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研究中心, 北京 100037)
城市軌道交通等市政地下工程一般為線長形的箱型框架結構或隧道結構,型式較為單一,標準化程度高,采用預制裝配式建造技術能取得很好的技術經濟和社會效益。
盾構隧道是目前國際上應用最為廣泛的預制裝配式地下結構,發展至今已有百余年的歷史[1]。20世紀70年代起,前蘇聯聯邦國家為了解決冬季施工問題,在明挖法和礦山法施工的地鐵車站和區間工程中相繼采用了預制裝配式建造技術[2]。2018年,我國首批明挖裝配式地鐵車站在長春地鐵2號線成功建成順利通車運營,并在后續工程及青島、深圳等地鐵工程中得到推廣應用。目前,國內已建和在建車站數量達30座[3]。
長春地鐵裝配式車站為地下2層單拱大跨隧道結構,如圖1所示。將結構縱向拆分成若干環寬2 m的標準結構環,每個結構環再拆分為7塊標準構件,全部構件在工廠預制并運至現場,在明挖基坑內拼裝形成結構。預制構件在環向和縱向均采用了干式榫槽接頭進行快速、可靠連接,連接接縫采取密封防水措施,車站結構外無需設置外包防水層[4]。

圖1 長春地鐵裝配式車站結構示意圖
預制裝配技術為地鐵車站提供了一種全新的工業化建造模式,在工程質量、施工效率、施工速度、節省勞力、環保低碳等方面具有顯著的優勢[4]。這項技術不僅能夠幫助嚴寒地區解決冬季施工問題,同樣也適用于其他地區的工程建設。除了城市軌道交通的明挖車站外,還適用于明挖區間隧道、出入口通道和風道等地下結構,以及市政工程的道路隧道、綜合管廊、人行過街道等明挖地下工程,應用非常廣泛。
然而,與盾構隧道相比,我國明挖地下工程預制裝配技術的研究和應用工作才剛剛起步。由于結構型式、受力特點、施工工藝等方面與盾構隧道存在較大的差異,因此,明挖條件下的地下結構預制裝配技術方案應有不同的解決思路和方法,并建立新的技術體系。本文結合筆者多年在地下工程預制裝配技術理論和試驗研究及實際工程應用中的收獲和經驗,對明挖裝配式地下結構的設計技術和方法進行總結和論述,以期為行業今后開展預制裝配式地下工程建設工作提供一定的參考和指導。
結構設計應遵循“結構為功能服務”的基本原則,滿足城市規劃、環境保護、抗震、防護、防水、防火、防腐蝕及施工工藝等要求[5],作為裝配式結構也不例外。預制裝配式結構是在工廠生產預制構件,運輸到施工現場后,通過可靠的連接方式裝配形成承載結構,是傳統場內施工方式向場外的轉移,也是建筑工程建造方式的重大變革。變革的核心思想是要實現裝配式建筑的標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理及智能化應用[6]。
顯然,裝配式結構設計除了需要執行上述的基本原則外,還需要通過系統集成的方法,統籌設計、生產運輸、施工裝配、建筑設備安裝和裝修,實現全過程的協同,加強建筑、結構、設備、裝修等專業之間的有機配合,按照通用化、模數化、標準化、快速施工的原則[6],全方位體現裝配化技術的綠色環保及工業化的建造理念。
城市軌道交通或市政地下工程,基本以箱型框架或隧道結構為主。對于裝配式地下結構,在滿足建筑功能要求的基礎上,應結合預制裝配技術的特點,融合線路、建筑、結構、設備管線及裝修等多專業進行裝配化集成設計,制定相應的技術要求。設計基本規定如下:
1)裝配式地下結構平面形狀宜簡單、規則、對稱。對于地下車站、風道、人行通道、道路隧道等長度有限的建筑,其平面宜布置在直線段; 當地鐵區間、管廊或管線等超長建筑位于曲線地段時,平面曲線半徑宜與結構的寬度、拼縫寬度控制要求和防水性能要求相匹配。設置豎曲線時,可參照平曲線的控制要素綜合確定豎曲線半徑大小。
2)應根據周邊環境條件、市政用地規劃要求、工程地質和水文地質情況、結構受力、工程造價等因素,合理確定裝配式結構的埋深,且應將裝配式結構座落在穩定、均勻的地基上。
3)裝配式地下結構的橫斷面宜采用對稱或基本對稱結構,結構的質量、剛度分布宜均勻,不應采用嚴重不規則的布置。
4)同一單體建筑的裝配式地下結構,平面和橫斷面的結構型式和尺度宜一致,不同單體建筑裝配式結構之間的連接可通過現澆混凝土結構或異形預制裝配式結構進行過渡。
5)當裝配式結構需要設置外部連接通道時,通道接口宜模塊化布置,并可通過預制環框構件或現澆混凝土結構與外部連接通道相連接。
6)裝配式地鐵車站宜通過將車站風道與區間隧道施工工作井相結合的方式,減小車站兩端非標準段的長度,加大中部標準裝配段長度,提高車站結構的裝配率。
7)設備管線應進行綜合設計,管線宜集中布置、減少交叉,并應滿足維修更換的要求。
8)構件預制時,宜為直接安裝或吊掛于結構上的設備、管線、裝飾材料等預埋安裝連接件或預留安裝條件,預留預埋設計應標準化,后期施工不宜在預制構件上打孔安裝連接件。
通過上述的基本原則和基本規定可以看到,裝配式結構與傳統的現澆混凝土結構相比,其設計難度大、要求高,設計內容也相對豐富,主要包含:
1)方案設計,包括建筑設計方案和結構體系選型。
2)連接接頭結構設計,包括接頭結構選型、承載能力和變形計算分析、接頭構造設計等。
3)裝配式結構整體作用效應分析,結構體系抗震性能分析。
4)結構構件設計,包括構件材料及型式、承載能力和變形計算、結構配筋及構造設計等。
5)結構體系防水設計,包括防水原則、結構自防水、接縫防水等。
6)明挖基坑工程設計。
7)裝配施工技術方案設計,包括基底精平系統、定位系統、預緊系統、支頂系統、注漿系統等。
8)預制構件制作(含預埋)、運輸、吊運安裝等技術要求。
9)施工安全風險控制和監控量測設計。
結構體系的確定是裝配式地下結構設計的重要環節。結構體系及結構型式應結合建筑功能需求,并根據工程地質和環境條件、受力環境及特征、結構埋深、施工工藝等因素綜合確定。裝配式結構體系的關鍵要素主要包括連接接頭、襯砌結構型式、內部結構型式等。
預制構件連接接頭是裝配式結構體系中最為關鍵的要素,接頭型式關系到結構的承載性能、抗震性能、防水性能及施工工藝和效率。從接頭的力學性能來分,裝配式結構的連接接頭可分為剛性接頭和柔性接頭,其中柔性接頭可分為變剛度接頭和鉸接接頭; 從接頭施工工藝來分,有干式連接接頭和濕式連接接頭; 從接頭構造型式來分,有現澆鋼筋混凝土連接接頭、平板接頭、多棱形接頭、榫槽式接頭、球形及各種曲面接頭等多種型式。
2.1.1 剛性接頭
所謂的剛性接頭,是指不能承受一定量的軸向線變位和相對角變位的連接接頭,反映接頭材料的抗彈性變形的能力,接頭剛度與連接構件的剛度相匹配,即基本等剛度,連接后的結構在各種設計狀況下,可采用與現澆混凝土結構相同的方法進行整體作用分析,即等同現澆原理[7]。
剛性接頭有濕式鋼筋混凝土連續接頭和干式鋼結構接頭2類。濕式接頭主要是構件縱向鋼筋通過機械、套筒灌漿、漿錨搭接、焊接、綁扎搭接等方式連接,并在連接部位二次現澆混凝土。干式鋼結構接頭是在接頭接縫處通過預埋的鋼結構進行有效連接,在滿足結構剛性連接性能要求的同時,實現現場快速拼裝[7]。典型的濕式剛性連接接頭如圖2所示。

圖2 套筒灌漿連接接頭示意圖
目前,地面裝配式結構基本上采用濕式鋼筋混凝土連續接頭,而干式鋼結構接頭較少應用。剛性接頭的設計要點如下:
1)剛性接頭的承載力和整體剛度不應低于相連接的預制構件。
2)剛性接頭宜設置在結構彎矩和剪力較小的部位。
3)節點鋼筋和預埋件不宜過多,連接后應能盡快承受荷載作用。
2.1.2 柔性接頭
柔性接頭即非剛性接頭,包括變剛度接頭和鉸接接頭。其中,鉸接接頭視為零剛度接頭,容許接頭自由轉動,不具有抗彎能力,這種接頭結構受力簡單、明確,如搭接接頭、球形點接頭等。
變剛度接頭是指在接頭接觸面有軸力壓緊的情況下,接頭的剛度隨接頭的內力環境(軸力和彎矩)變化而變化。變剛度接頭一般為干式連接型式,可選擇的類型較多,主要有平板接頭、搭接接頭、榫槽接頭、球形接頭及各種曲面接頭等型式。盾構隧道管片接頭就是最常見的變剛度接頭,長春地鐵2號線裝配式車站結構采用的注漿式榫槽接頭也屬于變剛度接頭。柔性接頭原理及榫槽接頭示意如圖3所示。

(a) 柔性接頭原理 (b) 榫槽接頭
變剛度接頭的剛度受內力及接頭構造的影響,力學行為相對復雜。變剛度接頭的設計要點如下:
1)應根據地下結構整體穩定性、結構受力、構件制作及運輸、拼裝工藝等要求,合理確定接頭的位置。
2)變剛度接頭的剛度和承載能力應根據其承載特性、構造特點和不同階段的實際受力狀態進行計算,接頭受力和變形應保持在其合理的承載區間之內。設計接頭的驗算內容包括抗彎承載能力、抗剪承載能力、接觸面承壓性能、相對轉角變形等。
3)進行各計算工況結構整體作用效應分析時,應計入接頭變剛度性能及其接頭彎矩釋放對結構內力的影響,通過內力—初始剛度—調整內力—接頭剛度調整等步驟的反復迭代計算,使接頭的剛度和受力趨于穩定。
4)明挖裝配式地下結構施工期間的結構體系和受力是不斷變化的,因此,對于變剛度接頭,應按其在施工全過程和使用期間的各種作用效應,在不利組合下的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行設計和驗算,確保滿足受力和變形的要求。
2.1.3 連接接頭的選擇
無論何種接頭型式,均應根據所采用的結構類型、接頭的部位及其受力特點、防水性能要求、拼裝工藝、拼裝作業環境等因素進行選擇。
城市軌道交通或市政工程的襯砌結構需要承受周圍巨大的水土壓力作用,是典型的偏心壓彎結構,一般構件體量較大、含鋼量較多,明挖基坑有限的作業空間內,接頭濕式剛性連接的可操作性差、效率低; 同時,大量的密集現澆施工縫的存在,使得結構防水性能難以控制。因此,不宜采用濕式剛性接頭型式,建議采用干式柔性接頭。
長春地鐵采用的注漿式榫槽接頭(見圖4)是以榫槽式連接為基礎,通過縫隙內灌注漿液彌合接縫,以可靠地傳遞軸力和咬合剪力,強化彎曲抵抗作用及抗變形能力,是典型的變剛度結構,在不同的荷載氛圍下呈現不同的剛度屬性,這一特性可有效調節和優化結構體系的內力幅值和結構的抗震性能[8-14]。

(a) 單榫接頭 (b) 雙榫接頭
通過大量的理論分析和原型試驗研究,并通過實際工程應用檢驗可知,注漿式榫槽接頭在受力特性、抗震性能、防水性能和方便拼裝等方面優勢明顯,能達到預期的使用效果,實現了整體無現澆混凝土濕作業的“全裝配式結構”目標[4]。
圍合在襯砌結構內的裝配式內部結構,主要為樓板、梁和立柱結構,承載環境類似地面建筑,預制構件之間的連接,考慮構件受力要求和方便施工等因素,可選擇采用剛性或柔性接頭,一般情況下可不考慮防水性能要求。
2.2.1 裝配式箱型框架或隧道結構
城市軌道交通或市政工程明挖箱型框架結構或隧道結構,當采用預制裝配技術建造時,其結構型式可為矩形或拱形,可以是單層或多層、單跨或多跨結構。考慮到拼裝時的結構穩定性,明挖裝配式結構不宜采用圓形結構。
裝配式箱型框架或隧道結構,是將結構在縱向拆分成若干個標準的結構環,在環向再根據需要將每個結構環拆分成若干個標準構件; 當結構斷面較小時,也可采用整環不分塊的管節式結構,環內無需設置接頭。所有構件均在工廠制作并運至現場,采用機械化方式將構件拼裝,形成裝配式地下結構。裝配體系的確定方法要點如下:
1)對于單線區間隧道或風道、人行通道、地下管道等小型地下結構,在滿足預制構件制作、運輸和吊裝條件的情況下,宜優先采用整環管節型式; 對于雙線區間隧道或雙孔及多孔綜合管廊等地下結構,也可采用各單孔結構獨立管節、貼壁相鄰拼裝的型式。前蘇聯采用的區間隧道管節拼裝結構如圖5所示。

圖5 區間隧道管節拼裝結構示意圖(單位: mm)
2)對于型式復雜、規模較大的地鐵車站、雙線和折返線區間、大型風道及人行通道、大型綜合管廊等地下結構,宜采用環內分塊拼裝型式,類似于盾構隧道的管片襯砌隧道結構。
3)當裝配式襯砌結構的頂板或底板采用拱形結構時,應選擇合理的矢跨比。根據頂板和底板的約束條件、受力要求,矢跨比宜控制在1/10~1/5。
4)整環管節式及分塊拼裝式結構環的寬度尺寸應根據預制構件的制作和運輸條件確定,原則上環寬宜大不宜小,一般環寬不宜小于1.5 m。
2.2.2 拼裝環結構拆分及構件設計
分塊拼裝式結構的拆分需要考慮的因素較多,除了要滿足預制構件制作、運輸、堆放、吊裝、拼接及質量控制等要求外,還要考慮接頭連接形式、結構受力的合理性,確保結構體系在拼裝全過程及使用期間能滿足穩定性、承載能力和變形要求。拼裝環結構拆分及構件設計方法如下[15]:
1)結構拆分應首先滿足結構體系受力穩定性要求,此時應考慮地層與結構之間的相互約束和相互作用對結構穩定性的貢獻,并驗算不利的荷載變異因素(如偏載、外部工程活動卸載等)對結構穩定性的影響。
2)結構拆分時應統籌協調襯砌結構和內部結構的分塊和布置方式,構件可采用直線形、弧形、折線形、T字形等多種型式,構件型式和尺度應滿足制作工藝、運輸條件及吊裝穩定性的要求。
3)宜采用大構件、少分塊的原則,并做到模數化、標準化、少規格; 襯砌結構的縱向接縫可采用通縫或錯縫2種拼裝形式。
4)構件截面根據裝配式結構受力、接頭構造、建筑裝飾及輕量化設計要求確定。對于襯砌結構,宜采用矩形、槽形及閉腔薄壁等型式,不宜采用T形、I形和倒L形。
2.2.3 裝配式內部結構設計
裝配式內部結構板、梁、柱的布置宜模塊化,總體要求柱網尺寸統一,柱列縱橫向貫通; 承重墻、立柱等豎向承載構件上下對齊且連續; 樓板孔洞的平面對齊、成列布置,其平面位置和尺寸在滿足建筑功能要求的前提下,應滿足結構受力及預制構件的設計要求。裝配式內部結構設計方法如下:
1)當采用樓板-墻體系時,宜與襯砌結構統籌考慮其環向和縱向的分塊及拼裝連接方式,內外結構的縱向環寬尺度應統一。
2)當采用樓板-梁-柱體系時,可自成體系,根據柱網布置特點,采用橫向或縱橫向相結合的承載體系。
3)內部結構與襯砌結構之間以及內部預制構件之間應有可靠連接,連接節點的傳力路徑應明確,接頭接縫可不考慮防水措施。
4)樓板和梁等水平結構,根據樓板開洞和受力需要,可采用全預制裝配結構、疊合結構或局部現澆混凝土結構。
由于裝配式地下結構在拼裝施工工藝和結構受力特性方面與現澆混凝土結構存在較大的差異,因此,明挖裝配式結構基坑工程的設計除了依據國家、行業及地方相關技術標準和當地建設經驗進行外,還有其特殊性。
基坑支護結構的選型除了需要考慮工程地質和水文地質情況、環境條件、基坑深度等因素外,還應結合裝配式地下結構的型式綜合確定。一般情況下,采用錨桿(索)或內支撐體系下的樁墻支護、噴錨支護、鋼管樁支護及吊腳樁組合支護等直立式支護結構,均可適用于建造整環管節式和分塊拼裝式的裝配式結構; 而放坡或土釘墻基坑支護,較適用于整環管節型式的裝配式結構; 當放坡或土釘墻基坑支護用于分塊拼裝式結構時,需要采取措施有效控制結構拼裝過程的穩定性。
放坡或土釘墻基坑的拼裝作業空間大且靈活,用于裝配式結構的拼裝條件較好,一般情況下基坑開挖寬度無需放大或做特殊處理。而對于直立式邊坡基坑,開挖寬度應在裝配式結構總寬度的基礎上,綜合考慮構件吊運、拼裝作業空間、施工工藝要求、支護結構錨頭和圍檁占用空間等因素,給予一定的肥槽裕量,裕量取值可參考下列方式選取[16]:
1)整環或整塊構件吊運拼裝時,基坑兩側各加寬裕量不宜小于100 mm。
2)當襯砌側墻外設置環內接頭連接凸臺時,基坑側壁至襯砌側墻之間的螺栓連接作業空間不宜小于600 mm(見圖6)。因此,如果結構內部有空間,建議將連接裝置設置在側墻內側或構件內部,可減少基坑肥槽的寬度。

圖6 構件凸臺螺栓緊固作業空間示意圖
3)當底板、樓板或頂板等水平構件采用分塊拼裝時,需要考慮橫向張拉鎖緊工藝要求,外側作業空間寬度不宜小于800 mm(見圖7),或考慮采取內部張拉措施,可減少基坑肥槽寬度。

圖7 橫向張拉鎖緊作業空間示意圖
城市軌道交通或市政地下工程的明挖基坑平面基本為窄條形,在土層基坑工程中,大多適宜采用內支撐體系。在設置了內支撐的基坑中進行裝配式結構的拼裝作業是一種挑戰。內支撐的布置除了需要滿足支護結構受力及土方開挖等要求外,還應滿足預制構件吊運和拼裝工藝操作空間要求,基本規定如下:
1)每層內支撐應設置在同一水平面內,各層內支撐應設置在同一豎向平面內。
2)內支撐的水平間距應結合預制構件的環寬、環向和縱向拼裝工藝要求合理確定,內支撐的水平凈距不應小于構件環寬,且應考慮安全吊裝等因素留出一定的裕量。
3)內支撐的豎向布置除了結合預制構件的高度及拼裝工藝要求外,還應考慮已拼裝就位的結構與支撐拆除時的受力轉換作用。
4)當內支撐妨礙預制構件拼裝時,宜采取先加撐后拆除的原則進行內支撐倒換,并利用已拼裝就位的結構作為支撐,提供后續內支撐拆除的條件。
5)當利用已拼裝就位的結構作為施工階段基坑支護結構的剛性支點時,基坑側壁與結構之間應設置剛性接續撐,接續撐軸線應與作為支撐的結構軸線對正。
6)當利用頂拱和仰拱作為支撐使用時,應驗算最不利工況時能提供的軸力是否滿足要求。
裝配式地下結構的基坑回填應引起足夠的重視,回填材料、回填時機及回填方式均會對結構和接頭的受力和變形產生較大的影響?;踊靥罨疽笕缦拢?/p>
1)基坑側壁與襯砌側墻之間的肥槽及結構頂部應及時回填,并對稱施作。
2)對于采用剛性接頭或整環管節裝配式結構,側壁肥槽回填可采用常規回填材料。
3)對于采用柔性接頭的環向分塊拼裝式結構,側壁肥槽回填應采用結硬性材料,并分多級填筑; 回填材料結硬后方可進行下一級回填,每一級的回填高度應通過驗算接頭受力和已拼裝結構的穩定性后確定; 肥槽硬性回填的總高度應能夠覆蓋側墻最頂部的接頭節點,且應高于接頭接縫不小于1.0 m。
4)當基坑采用放坡、土釘墻等支護形式時,基坑底部不小于1.0 m高的范圍內,宜采用結硬性材料回填,以上部分可采用常規回填材料回填。
5)裝配式結構頂部應采用不小于0.5 m厚的三七灰土回填,以上部分可采用常規回填材料回填。
6)結硬性回填應采用低強度等級的素混凝土、毛石混凝土、級配砂石灌漿等材料; 常規回填應采用高密實性、低滲透率材料,并滿足填料含水率、回填碾壓密實度等相關技術要求。
針對城市軌道交通或市政等地下工程的防水設計,國家、行業已發布了相應的技術標準,作為明挖裝配式地下結構,其中的一般規定、混凝土結構自防水以及盾構法隧道結構防水等標準要求均可參考執行。由于明挖施工條件下建造的裝配式地下結構與同為裝配式結構的盾構隧道在接頭型式、施工工藝等方面存在較大差異,本文僅補充設計時需要考慮的其他幾點建議[17]。
明挖裝配式地下結構的防水應以結構自防水為根本,以構件接縫防水為重點,并采取與其相適應的防水措施。因此,連接接頭的設計和構造除了滿足結構受力和拼裝工藝要求外,還應滿足防水和耐久性要求。
1)接縫防水措施應與接頭結構和構造相適應,防水做法應嚴密、交圈和無滲漏薄弱點,接頭的鎖緊連接裝置原則上應不穿越防水措施帶,如無法做到時,應單獨采取密封防水措施。
2)裝配式襯砌結構的干式柔性接頭接縫,應設置至少1道橡膠密封墊,密封墊的防水性能應滿足規范相關要求,同時,接縫宜采用適合的材料進行填充,除了保證干式接縫傳力外,還可強化接縫的防水性能。
3)采用柔性接頭的裝配式襯砌結構可不設置外包防水層。
4)當裝配式襯砌結構采用濕式連接的剛性接頭時,應確保后澆混凝土的密實防水性,同時預制構件接縫端面應粘貼至少1道遇水膨脹橡膠止水帶; 襯砌結構宜設置外包防水層,外包防水層的做法應與裝配式地下結構的特點和拼裝工藝相適應。
長春地鐵裝配式車站襯砌結構采用了注漿式榫槽接頭,從實際工程的應用情況來看,采用該接頭不僅施工快速、連接可靠,而且車站結構接縫無滲漏現象,應用效果較好。長春地鐵注漿式榫槽接頭接縫防水示意[17]如圖8所示。該接縫防水設計主要技術如下:
1)根據構件拼裝接縫控制和拼裝誤差調整要求,最不利工況下接頭接縫的最大張開量不大于7 mm,拼裝錯臺量不大于5 mm。
2)接頭接縫處設置了2道完全閉合的復合膨脹橡膠密封墊。
3)接頭接縫處預留一定的間隙,該間隙在結構拼裝完成后、基坑回填之前,采用石英粉改性環氧樹脂進行了注漿填充。
4)在隧道內側的預制構件拼縫處設置了凹槽,后期進行嵌縫防水處理。

作為系統龐大的明挖條件下的地下工程預制裝配建造技術,其設計技術和設計方法除了本文涉及的結構選型、基坑工程、結構防水等相關的技術內容之外,尚有更加具體和深入的接頭設計、結構整體計算分析、結構構件設計、預制構件制作和施工技術要求等相關內容,由于文章篇幅有限,不能一一詳述。經過近10年的研發和工程實際應用,該技術取得了一系列重要成果,在新技術研究并成功應用的基礎上,建立相應的技術體系是推動新技術可持續發展的重要基石。目前,明挖預制裝配式地下結構的設計、生產、施工等成套技術體系已基本形成,獲批的中國城市軌道交通協會團體標準正在編制中,以期為行業在預制裝配式工程建設中,貫徹執行國家的技術經濟政策,統一技術標準,做到安全可靠、技術先進、經濟合理提供全方位的技術支撐。