蓋構件吊裝施工照片

疊合結構用于車站拱頂結構尚屬首次，針對其結構特點和施工工藝，開展了較為豐富的技術研究工作。

1)預制拱蓋構件標準化研究。吳中路站為變斷面結構，因此，拱蓋預制構件的標準化有一定難度。項目人員巧妙地通過調整側墻拱座的挑出長度以及適當調整拱軸高度、改變拱腳開度，實現了拱蓋預制構件的標準化。拱座挑出長度不斷變化如圖20所示。

圖19 預制拱蓋頂接頭節點對接施工照片

圖20 拱座挑出長度不斷變化示意圖

最終確定的拱蓋標準構件長9 710 mm，高1 385 mm，寬2 950 mm，質量約16.7 t，可以使用20 t載重運輸平板車便捷運輸。

2)構件制作和機械化拼裝。為保證預制拱蓋構件的制作精度，并為后期車站建筑裸裝創造條件，專門研制了大型高精度鋼模具用于構件的預制生產。為了嚴格控制施工拼裝精度，并防止預制構件發生非預期變形，專門研發了運架一體機(如圖21所示)用于構件的移動和安裝。運架一體機采用多組車輪，以分散荷載作用，同時進行了機體輕量化設計，工作時走行在已施工好的中樓板結構上，以盡量減小對樓板結構的影響。

圖21 運架一體機示意圖

3)疊合結構力學性能研究。吳中路站疊合式頂拱結構施工期間需經過2階段體系轉換。第1階段為預制構件裝配完成，頂拱接頭近似為鉸接點，整個拱蓋為三鉸拱靜定結構(見圖22(a))； 第2階段是在拱蓋上部完成現澆疊合層，形成整體式拱結構，為超靜定模式(見圖22(b))。

(a) 三鉸拱靜定結構 (b) 拱形超靜定結構

通過足尺結構加載試驗研究了疊合結構的各項力學性能，包括： 預制拱蓋與現澆疊合層在不同加載階段的相互作用以及開裂研究，疊合拱結構受力性能和變形研究，拱腳節點施工和使用期間的受力特征和破壞模式研究。全跨加載試驗模型如圖23所示。

圖23 全跨加載試驗模型示意圖

試驗研究表明，疊合拱結構的預制與現澆部分協同作用良好。在滿跨堆載、半跨堆載及卸載等各種工況作用下，未出現裂縫，疊合拱頂結構受力狀態良好。

4)疊合結構防水處理技術。預制拱蓋上部后期整體澆筑疊合層混凝土，結構防水性能等同于整體現澆混凝土結構。對后澆混凝土結構的施工縫，有針對性地采取了相應的防水措施，即預埋止水鋼片，并在止水鋼片的背水面設置遇水膨脹止水膠，同時在拱頂結構外噴涂防水型涂料，作為整體外包防水措施。

上海地鐵15號線吳中路站拱頂采用疊合結構技術建造后，拱頂結構施工時間由原來全現澆的60 d減少到11 d，大大提高了工效。目前，本站已建成通車，是上海市第1座單拱大跨無柱車站。疊合拱結構的應用，不僅利用預制構件替代了大型且復雜的單拱大跨現澆結構的模架體系，而且站廳層拱部實現建筑裸裝，突顯了混凝土結構肌理之美。上海地鐵15號線吳中路車站被稱為上海市最漂亮的地鐵站，如圖24所示。

圖24 上海地鐵15號線吳中路車站

2.3 廣州地鐵11號線上涌公園站

廣州地鐵11號線上涌公園站為明挖地下3層島式站臺車站，矩形框架結構，車站全長221.7 m，標準段寬22.3 m。該站頂板采用了疊合結構，中樓板為預制裝配結構，其他為現澆混凝土結構，并采用了永臨結合的設計理念。該站還在站臺板、軌頂風道和設備用房等方面應用了預制裝配技術[21]。

上涌公園站裝配式結構體系如圖25所示。該結構體系的建立如下： 1)地面施作基坑支護地下連續墻，并利用連續墻作為主體結構的單墻使用； 2)中間立柱采用鋼管混凝土柱，基坑開挖前從地面施作柱下樁基礎，并將鋼管柱插入樁基礎內； 3)開挖基坑至內支撐標高處，內支撐中部段采用預制混凝土構件，兩端分別通過現澆腰梁與連續墻連接，與中間立柱相交處通過現澆節點與鋼管柱連接，基坑內支撐體系建立； 4)基坑開挖至基底標高后，回筑主體結構，底板結構采用現澆混凝土施作； 5)中樓板結構通過在內支撐構件上鋪設預制板裝配而成，并將內支撐作為中樓板的橫梁加以利用； 6)頂板則在內支撐構件上設置疊合結構，同樣將內支撐作為橫梁加以利用，頂板覆土回填后，整個結構體系施工完畢。

圖25 上涌公園站裝配式結構體系示意圖

車站結構防水措施采用防排結合方案，以結構自防水為主，并加強節點防水措施，同時站內設置排水系統。

該裝配式車站的建造方式在國內也屬首次，除了疊合結構的應用外，最主要的特點就是永臨結合的設計方案。將基坑支護體系中的絕大部分構件，包括地下連續墻、混凝土內支撐、腰梁等作為永久結構的一部分加以利用，并在各構件連接、預制支撐構件開洞、結構抗震性能、預制構件標準化、施工工藝及輔助裝備等方面進行了相應的研究。

1)內部結構與連續墻的連接技術。地下連續墻作為主體結構的單墻使用，早期的地下工程中有過不少案例，內部結構與連續墻之間的連接是關鍵，連接性能直接影響到內部結構體系的承載及安全性。本站連續墻主要通過現澆腰梁與內支撐結構連接。因此，對鋼筋接駁器連接和鋼板連接2種方案開展了試驗研究。連續墻腰梁支撐節點如圖26所示。

(a) 接駁器方案 (b) 鋼板方案

由于鋼板連接的延性優于接駁器連接方式，同時考慮到土建施工的誤差難以避免，鋼板連接在施工誤差的適應性方面具有優勢，因此該站采用了鋼板連接方案。

2)開洞橫梁的力學性能研究。該站將基坑預制內支撐構件作為各層結構板的橫梁加以利用，由于構件體量偏大，嚴重影響車站內部管線的行走，需要在梁體開洞以滿足各類管線的敷設，并節省結構內凈空高度。為此，專門對開洞后的大梁進行了多方案模型試驗研究，研究了開洞梁加載后的變形、撓度和破壞情況，驗證了開洞梁的承載性能滿足要求。圖27為梁體開洞模型試驗現場照片。

(a) (b)

3)結構抗震性能研究。通過開展車站結構的抗震性能分析，研究了E2地震作用下結構的承載及變形性能，驗證了該裝配體系的抗震可靠性；E3地震作用下，結構各層的層間位移為1/830～1/1 200，滿足規范要求。

4)預制構件標準化及輔助拼裝裝備研究。從減少預制構件型號、減小預制構件質量、方便施工安裝等方面，對內部裝配式結構構件進行了標準化研究。同時，為提高中樓板裝配作業的效率和精度，專門研制了用于預制板拼裝定位的裝備，如圖28所示。

圖28 預制中板定位拼裝裝備

廣州地鐵上涌公園站裝配式結構體系相對復雜，但永臨結合的設計方法在進一步減少施工工序、避免建筑垃圾的產生等方面具有一定的優勢。

2.4 濟南地鐵R1、R2線裝配式車站

濟南地鐵在R1線和R2線的3座車站也采用了裝配式車站建造技術。3座車站的結構形式及所采用的裝配技術類似，本文以R2線的任家莊站為例進行簡要介紹。

任家莊站為地下2層雙跨島式站臺車站，車站總長210.1 m，結構標準段寬19.5 m，采用明挖順作法施工，結構橫斷面如圖29所示[22]。

圖29 任家莊站結構橫斷面示意圖

該站將部分現澆混凝土結構改為預制構件，例如： 基坑支護結構采用預制方樁，中間立柱采用預制方柱+外包混凝土結構，頂板采用疊合結構。

1)基坑支護體系永臨結合?；又ёo結構采用700 mm×700 mm預制方樁，基坑自上而下設置3道支撐，第1道為鋼筋混凝土支撐，另外2道為鋼管支撐。其中，第1道混凝土支撐后期與頂板結構相結合，替代疊合頂板的一部分預制構件加以利用，不需要拆除。

2)預制立柱永臨結合。主體結構中間立柱采用400 mm×400 mm的預制混凝土方柱，基坑開挖前，從地面插入柱下灌注樁基礎內； 基坑開挖期間，此預制立柱作為第1道混凝土支撐的臨時立柱使用。待基坑開挖后、主體結構回筑時，再外包混凝土形成永久疊合立柱。疊合立柱與各層結構的連接關系如圖30所示。

3)疊合結構。主體結構的底板及縱梁為現澆混凝土結構； 側墻與預制方樁之間通過預埋接駁器設置拉結筋，形成疊合墻結構，如圖31所示； 頂板和頂縱梁均為疊合結構，如圖32所示。

圖30 疊合立柱與各層結構的連接關系示意圖

圖31 預制樁與內襯墻連接示意圖

圖32 頂板疊合結構方案示意圖

從實際應用效果看，支護結構采用預制方樁后，單樁成樁時間較鉆孔灌注樁減少40%左右；頂板和頂縱梁采用疊合結構后，作業時間比整體現澆混凝土減少7%左右。

該站永臨結合設計方案具有一定的創新性，利用預制立柱作為基坑內支撐的臨時立柱，并實現永臨結合，同時利用第1道混凝土支撐替代頂板疊合結構的預制構件，避免了臨時混凝土立柱和支撐的拆除，有效減少了施工環節和建筑垃圾。類似立柱永臨結合的做法一般在蓋挖逆作法工程中常用，且一般為鋼管柱，或采用型鋼柱后外包混凝土形成組合柱。

2.5 哈爾濱地鐵丁香公園站

哈爾濱地鐵3號線2期工程丁香公園站為地下2層雙跨島式站臺車站，車站長264.4 m，寬18.3 m，底板為現澆混凝土結構，頂板、樓板和側墻除節點和縱梁區域外均采用了疊合結構[23]。車站結構斷面如圖33所示。

圖33 丁香公園站結構斷面示意圖 (單位： mm)

該站的特點是利用各疊合結構的預制構件取代傳統的混凝土臨時模板，局部盤扣支架取代滿堂支架。在結構橫斷面受力方向，預制構件內的主筋與現澆結構的主筋采用套筒灌漿方式連接，實現等同現澆性能，但由于連接鋼筋量大，施工難度大、效率低。

為方便與側墻預制構件的精確連接，底板角部鋼筋籠在工廠進行高精度加工制作，側墻預制構件就位后，在預制構件與基坑支護結構之間灌筑混凝土，形成疊合墻結構；在樓板或頂板預制構件就位后，疊合層混凝土與各節點區域及縱梁區域的混凝土同時整體澆筑，這樣車站結構基本形成。車站結構外設置了全包防水層。

該站的軌頂風道U型結構也采用了整體預制技術，在中樓板疊合結構中預留了連接條件，在車站結構封頂后安裝。

該站于2019年6月29日開始拼裝施工，同年11月1日結構封頂。本站采用疊合結構后，與全現澆混凝土結構相比具有一定的優勢，例如： 鋼筋材料占地由600 m2減少為200 m2，并可減少鋼筋倒運費用； 施工安全性提升；另外，主體結構封頂提前了2個月完成，避開了嚴寒冬季施工期，有效解決了冬季施工難題。

3 思考及展望

經過近10年的發展，我國在地鐵車站預制裝配建造技術的研究和應用方面取得了一定的成績，建成了多種模式的裝配式車站，這些有益的嘗試和探索，對推動我國裝配式技術的發展具有重要意義。

從目前實際工程應用情況來看，無論是全預制裝配式結構，還是疊合裝配式結構，都具有技術可行性，能夠滿足結構施工和使用期間的設計要求，并或多或少取得了一定的經濟和社會效益。

盡管目前我國在裝配式車站領域所做的研究和嘗試已經不少，部分技術特別是全裝配式結構也已經有了一定的應用規模，但裝配式車站建造技術還處于起步階段，有很大的提升和拓展空間，且將不斷面臨新的課題，需要繼續優化、創新和突破，保持可持續發展。

3.1 因地制宜決策技術路線和工程方案

3.1.1 地下結構目前面臨的突出問題

地下結構位于地層中，耐久性一直是業內關注的焦點，雖然工程設計階段對耐久性的標準、技術措施及使用期間的檢測和維護等均確定了具體的要求和目標，但在工程實施中出現的種種問題還是難以避免，尤其是地下結構滲漏水和開裂問題，對結構的耐久性和使用壽命產生極大的影響。

根據中國工程院的研究報告可知，我國各城市地鐵車站的現澆混凝土結構基本處于“十站九漏”，甚至“每站必漏”的狀況[24]，運營前后，每座車站需要投入的堵漏治理費用基本為100萬～500萬元，部分車站達到700萬～1 000萬元。滲漏水點一般發生在現澆結構的施工縫和變形縫處，還有結構貫通裂縫處。所采取的防水措施，包括施工縫和變形縫的密封防水處理、結構外全包防水層等措施基本難以控制。

地下工程在承載環境、受力特點、防水性能及施工工藝和要求等方面有其特殊性，與地面建筑工程存在較大的區別，裝配式結構技術路線和工程方案的確定需要因地制宜。

3.1.2 疊合結構在地下工程中的應用

疊合結構是由預制混凝土構件(或既有混凝土結構構件)和后澆混凝土組成，為2階段成型的整體受力結構[25]。疊合結構在地面裝配式建筑工程中應用廣泛，并已建立完善的技術體系和規范標準。

疊合結構應用于地鐵車站工程，早期主要集中在地下連續墻支護結構與內襯墻的疊合結構，通過在連續墻表面鑿毛并設置拉結筋的方式與后期現澆內襯墻疊合。兩墻疊合后按整體墻結構進行設計，可減小內襯墻的厚度，但也存在比較突出的問題，即內襯墻開裂。后澆混凝土結構在既有結構的約束作用下易產生收縮裂縫，有些為貫通裂縫，對于大體積混凝土結構，這種現象更加嚴重。已建成運營車站的疊合墻結構開裂和漏水現象比較普遍，通常需要在車站內砌筑離壁墻，并設置專門排水溝。

目前，已建和在建的疊合裝配式車站均或多或少采用了疊合結構。疊合裝配式結構除了疊合結構中的局部采用預制構件外，其余均為現澆混凝土結構，整個結構體系基本等同于現澆原理。因此，這類裝配式結構整體性好、剛度大、結構拆分靈活、對結構斷面的適應性強。當然，現澆結構現階段存在的種種問題其基本都存在。

地鐵車站的底板、側墻和頂板等外圍襯砌結構，由于直接承受巨大的水土壓力作用，構件體量較大，一般結構厚度為500～1 000 mm，甚至更大。對于大體積混凝土的疊合結構，收縮開裂現象難以避免，加上大量施工縫的存在，地下水的滲漏更難控制，且因為疊合后隱蔽，難于檢測和修補。

因此，疊合結構用于地鐵車站的襯砌結構時，還需要對其開裂性能及技術措施做進一步深入研究，分析其可行性，并高度關注施工縫的密實性及防水措施，同時研究檢測和修補措施。當然，車站的中樓板、樓板梁及中間立柱等內部結構承載環境與地面建筑類似，疊合結構的應用是可行的，且具有一定的優勢。

3.1.3 全預制裝配式車站結構選型

實際工程研究和應用表明，全預制裝配式結構在工程質量、防水性能、裝配率、施工效率、節省勞力、環境保護等方面具有不可替代的優勢。但是，由于變剛度接頭的存在，使得裝配式結構的力學行為變得復雜，結構選型和拆分受到一定的限制；同時，接頭干式連接，拼裝過程中環內預制構件之間的張拉和連接需要一定的作業空間，導致明挖基坑的寬度較現澆結構大，并需要采用結硬性材料對側向肥槽進行回填，增加了基坑施工的工程量。

目前，長春、青島和深圳地鐵采用的裝配式車站均為單拱大跨結構，適用于地質條件相對較好的承載環境，而矩形框架結構則具有更好的地層適應性和經濟性。圖34為全預制裝配式矩形框架結構示意圖。

圖34 全預制裝配式矩形框架結構示意圖

結構形式的確定需要根據工程地質、環境條件、結構埋深、車站空間效果、工程造價等因素進行多方案的技術和經濟比選。例如： 青島地鐵和深圳地鐵，常常遇到地勢起伏地段，明挖地下2層車站覆土較厚，為了獲得較好的經濟性，一般采用地下3層矩形結構或地下2層拱形結構，因此，在這種情況下，裝配式車站采用拱形結構具有得天獨厚的優勢。

從目前實施的車站來看，基坑肥槽寬度一般在600 mm左右，可以通過以下措施進行優化。

1)優化環向水平構件的拆分，盡量采用整塊構件或大構件，取消或減少環向張拉環節；

2)優化構件張拉施工工藝，研究采用內側張拉的可行性；

3)優化接頭輔助連接裝置，在結構內側凈空有條件的情況下，將外置連接裝置設置在結構內側，或采用內置的連接方法；

4)采用經濟型結硬性回填材料，例如： 長春地鐵采用的是低強度素混凝土； 青島地鐵考慮就地取材，采用在漿液中拋石的方法形成結硬性回填。

3.1.4 完善技術體系和技術標準

目前，我國在地鐵車站及大型地下結構預制裝配技術方面的研究和應用才剛剛起步，規模還遠遠不夠，技術體系有待完善，技術標準有待形成。

在技術體系方面，早期應用的明挖裝配式車站項目在接頭連接及承載特性、結構靜力和動力力學行為、構件輕量化、疊合結構、結構及接縫防水、構件生產和施工技術等方面積累了一定的經驗，所形成的研究成果為技術體系發展奠定了一定的基礎。但仍需要在相關方面進一步深化和完善，在結構體系和接頭選型方面還需要不斷的豐富，并不斷拓展研究和應用范圍，例如礦山法裝配式結構，以適應更多的工程應用場景。

裝配式車站等地下結構的技術標準研究還處于空白。編制技術標準可固化成熟科技成果、指導實際應用工作的開展，應在研究及實際應用的成熟成果的基礎上，積極組織編制有關結構設計、構件生產和施工驗收方面的標準。目前，中國城市軌道交通協會已立項多部相關的技術標準，正在編制過程中。

3.2 盡量發揮預制裝配建造技術的優勢

不同的裝配技術均有其合理的使用范圍，技術方案的選擇應結合應用場景條件和工程實際需求，并應充分體現技術的優勢。

預制裝配建造技術的含義是在工廠制造構件或部件、在現場進行組裝的生產方式，也是工業化建造模式的核心，以實現建筑的標準化設計、工廠化生產、機械化施工和信息化管理，并逐步朝著智能化發展，推動建筑產業優化升級。

3.2.1 提高標準化、工業化程度

城市軌道交通工程相對于地面建筑，由于個性化程度低而更加適合于標準化設計和工業化建造。標準化和盡量少的構件類型有利于工廠化生產和減少模具頻繁改變而帶來的生產成本的增加。由于地鐵車站預制構件體量相對較大，構件生產設施投入高，標準化工作不到位將直接導致部分生產設施、生產場地尤其是模具的使用率降低，這對構件生產的成本有較大的影響。例如： 對于盾構隧道，一環多塊，但每環通用，且一條線路管片模具統一，甚至多條線路統一，整體標準化和工業化程度非常高，因此效率高，建設成本也得以控制。

對于車站工程，由于功能的復雜性，也加大了標準化的難度，同一座城市或同一條線路，各車站之間應統籌標準化策略；每座裝配式車站設計時，建筑、結構、設備、裝修等各專業都需要突破傳統觀念和技術手段，按照通用化、模數化、標準化的原則，全方位協同，充分體現裝配化的理念。例如： 車站建筑和設備的布局就不能將現澆結構的做法全盤照搬，本來車站集散區為標準的單柱雙跨結構，到了設備區，因為房間和設備的布置就一定要變成雙柱3跨結構，這樣，就導致1座車站需要2套標準化結構體系，或采用現澆結構替代，顯然，標準化和工業化程度就大打折扣。

3.2.2 提高結構的裝配率

提高裝配式結構的裝配率是發揮工業化建造模式優勢的最直接體現。裝配率有2個層面的含義： 1)結構體系的裝配率，指預制混凝土量占總混凝土量的比例，即預制構件的使用率； 2)整個車站的裝配率，即沿車站縱向裝配段長度與車站總長度之比。套用地面裝配式建筑的裝配率分類規則，則裝配率可分為超高裝配率(70%以上)、高裝配率(50%～70%)、普通裝配率(20%～50%)、低裝配率(5%～20%)和局部使用預制構件(小于5%)5種類型[26]。

為了盡可能地發揮工業化建造模式的優勢，很多地方政府對地面工程項目的裝配率都有剛性要求。目前地下工程領域還未發展到這一步，但也是必然趨勢，因為地下工程標準化程度高，裝配率標準應高于地面建筑。

根據目前國內采用的“全裝配式結構”的初步統計，結構體系裝配率遠遠超過70%(超高裝配率)，若不考慮內部結構，則裝配率達100%；若考慮內部結構，則裝配率在84%～95%。車站的裝配率相對較低，但也超過或基本為高裝配率(50%～70%)，長春地鐵車站的裝配率最高為86%。

我國的地鐵車站設計，每座車站的兩端通常需要設置區間隧道工作井，因此在一定長度范圍內可能出現非標準斷面，需要采用現澆結構，設計時應盡量將車站的風道與區間工作井相結合，縮短非標準結構的范圍，有效提升車站整體的裝配率。

3.2.3 研發高端施工裝備

裝配式結構對施工裝備的依賴性很高，施工裝備的性能和控制方式直接影響到裝配施工的精度、質量和效率。盡管目前結合實際車站的應用已經研發了一系列輔助施工裝備，但在裝備的自動化和智能化方面還有很大的發展空間，伴隨裝配式結構體系的不斷豐富，研發與之相配套的高端施工裝備是必然之選，并需要朝著數字化、信息化和智能化的方向發展。

3.2.4 提高施工效率和社會效益

明挖車站建設最大的痛點包括： 1)長時間占道施工，給城市道路交通產生較大的影響； 2)施工噪聲和粉塵污染嚴重影響居民的正常生活； 3)勞動力緊缺。因此，需要盡量減少現場鋼筋綁焊、模板架立和灌筑混凝土等作業活動。顯然，預制裝配化是提高施工效率、加快施工進度、節省勞力、實現綠色環保行之有效的手段。

根據長春地鐵裝配式車站的初步分析，一座標準車站綜合工期可縮短4～6個月，考慮勞動力和工期減少效益，綜合投資累計節省約1 000萬元。同時，加快建設速度不僅有利于減小施工對城市交通、用地和商業的影響，而且有利于軌道交通盡早通車、盡早發揮其改善城市交通的效益。

3.3 合理控制裝配式車站的工程造價

3.3.1 我國地面裝配式建筑工程造價分析

預制混凝土構件因受生產工藝和模具投入等因素的影響，其單價一般均要高于現澆混凝土結構。地面建筑預制構件生產成本與現澆混凝土結構成本的對比如表2所示。按照構件類型比較，樓板類結構構件成本比現澆結構高54%，矩形梁構件成本比現澆結構高69%，樓梯構件成本比現澆結構高57%。導致造價高的原因主要是材料費、機械費和稅費3個方面。

綜合考慮地面建筑工程的裝配率對預制構件造價增加的“中和”效應，地面裝配式建筑的工程造價增加幅度為500～600元/m2，綜合造價比常規建筑增加幅度為20%～25%。

表2 地面建筑預制構件生產成本與現澆混凝土結構成本對比

3.3.2 我國裝配式地鐵車站工程造價分析

通過對已建和在建的全預制裝配式車站造價進行初步測算可知，各城市裝配式車站土建工程造價總體上均高于同規模的明挖現澆車站，造價增加的幅度為10%～20%，增加幅度比地面裝配式建筑略低。初步分析，導致裝配式車站工程造價偏高的原因主要有以下3個方面。

1)預制混凝土造價高于現澆混凝土。市政工程多種預制構件初步測算單價對比見表3。由于裝配式車站構件體量大，制作工藝相對復雜，建廠成本高，因而構件的單價也略高于其他市政工程的預制構件。

2)應用數量少，建廠成本攤銷高。預制廠建設成本攤銷直接影響裝配式結構的造價。按照新建構件廠考慮，以車站數量不同計算每環構件的成本攤銷費用，初步估算為： ①按30座車站計算，構件攤銷費用約7.4萬元； ②按20座車站計算，構件攤銷費用約11.1萬元； ③按10座車站計算，構件攤銷費用約22.2萬元。

表3 市政工程多種預制構件初步測算單價對比

3)稅費影響。采用預制裝配技術與現澆混凝土技術所繳納的稅費不同。構件在工廠生產，企業需要繳納16%的增值稅，同時，構件從工廠運至現場還需要增加運輸費用； 而對于現澆混凝土結構，施工企業僅需繳納10%的增值稅[27]。

3.3.3 降低工程造價的主要措施

有效控制裝配式車站的工程造價有助于更大范圍的推廣應用，降低工程造價的主要措施有：

1)在國家積極倡導裝配式建造技術的大背景下，期待能夠取得政府的支持，減免部分稅費；

2)優化技術方案和工程設計；

3)盡量加大裝配式結構工程的應用數量，降低成本攤銷費等。

4 結論與體會

我國裝配式地鐵車站從無到有、從單一的建造模式到多模式共存，目前已形成近40座裝配式車站建設集群，我國的裝配式車站建造技術正逐步向以設計標準化、制作工廠化、施工機械自動化、管理信息化等為核心的工業化建造理念和建造模式邁進。

但目前仍存在不少問題亟待解決，我國裝配式車站建造技術剛剛起步，技術體系有待完善，技術標準有待形成； 技術路線和工程方案需要針對地下工程的特點因地制宜地決策； 在提高標準化和工業化程度、提高結構裝配率、研發高端施工裝備、提高施工效率和社會效益等方面，應充分發揮預制裝配建造技術的優勢； 同時，我國裝配式地鐵車站造價偏高，需要通過減免部分稅費、優化技術方案和工程設計、盡量加大工程應用數量、降低成本攤銷費等途徑有效降低工程造價。

雖然國家在積極倡導建筑裝配化，但我們都清楚地認識到，裝配化的進程還需要克服許多阻力和障礙，包括傳統理念、粗放的建設模式、建設成本、新課題、新人才等?？傊?，預制裝配技術的發展任重道遠，需要整個行業和全社會共同面對，并為之不斷努力和付出。