青島地鐵 6 號線裝配式地鐵車站大型異形 PC 構(gòu)件制造技術(shù)

張全昌，陳 燁，穆鵬雪，安良梅，于海鵬

（1. 青島中科坤泰裝配建筑科技有限公司，山東青島 266603；2. 青島中科坤泰智能建造研究院，山東青島 266520）

1 引言

隨著工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展以及建筑業(yè)的加速轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)高能耗、勞動力密集、生產(chǎn)技術(shù)低下、生產(chǎn)成本高、污染嚴重的粗放式建筑施工方式將被高質(zhì)量、低能耗、綠色可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代化建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式所取代，而裝配式建筑正是現(xiàn)代化建筑的重要組成部分[1-2]。

隨著裝配式技術(shù)的不斷發(fā)展和國家政策的持續(xù)性鼓勵[3-4]，作為地鐵的重要組成部分——地鐵車站，也開啟了裝配式建造的征程。自2021年長春地鐵2號線開始建設(shè)裝配式車站至今，國內(nèi)已有長春、北京、濟南、上海、廣州、哈爾濱、深圳、無錫、青島9個城市40座地鐵車站從不同角度開展了裝配式車站建造技術(shù)的研究和應(yīng)用工作[5-7]。相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆地鐵車站，裝配式車站不但具有高效率、高精度、質(zhì)量可控、工期短等優(yōu)點，而且對綠色可持續(xù)發(fā)展有著積極的意義。1座標(biāo)準(zhǔn)全方位裝配式車站可減少用工80%，節(jié)約鋼材800 t、木材800 m3，減少建筑垃圾60%，減少碳排放20%，縮短裝配現(xiàn)場作業(yè)時間約70%，節(jié)省工時4～6個月，對碳達峰、碳中和有著直接貢獻作用，同時也助推著地鐵建造技術(shù)的迭代升級和快速發(fā)展[8-9]。

本文探究了青島地鐵6號線裝配式車站預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)技術(shù)難點、質(zhì)量控制要點，可為后期裝配式車站預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、施工提供一定的技術(shù)參考。

2 工程概況

青島市地鐵6號線位于青島市西海岸新區(qū)，一期線路全長30.8 km，全部為地下線路，共設(shè)車站21座，其中6座為裝配式車站，建成后將成為貫穿西海岸新區(qū)中心城區(qū)的骨干線，是地鐵建設(shè)及沿線開發(fā)建設(shè)重點推進項目之一。目前，6座裝配式車站主體均已順利拼裝完成，裝配構(gòu)件共計434環(huán)，拼裝總重量達12 萬t，累計應(yīng)用面積達46 918 m2。

裝配式車站設(shè)計為上下2層，主體結(jié)構(gòu)全部采用構(gòu)件拼接，每環(huán)寬度2 m，由7塊預(yù)制構(gòu)件組成（構(gòu)件編號分別為：A、B、C、D、E、F、G），其中生產(chǎn)難度最高的底板A塊，長度超過20 m，重達113 t。車站主體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 裝配式車站主體結(jié)構(gòu)示意

圖2 裝配式車站主體結(jié)構(gòu)拼裝

3 難點分析

該項目工期緊張，涉及的預(yù)制構(gòu)件尺寸大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件制作、安裝、拼接精度極高，同時需防止溫度裂縫與貫穿裂縫的產(chǎn)生。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制對后期裝配式車站的拼裝效率、拼裝質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

整個生產(chǎn)工藝過程中主要的技術(shù)難點有：

（1）大型、異形模具的設(shè)計精度及穩(wěn)定性的控制；

（2）C50P10早強高性能混凝土的研究；

（3）超大異形預(yù)制構(gòu)件的動態(tài)養(yǎng)護措施；

（4）預(yù)制底板A塊的翻轉(zhuǎn)；

（5）預(yù)制構(gòu)件吊裝、運輸。

針對以上難點，結(jié)合工程中的預(yù)制構(gòu)件特點，詳細研究并制定了各個工藝環(huán)節(jié)的專項方案，從而確保了預(yù)制構(gòu)件各項技術(shù)質(zhì)量的達標(biāo)。

4 生產(chǎn)難點與質(zhì)量控制

4.1 模具

模具是保證構(gòu)件制作精度的關(guān)鍵，項目從模具的設(shè)計、加工制造、安裝、運行環(huán)節(jié)，全方位閉環(huán)控制，保證預(yù)制構(gòu)件的制造精度。

4.1.1 模具設(shè)計、加工精度控制

項目模具最大長度達到20余m，且為弧形異形模板，大型鋼模具在加工過程中容易因為殘余應(yīng)力引起變形，同時降低鋼板的實際強度和疲勞極限，造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂。因此，降低和消除鋼模板的殘余應(yīng)力是模具質(zhì)量控制中的必要工作。為解決以上問題，主要采取以下措施。

（1）優(yōu)選Q355優(yōu)質(zhì)鋼材，設(shè)計、加工組合支撐鋼架，保證模具整體剛度和穩(wěn)定性。

（2）激光切割精準(zhǔn)下料，定制模具粗加工后的應(yīng)力釋放專項方案，采用熱時效工藝，將鋼板由室溫緩慢、均勻地加熱至550 ℃左右，保溫4～8 h，再嚴格控制降溫速度至150 ℃以下出爐。

（3）采用人工測量與激光測距結(jié)合方式，檢測大型預(yù)制構(gòu)件的制作精度（生產(chǎn)前測量，即在合模完成后，利用激光測距對模具長、寬進行測量，保證合模尺寸精度；生產(chǎn)后測量，即在開模起吊后利用人工對成品構(gòu)件進行測量，保證質(zhì)量合格）。

4.1.2 模具安裝、運行精度和穩(wěn)定性控制

（1）首創(chuàng)伺服電機作為模具開合的驅(qū)動系統(tǒng)，結(jié)合位置傳感器實現(xiàn)模具自動行駛、精準(zhǔn)定位、自動開合，精度達到±1 mm，確保模具10 min內(nèi)完成自動開合。

（2）結(jié)合建筑信息模型（BIM）技術(shù)進行模具運行仿真模擬并建立數(shù)字化模型，安裝和生產(chǎn)過程智能協(xié)同。模擬真實運行情況下的受力狀態(tài)，保證模具剛度，避免變形，確保構(gòu)件精準(zhǔn)成型，如圖3所示。

圖3 模具運行仿真建模和同步受力分析

（3）設(shè)置伺服電機頂緊裝置、對拉套鎖等措施，給模具提供一定的預(yù)壓力，精準(zhǔn)控制模具由于混凝土的側(cè)壓力而產(chǎn)生的變形，實現(xiàn)模具生產(chǎn)穩(wěn)定性控制，如圖4所示。

圖4 模具頂緊裝置和對拉套示意圖

4.2 C50P10 早強高性能混凝土的研究

4.2.1 早強高性能混凝土的難點分析

本項目預(yù)制構(gòu)件的特點是：①早期強度較快速增長，要求6～10 h拆模（≥10 MPa），24～36 h吊裝（≥37.5 MPa）；②幾何尺寸大，底板長20.5 m，寬2 m，端部厚2.3 m，中部厚1 m；③力學(xué)、抗?jié)B等級要求高，除中板外，所有預(yù)制構(gòu)件都將采用C50P10的高性能混凝土。傳統(tǒng)大體積混凝土構(gòu)件預(yù)制工藝易導(dǎo)致水泥水化熱在結(jié)構(gòu)內(nèi)部集聚并難以擴散，從而引起大體積混凝土出現(xiàn)裂縫，影響構(gòu)件的整體性和耐久性。因此，本項目中大體積混凝土的早強和抗裂的矛盾分析是重點研究工作之一。需要一種既滿足混凝土的強度、整體性、和易性以及耐久性等要求，又能夠較好控制溫度應(yīng)力、解決裂縫問題的大體積混凝土構(gòu)件的高效制備工藝。

4.2.2 原材料優(yōu)選

（1）優(yōu)選水化熱較低的膠凝材料體系（P·O 42.5級水泥、F類Ⅱ級粉煤灰、S95級礦渣粉）、低堿活性的優(yōu)質(zhì)粗細骨料，提高流動性，降低混凝土收縮量，降低膠凝材料體系水化熱。

（2）自研裝配式構(gòu)件專用早強型聚羧酸減水劑，解決減水劑帶來的緩凝作用和引氣性，加速誘導(dǎo)水泥水化過程和結(jié)晶成核，快速增強早期強度，提高耐久性和抗?jié)B性。

4.2.3 配合比及工作性能試驗

（1）配合比設(shè)計。根據(jù)對C50P10早強高性能混凝土配合比的多次試驗分析[10-11]，在滿足工作性能、力學(xué)性能等要求的情況下，最終優(yōu)選出配合比方案見表1。

表1 C50P10預(yù)制構(gòu)件混凝土配合比 kg/m3

（2）拌合物基本性能。每車混凝土自生產(chǎn)到澆筑結(jié)束大約需要1 h，所以，試驗測試了混凝土拌合物初始、1 h的坍落度和擴展度及混凝土凝結(jié)時間等，以保證新拌混凝土在整個澆筑過程中均能滿足使用要求，混凝土拌合物性能試驗結(jié)果見表2。

表2 混凝土拌合物基本性能

（3）力學(xué)性能。通過對配合比試拌、成型后進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護及溫度匹配養(yǎng)護，試壓各齡期試件強度，預(yù)制構(gòu)件混凝土力學(xué)性能均符合設(shè)計要求。具體力學(xué)性能如圖 5～圖8所示。

由圖5和圖6可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，混凝土試件3天抗壓強度37.9 MPa（75.8%），7天抗壓強度48.7 MPa（97.4%），28天抗壓強度59.6 MPa（120%），56天抗壓強度64.3 MPa（128.6%），混凝土力學(xué)性能符合規(guī)范設(shè)計要求。

圖5 標(biāo)養(yǎng)混凝土試件各齡期抗壓強度

圖6 標(biāo)養(yǎng)混凝土試件各齡期劈裂抗拉強度

由圖7和圖8可知，在溫度匹配養(yǎng)護條件下，混凝土6 h抗壓強度10.8 MPa（21.6%），1天抗壓強度40.9 MPa（81.8%），3天抗壓強度53.4 MPa（106.8%），7天抗壓強度55.2 MPa（110.4%），28天抗壓強度60.3 MPa（120.6%），56天抗壓強度63.9 MPa（127.8%），混凝土力學(xué)性能符合規(guī)范設(shè)計要求[12]。同時滿足早期強度快速增長并實現(xiàn)6～10 h拆除側(cè)模（≥10 MPa），24 ～36 h起吊存放的要求（≥37.5 MPa）。

圖7 溫度匹配混凝土試件各齡期抗壓強度

圖8 溫度匹配混凝土試件各齡期劈裂抗拉強度

4.3 超大型預(yù)制構(gòu)件的動態(tài)養(yǎng)護

4.3.1 蒸汽養(yǎng)護

采用全自動智能蒸汽養(yǎng)護設(shè)備，準(zhǔn)確控制溫度和時間，加速混凝土早期強度發(fā)展[13]，從而實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件盡快脫模，加速流水化進程，提高生產(chǎn)效率，蒸汽養(yǎng)護制度如表3所示。

表3 地鐵預(yù)制構(gòu)件蒸養(yǎng)制度

4.3.2 保溫、保濕養(yǎng)護

超大、異形混凝土預(yù)制構(gòu)件在蒸汽養(yǎng)護、拆除側(cè)模工作完成后，水化溫升還遠未達到峰值，混凝土構(gòu)件內(nèi)、外溫度仍持續(xù)上升，因此需采取保溫、保濕處理，使預(yù)制構(gòu)件先升溫再逐步降溫，以防止溫度裂縫的產(chǎn)生。養(yǎng)護時間按照混凝土構(gòu)件內(nèi)、外溫度進行調(diào)整，一般總時長不少于5天。在保溫、保濕養(yǎng)護期間，對混凝土進行不同材料多層覆蓋，覆蓋層如圖9～圖10所示，有效減少混凝土構(gòu)件上表層水分散失的同時，防止混凝土表層溫度快速下降，避免構(gòu)件內(nèi)、外產(chǎn)生較大溫差。

圖9 保溫、保濕覆蓋層示意圖

圖10 車站底板A塊保溫、保濕養(yǎng)護圖

4.3.3 自然保濕養(yǎng)護

待構(gòu)件溫度降至與環(huán)境溫度差小于20 ℃后，去除構(gòu)件覆蓋物（塑料布、厚棉被），噴淋灑水進行保濕養(yǎng)護。當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃時，采取噴涂養(yǎng)護劑的措施進行保濕養(yǎng)護。

4.3.4 溫度動態(tài)監(jiān)測

結(jié)合溫度傳感、數(shù)字采集等方式實現(xiàn)混凝土芯部、表層、環(huán)境溫度的實時監(jiān)測，通過信息采集、數(shù)字化監(jiān)控實現(xiàn)全流程監(jiān)控養(yǎng)護，保證構(gòu)件內(nèi)、外溫差低于20 ℃，養(yǎng)護濕度維持在95%以上，避免溫度裂縫產(chǎn)生[14-15]。預(yù)制構(gòu)件內(nèi)、外溫度實測值如圖11所示。

圖11 預(yù)制底板A塊端部內(nèi)、外溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

4.4 預(yù)制底板 A 塊翻轉(zhuǎn)

為實現(xiàn)重達113 t的車站預(yù)制底板A塊180° 翻轉(zhuǎn)，研發(fā)出可實現(xiàn)最大翻轉(zhuǎn)130 t的超大異形裝配式構(gòu)件智能翻轉(zhuǎn)設(shè)備，此設(shè)備可滿足大跨、異形、超重預(yù)制構(gòu)件在0°～180°的翻轉(zhuǎn)需求，具有極高的先進性、可靠性。

基于底板A塊的造型結(jié)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)需求，設(shè)計研發(fā)的多組液壓油缸翻轉(zhuǎn)設(shè)備，可實現(xiàn)裝配式車站底板A塊0°～180°正向、逆向任意角度翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)設(shè)備主要由固定翻轉(zhuǎn)架基座、L形翻轉(zhuǎn)支撐架、電氣設(shè)備、液壓油泵裝置、傳動裝置、從動裝置、管路、閥路、傳感器等組成，整體方案主要采用液壓油缸傳動，L形翻轉(zhuǎn)支撐架采用從動方式進行翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)流程如下：

第1步，將底板A塊吊裝放置在L形翻轉(zhuǎn)支撐架上；

第2步，啟動液壓油泵，在預(yù)制構(gòu)件翻轉(zhuǎn)0～90°時，上側(cè)6個連接液壓油缸向下收縮進行翻轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)采用流量控制式同步回路，保證油缸與預(yù)制構(gòu)件同步行走、均勻受力；

第3步，在預(yù)制構(gòu)件翻轉(zhuǎn)至90～180°時，下側(cè)6 個連接液壓油缸開始向上支撐，L形翻轉(zhuǎn)支撐架配合傳動裝置使預(yù)制構(gòu)件翻轉(zhuǎn)至180°，完成預(yù)制構(gòu)件的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)示意如圖12、圖13所示。

圖12 預(yù)制底板A塊翻轉(zhuǎn)示意圖（單位：mm）

圖13 預(yù)制底板A塊翻轉(zhuǎn)實圖

圖14 預(yù)制底板A塊正反面吊點設(shè)置示意

4.5 吊裝、運輸

對于超長、超大的異形混凝土預(yù)制構(gòu)件的吊裝、運輸一直以來都有一定的難度，而對于此次地鐵車站預(yù)制構(gòu)件而言主要有以下難點：

（1）體積超大，重量超重，如何平穩(wěn)、安全無破損吊裝；

（2）超長異形構(gòu)件吊點數(shù)量、規(guī)格、位置的確定；

（3）超長異形構(gòu)件車輛的選擇；

（4）運輸車輛支撐架、支點數(shù)量、位置的設(shè)計；

（5）150 km長距離運輸路途顛簸。

以上多種因素大幅增加了預(yù)制構(gòu)件在吊裝、運輸過程中因受力集中出現(xiàn)較大面積破損和因受力不均衡而產(chǎn)生貫穿性裂縫的風(fēng)險。

4.5.1 吊裝

底板A塊長度達到20.5 m，自重達113 t，常規(guī)的吊裝方式難以實現(xiàn)其吊裝任務(wù)。為保證底板A塊的吊裝平穩(wěn)、安全，利用數(shù)學(xué)模型對預(yù)制構(gòu)件進行受力分析，最終決定正反兩面各設(shè)置4組共計8個吊點，每個吊點可滿足32 t的承載力，并利用2臺承載力為120 t同頻運行的大型行車進行吊裝，底板A塊吊裝吊點設(shè)置如圖 14所示。

4.5.2 運輸

（1）運輸前準(zhǔn)備。依據(jù)預(yù)制構(gòu)件尺寸，定制加長掛車；根據(jù)構(gòu)件類形、尺寸進行受力計算，制作構(gòu)件運輸支撐架等，底板A塊運輸支撐架及支點位置如圖15所示；申請專門路線，規(guī)避橋洞、大坡、急轉(zhuǎn)彎、過窄等路線。

圖15 預(yù)制底板A塊支撐架示意

（2）注意事項。運輸支撐架受力位置放置10 cm厚高強橡膠墊塊；預(yù)制構(gòu)件與運輸支撐架受力位置貼合，用鋼絲繩將預(yù)制構(gòu)件與車體固定，所有受力接觸點設(shè)置橡膠墊塊、角鋼進行隔離、保護；車輛運輸過程平穩(wěn)行駛，盡量避免緊急制動情況。

5 總結(jié)

（1）采取激光切割、有限元模擬、自動控制系統(tǒng)等方法能有效控制大型、異形模具的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，且滿足生產(chǎn)過程和車站拼裝過程的高精度要求。

（2）優(yōu)選早強高性能混凝土配合比、制定大型預(yù)制構(gòu)件保溫保濕養(yǎng)護方案、監(jiān)測實體構(gòu)件水化溫升等措施不僅滿足混凝土施工性能和各齡期力學(xué)性能要求，且能有效避免大型預(yù)制構(gòu)件溫度裂縫的產(chǎn)生。

（3）通過設(shè)計吊點位置、同頻行車、運輸支撐架、申請專門輸送路線等措施，能有效減小預(yù)制構(gòu)件在吊裝、運輸過程中因受力集中出現(xiàn)較大面積破損和因受力不均衡而產(chǎn)生貫穿性裂縫的風(fēng)險。

（4）我國裝配式車站建造技術(shù)起步時間較晚，但是發(fā)展勢頭迅猛，車站預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)正逐步向設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工業(yè)化、施工自動化、控制精準(zhǔn)化的生產(chǎn)理念和生產(chǎn)模式邁進。

（5）“適用、經(jīng)濟、安全、綠色、美觀”成為現(xiàn)代建筑的指導(dǎo)方針，因此推進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級，大力發(fā)展現(xiàn)代化建筑是未來建筑業(yè)發(fā)展的大趨勢。