新型装配叠合整体式地下车站关键技术研究

刘 毅，潘 清，郭正兴，徐军林，张 磊

（1.无锡地铁集团有限公司，江苏无锡 214023；2.东南大学，江苏南京 210096；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 国内外预制装配式地下工程发展现状

1.1 国外发展现状

预制装配技术在国外地下工程中的发展较早，19世纪末就已经在盾构法区间隧道工程中得到了应用[1]，经过多年的发展，国外预制装配技术被广泛用于公路、市政及地铁等多个工程领域。上世纪80年代，为解决严寒地区地铁无法正常进行现浇混凝土施工的问题，前苏联在明挖法施工的地铁区间隧道及车站内采用预制构件技术[2]；90年代，法国巴黎在地铁快车线中使用预制钢筋混凝土管片装配拱技术修建地铁车站[2]；日本在仙台市地下铁道、公路双车道隧道、公路扩建等工程均采用预制装配技术[3]。

国外早期车站结构体系较为复杂，多采用矩形装配式结构，顶板、侧墙、底板等均采用预制装配技术，底板构件接头采用现浇混凝土形式[4]，如图1所示，这种技术将结构整体划分为多个构件，有助于车站结构的快速施工。经过一段时间的发展，成段衬砌结构形式被广泛应用，如图2所示，这种技术将多块预制地铁衬砌通过明挖法方式连接成整体，并在乌兹别克斯坦塔什干市地铁中得到应用[3]。后期，国外在明挖法地铁车站中较多应用标准化的做法，即底板采用整体现浇混凝土，边墙、顶板采用预制结构，且顶板采用密肋板式结构，成功地解决了构件的轻量化问题[5]。

图1 矩形装配式车站

图2 成段衬砌式车站

1.2 国内发展现状

我国地下工程装配式建造技术发展缓慢，主要在盾构法施工的隧道工程中采用装配式衬砌，且结构形式较为简单，多为圆形断面结构。近年来，在国内技术人员的努力下，国内预制装配式地下工程有了一定的创新与发展。例如，杨秀仁等[4]在国内率先研发了全装配式建造技术，并首次应用于长春地铁2号线袁家店车站，车站结构形式为二层单拱大跨结构；北京地铁6号线西延线金安桥站采用装配整体结构修建明挖车站，各构件采用工厂化预制，构件节点采用套筒灌浆方法连接，保证车站结构的整体性[6]；济南市轨道交通基于预制构件与现浇混凝土相结合的形式对明挖法车站进行施工，并应用于R1线演马庄西站[7]；2019年，哈尔滨地铁3号线丁香公园站首次采用叠合装配式地铁车站；上海地铁15 号线吴中路站首次采用预制拱形顶板设计。

2 新型装配叠合整体式地下车站简介

2.1 工程背景

无锡至江阴城际轨道交通工程南门站作为新型装配叠合整体式地下车站的试验点，是采用地下连续墙基坑支护结构的明挖车站，车站外包总长为198.7 m，标准段宽度为19.7 m。车站主体结构为双层箱式结构，采用预制构件+现浇构件相结合的方式，预制板件表层通过拉毛等方式与现浇混凝土形成叠合整体，各构件连接节点通过现浇混凝土的方式形成整体。南门站平面总图如图 3所示。

2.2 新型结构体系

南门站采用明挖法施工，主体结构外围采用地下连续墙围护结构，内设3道横向支撑，3道支撑为均为钢结构支撑，形成质量可靠、刚度大、工效高、可循环利用的防护体系。

南门站主体结构为预制+现浇钢筋混凝土结合的箱式框架结构，由底板、外墙、顶板、中板、纵梁及立柱等构件组成，包含站台层侧墙A、站厅层侧墙B、中板C、立柱D、顶板E、中纵梁F、顶纵梁G。其中，立柱采用圆钢管混凝土组合柱，钢管内现场灌注高强度混凝土；中纵梁、顶纵梁采用部分预制装配型钢混凝土梁，即预制纵梁埋入工字钢；底板采用现浇钢筋混凝土结构；侧墙采用预制+现浇钢筋混凝土叠合墙板，内侧为预制墙板；中板、顶板采用预应力混凝土板+现浇钢筋混凝土层，下层为预应力混凝土预制板。南门站整体结构及各构件如图4所示。

构件连接节点是南门站的重要组成部分，关系到结构的整体受力性能及正常使用功能。在对多种接头技术（地上结构“灌浆套筒连接”、地下结构“榫槽注浆式接头”等）的优缺点及适用性分析的基础上，选择U形钢筋搭接并现浇混凝土的湿接方式对侧墙、顶板、底板等构件节点进行连接，采用立柱外伸型钢与纵梁型钢先栓焊连接、后浇筑节点区混凝土的方式将立柱及纵梁节点连接形成整体。

图3 南门站平面总图（单位：m）

图4 南门站整体结构及各构件示意图

3 装配叠合整体式地下车站关键技术研究

3.1 结构整体受力性能研究

相比传统现浇地下结构，装配式地下车站的整体性较差、构件种类较多且存在多种不同的节点连接方式，其在外部作用下的力学行为具有较大的不确定性。目前，国内主要对传统现浇地下结构的力学性能进行研究，对装配式地下车站的综合性能研究较少。因此，对装配式车站静力性能和动力性能等方面进行重点研究，主要包括以下几个方面。

（1）围护结构的地下连续墙作为主体结构的一部分，与侧墙组成复合式结构，共同承担外部作用，围护结构与侧墙之间不能传递弯矩与剪力，只可传递法向压应力[8]。考虑结构从构件预制、构件吊装、现浇混凝土到正常使用的各施工阶段的影响，分析各构件在受力演变过程中的力学特性和整体结构的力学行为，确保各构件在各阶段满足承载能力、稳定性、变形及抗裂性能要求。

（2）多因素条件下的结构体系抗震性能分析。建立土-地下连续墙-主体结构非线性动力相互作用的数值仿真模型，充分考虑构件协调变形特征、材料非线性、地震动频谱特性等因素，通过对结构层间位移角、加速度反应等计算结果的分析，综合评价装配式车站的抗震性能。

（3）装配式车站与传统非装配式车站结构的动力性能对比分析。通过数值仿真模型，对比同一地震动条件下装配式与非装配式结构的变形、地震损伤程度等指标，验证装配式车站结构的优越性。

3.2 关键构件节点试验研究

装配式地下车站构件种类、连接方式较多，各构件节点具有明显的偏心受力特性，其力学性能直接关系到装配式地下车站结构在建设及运营使用过程中的承载能力、整体受力状态，是装配整体式结构体系的核心点[9-10]，仅通过理论研究难以反应各节点在不同作用下的损伤状态。因此对各构件节点进行试验研究，主要研究内容如下。

（1）侧墙底节点抗震性能试验研究。为研究侧墙底节点的抗震性能，优化节点设计，设计制作了3个预制拼装侧墙底节点足尺模型试件和1个现浇侧墙底节点试件。采用低周往复加载试验对侧墙底试件的抗震性能进行分析，主要研究侧墙底节点的承载能力、破坏形态及耗能性能，并对比预制装配式节点与传统现浇节点的受力性能，验证单侧预制叠合墙板节点的可靠性。侧墙底节点抗震试验如图5所示。

（2）侧墙顶节点抗震性能试验研究。为验证侧墙顶节点的抗震性能，设计制作了3个预制拼装侧墙顶节点和1个现浇侧墙顶节点试件，采用低周往复加载试验对侧墙顶试件的抗震性能进行分析，主要研究侧墙顶节点的裂缝发展过程及形态、破坏机理及耗能性能；对比预制装配节点与现浇节点的试验结果，改进预制装配节点设计。侧墙顶节点抗震试验如图6所示。

图5 侧墙底节点抗震试验

图6 侧墙顶节点抗震试验

（3）顶层纵向梁柱节点静力性能试验研究。顶层梁柱节点由叠合板、型钢混凝土叠合梁、钢管混凝土柱组成，其节点成为影响结构受力性能的薄弱部位。为验证顶层梁柱节点的受力特性，设计制作了1个预制拼装顶层梁柱节点足尺模型，对顶梁两侧施加对称竖向荷载，研究梁柱节点连接区在负弯矩作用下的承载能力、破坏形态及裂缝分布特点，指导梁柱节点构造设计。顶层纵向梁柱节点试验如图7所示。

3.3 叠合顶板力学性能试验研究

无锡地铁装配式车站顶板采用新型半预制叠合顶板，即顶板下层采用先张法预应力预制梁，上层浇筑混凝土形成叠合结构。目前，国内外对该类型的叠合板研究较少，相关文献欠缺，尚无可直接借鉴的案例，故有必要对该类型叠合板在施工阶段及正常使用阶段的力学性能进行研究。

图7 顶层纵向梁柱节点试验

为此，设计制作了叠合板足尺模型，对叠合板施加对称竖向荷载，研究叠合板在正弯矩作用下的承载能力、内力分布及破坏形态，验证新型预应力叠合板的可行性。叠合板构造及加载试验如图8所示。

3.4 装配整体式地下车站抗裂、防水综合技术研究

考虑到地下车站采用预制装配+现浇混凝土的施工技术，且所处地区具有地下水丰富、大气降水量大的特点，通过对结构抗裂及自防水性能、防水构造措施等多方面进行研究，解决装配式地下车站在工程建设及运营过程中可能面临的复杂抗裂、防水使用功能问题。

（1）大型叠合构件综合防裂技术研究。结合面的粘结、抗剪性能及粗糙度决定了叠合构件的共同工作性能。结合面常用工艺包括凿毛、拉毛、键槽及水洗露骨料等，拉毛、凿毛工艺已有大量试验成果证明其可靠性[11-13]，并被纳入相关国家标准中[14]，而水洗露骨料使用性能的研究相对较少，在叠合构件中的适用性有待研究。因此，对分别采用水洗露骨料、拉毛结合面工艺的叠合构件进行抗拉、抗剪、受弯及偏压力学性能试验研究，指导结构构造设计。叠合构件试验如图9示。

（2）现浇混凝土质量控制技术研究。由于预制混凝土对现浇混凝土的约束行为导致各部分混凝土变形分布不均，应力状态极为复杂，其防裂控制成为一大难题。结合理论与试验研究，研制低收缩高性能混凝土，并分析混凝土构件在不同工作状态下的力学性能、变形性能、抗裂性能，进一步指导现浇混凝土配合比设计。

4 BIM技术在装配叠合整体式地下车站中的应用

无锡地铁在装配叠合整体式地下车站中开展装配式设计、生产、运输和施工各环节协同工作关键技术研究，解决产业链各专业间信息数据交换、标准接口与集成技术，建立无锡地铁建筑信息模型（BIM）建管平台如图10所示。

图8 叠合板构造及加载试验

（1）在设计阶段，实现构件生产方、施工方前置参与，通过BIM信息化模型进行多专业协同管理，对结构、建筑、机电、装修等专业预留空间、预埋件等进行碰撞检测分析，确保构件设计预留空间满足各专业要求，有效避免了2D图纸各专业细部冲突的问题。

（2）在构件生产阶段，将构件深化数据及时输入BIM模型中，自动汇总形成构件信息清单。结合构件生产线运行管理系统，实现构件模具组装、钢筋笼组装、预埋件安装、隐蔽工程检验、浇筑振捣等工序管理，录入构件预埋芯片，并将过程信息实时上传BIM平台，进行信息跟踪追溯。

（3）在施工阶段，利用BIM模型构造一个虚拟的施工环境，虚拟施工环境包括施工现场空间布置、材料及设备放置位置等，实现施工场地统一规划与管理；在实际施工过程中，项目部可通过BIM技术在三维可视化模型中清楚地观察现场实际情况，进一步加强现场施工布置与管理。

图9 叠合构件试验（单位：mm）

5 结束语

相比整体现浇车站，装配式地下车站有着不可替代的优势，其在地下工程领域中具有广阔的发展前景。无锡地铁地下车站对装配叠合整体式结构相关技术的研究与应用，必将促使装配式建造技术登上新台阶。

（1）通过对装配式车站结构整体受力性能进行研究，综合评价车站结构在建造过程中的力学行为，为后期地下车站建设与运营管理提供有效的技术支撑。

（2）通过对关键节点及构件进行试验研究，提炼出地下车站装配式关键技术及研究要点，验证新型构件连接方式的可行性与适用性，为后期同类型工程应用提供参考。

图10 BIM建管平台示意图

（3）通过地下车站防水、抗裂技术研究，研制适用于软土富水地区的低收缩高性能混凝土，具有较高的经济与社会应用价值。