我国预制装配式地铁车站建造技术发展现状与展望

杨秀仁

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司, 北京 100037； 2. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室, 北京 100037)

0 引言

我国将建筑产业化作为破解当前建筑业困局、实现产业优化升级的重要依托。预制装配建造技术是实现建筑模式由现场作业向工厂制造转移、由劳动密集型向机械化转变的重要基石。2016年国务院办公厅专门出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，住房和城乡建设部也集中出台了一系列针对装配式建筑的政策和标准，推进预制装配技术的发展和应用已成为建筑工程实现产业优化升级和可持续发展的重要举措[1]。

目前，我国地面装配式建筑得到了蓬勃发展，已基本形成了比较完善的技术和标准体系，工程应用十分广泛。与地面建筑相比，除盾构法隧道外，地下工程在装配式建造技术方面的研究和应用起步较晚，尤其在大型地下工程领域近乎处于空白状态。

城市地铁车站是大型地下工程的典型代表。2012年起，长春地铁2号线率先开展了明挖地铁车站装配式建造技术的研究和应用工作，开启了装配式地铁车站建设的先河。截至目前，长春地铁已成功建成装配式车站8座，还有10座正在建设中。

长春地铁装配式车站的成功建设起到了很好的示范作用。据初步统计，截至目前，国内已有长春、北京、济南、上海、广州、哈尔滨、青岛、深圳和无锡等9个城市从不同的角度开展了装配式车站建造技术的研究和应用工作，已实施的车站数量近40座。本文在分析国外装配式地铁车站建造技术的基础上，结合国内部分城市的工程建设情况，对我国预制装配式地铁车站建造技术的发展现状进行综述，并提出思考和展望。

1 国外装配式地铁车站技术发展简况

1.1 盾构法装配式地铁车站

地下工程预制装配建造技术起源于国外，盾构法隧道是最早应用预制装配技术的地下结构。1869年，詹尼斯·亨利·格瑞海德(Janes Heary Greathead)工程师用圆形盾构在泰晤士河底修建了第1条盾构隧道，该隧道首次采用了装配式衬砌结构[2]，至今已有150余年的历史。盾构隧道衬砌均为全预制装配式结构，接头干式连接，目前已广泛应用于世界各国的铁路、公路、地铁、市政管线、综合管廊等地下工程，并由单一的圆形结构发展到双圆、三圆及类矩形结构等多种形式，以适应不同的工程用途。

日本曾经有采用盾构法建造地铁车站的先例，例如： 采用双圆盾构修建的日本JR京叶线京桥站(见图1)和采用三圆盾构修建的东京7号线白金台站(见图2)[3-4]。由于受其结构形式的限制，此类大型地下车站应用案例较少，绝大部分盾构隧道仍以单一的圆形结构为主，直径3～18 m。

图1 日本JR京叶线京桥站双圆结构

图2 东京7号线白金台站三圆结构

1.2 明挖法装配式地铁车站

明挖条件下地下结构预制装配技术的应用起源于20世纪70年代。苏联联邦国家为了解决冬季施工问题，在明挖地铁车站和区间工程中研究应用了预制装配技术[5]。早期的装配式车站基本为体系较为复杂的矩形框架结构(如图3所示)，底板结构要么整体现浇，要么采用现浇湿式连接的装配整体式结构；上部结构一般为搭接式装配。后期部分车站采用了单拱大跨结构，衬砌结构也基本采用了装配整体式结构建造，例如： 明斯克地铁车站装配式结构(见图4)顶、底部分别用3块预制构件通过接头湿式连接，侧墙设置钢筋混凝土现浇段[6-7]。

图3 明挖矩形装配式地铁车站结构示意图(单位： mm)

图4 明斯克地铁车站拱形装配整体式结构示意图(单位： mm)

明挖条件下接头湿式连接的方式，不仅制约了机械化拼装水平和施工效率，而且对于大构件、高配筋率的地铁结构，在有限的基坑空间内进行钢筋连接和混凝土浇筑，施工难度极大，工程质量难以控制，同时大量现浇施工缝的存在也严重影响到地下结构的整体防水性能，一般需要在结构外侧设置外包防水层进行加强。受种种因素制约，上述预制装配施工方法在后期的工程中很少使用。

但是，装配整体式结构由于接头为现浇钢筋混凝土的刚性连接，从而具有与现浇混凝土结构同等的结构性能。国内外地面建筑装配式结构基本采用的都是这一装配整体式技术，适合地面建筑的承载环境特点和受力特性，安全可靠、经济合理。

1.3 矿山法装配式地铁车站

国外也有在矿山法隧道内利用预制装配技术建造车站结构的案例。俄罗斯圣彼得堡体育馆站为双层地铁换乘站，位于60 m深的黏土层中，采用矿山法施工。在进行装配施工前，先行施工2个辅助隧道，在隧道内通过现浇混凝土的方式形成顶拱和仰拱的反力支座，然后开挖车站主体隧道并拼装预制衬砌结构[5]，如图5所示。

图5 圣彼得堡体育馆站装配式结构示意图(单位： mm)

法国奥贝尔车站也是在矿山法隧道内拼装预制衬砌的成功案例[8]，其结构如图6所示。该车站拱部结构由预制构件装配而成，利用机械装备进行拼装施工。

图6 奥贝尔车站装配式结构示意图(单位： mm)

矿山法隧道内装配的衬砌结构，由于作业空间的局限性，基本均拆分为小型预制构件，并通过干式楔形接头连接。

2 我国装配式车站技术研究与应用

自长春地铁首座装配式车站建设以来，近10年来国内已建和在建装配式地铁车站初步统计见表1。

各城市在开展装配式车站建设时采用了不同的技术路线，各具特色，归纳起来主要有2大类。

表1 国内已建和在建装配式地铁车站初步统计

第1类： 以长春地铁为代表的全预制装配式结构，其主体结构全部采用预制构件装配而成，预制构件之间为干式连接，接头接缝采取密封防水措施，以实现结构的高性能防水，结构外不设置全包防水层。目前长春、青岛和深圳地铁的装配式车站采用了单拱大跨全预制装配式结构。

第2类： 主体结构采用以叠合结构+现浇混凝土结构为主的叠合装配式结构。而广州地铁上涌公园站，除顶板采用叠合结构外，还在楼板采用了装配式结构，为各种形式相混合的装配式结构。第2类中除个别车站采用单拱大跨结构外，其他基本为矩形框架结构，每座车站采用的叠合结构各不相同，有叠合拱、叠合板、叠合墙、叠合柱、叠合梁等多种形式。目前上海、广州、济南、哈尔滨、无锡等城市的地铁装配式车站采用了这一类结构。

2.1 长春、青岛和深圳地铁装配式车站

2.1.1 长春地铁

长春地铁装配式车站为明挖地下2层岛式站台车站，装配式结构为单拱大跨形式，宽20.5 m，高17.45 m，结构沿纵向拆分成环宽2 m的标准结构环，每一结构环再拆分为7块标准构件，结构断面如图7所示。已建成车站的基坑为桩+锚支护体系；在建车站的基坑除了桩+锚支护体系外，还有桩+内支撑体系，同时内部结构也采用预制装配技术建造。

文献[9]结合装配式车站试验段及后续实施的项目，对预制装配建造技术开展了全方位的研究工作，主要内容覆盖设计、构件制作、施工及辅助装备等多方面。

图7 长春地铁装配式车站结构断面示意图(单位： m)

1)接头连接技术。接头连接是全预制装配式结构最关键的技术，采用榫槽式插入连接方式，接头榫槽面咬合对接，结构整体拼装完成后，进行接缝注浆作业，使接缝接触面充分弥合。根据接头的位置、截面高度、受力特点、拼装工艺等要求，共采用了3种接头形式。其中，单榫长接头和双榫长接头用于环内构件连接，并设置外部螺栓连接装置；单榫短接头用于环与环的纵向连接。接头形式及构造如图8所示。

图8 接头形式及构造示意图

以大量的原型接头试验为基础，对各类注浆式榫槽接头进行了系统性的研究，揭示了接头的弯曲抵抗作用、抗弯刚度特性、抗弯抗剪承载特征和接头破坏模式等，取得了一系列支撑装配式车站结构研究和应用的重要成果，并提出了接头的设计方法[9-17]。

2)结构静力力学行为。注浆式榫槽接头的刚度具有随内力环境变化而变化的特性，因而使得全装配式结构体系的力学行为更加复杂。通过开展针对施工全过程及使用阶段的结构力学分析，揭示了带有变刚度接头的全装配式结构的力学行为，掌握了内力和变形演变规律，并通过实际车站原位测试，对理论研究成果进行了验证[9-17]。

3)结构抗震性能。全装配式结构的抗震性能广受关注，通过采用多种方法对在E2和E3地震作用下的装配式结构进行了整体分析，并将装配式结构与同型现浇结构进行地震作用对比分析，从稳定性、结构变形、内力分布、接头对结构内力的影响等多个方面研究了装配式结构的抗震性能。研究发现，所采用的全装配式结构整体稳定安全，结构体系的延性好于现浇结构，能够更好地适应地震工况下的变形，接头变形使结构整体弯矩有大幅度的减小，保护结构不受损伤，抗震性能优于现浇结构[9-17]。

4)闭腔薄壁构件力学性能。为实现大型预制构件的轻量化，提出了一种新型“闭腔薄壁”结构构件，即在构件内部填充轻质芯模替代实体结构的混凝土，形成带有封闭空腔的薄壁结构，如图9所示。由于内部空腔的存在，受力后的闭腔薄壁结构内应力传递途径比实体结构更加复杂，结构构造及其主要参数对构件力学性能有直接影响。文献[9]、[17-18]研究了闭腔薄壁构件的剪力滞效应、剪应力分布规律以及各项构造参数，提出了闭腔薄壁构件的设计方法。

图9 闭腔薄壁构件示意图

5)接头注浆技术。为确保接头可靠传力，并避免接头受力后出现局部损伤，在接头连接部位预留了一定宽度的缝隙，拼装完成后在缝隙内注入填充浆液。结合注浆环节的工程和气候环境特性，文献[17]研发了一系列适用于不同温度条件和注浆时间的材料配方，提出了注浆关键技术参数； 同时，研发了专用注浆设备，实现了大容量、大压力、高稳定、管路免拆洗的接头注浆施工工艺。

6)接头接缝防水技术。地下结构长期浸没在水土之中，对防水性能的要求很高，而装配式车站结构存在大量接头接缝，是防水的薄弱点。长春地铁装配式车站接头接缝防水措施如图10所示。接缝部位共设置了“两垫一注一嵌”4道防线，即2道橡胶密封垫、1道接缝填充注浆、1道结构内侧接缝嵌缝。

(a) 接头接缝防水构造 (b) 内嵌缝防水构造

针对多种可能的接头拼装形态以及密封垫的压紧状态关系，开展了大量橡胶密封垫的防水性能试验。试验表明，接头接缝能达到最不利拼装条件下抵抗1.0 MPa水压(相当于100 m水位高度)的防水性能[9，17]。

7)预制构件生产技术。研发了专门用于装配式车站大型预制构件生产的新型生产线。该生产线的特点是利用地下隧道窑结构来固定大型预制构件的模具，并提供抑制模板侧向变形的可靠支撑点，采用底模流转、侧模及端模吊挂、侧模外部支顶抑制变形等技术，实现装配式构件的高精度生产。

同时，研发了大型预制构件智能扫描系统，如图11所示。该智能扫描系统可自动扫描检测预制构件拼接面的平整度，准确找出构件表面的异常凹凸点，并形成检测报告，有效解决了大型预制构件高精度自动检测的问题[17]。

图11 大型预制构件智能扫描系统

8)施工技术与辅助施工装备。在结构环内，除底板构件的接缝采用预应力张拉压紧外，其余各构件的接缝主要靠构件自重压紧，并设置辅助连接螺栓；环与环之间的接缝采用接力式预应力钢筋逐环张拉压紧，见图12。为确保接头拼装定位精度和防止拼装过程中的构件磕碰，在接头部位设置了导向定位销棒(见图8)，用于引导构件的拼装移动方向和限制接头发生非预期拼装错位。

图12 纵向预应力张拉连接示意图

研制了装配式结构构件拼装作业辅助台车，实现了多功能拼装作业的全面整合，方便了装配施工作业，提高了施工作业的稳定性和安全性。

研发了装配式结构拼装张拉自动控制系统，实现了多点协同的高精度预应力张拉自动控制，系统解决了大型预制构件多点张拉协同、动态张拉荷载确定以及接缝宽度精确控制等拼装关键技术难题[17]。

9)装配式车站多专业一体化技术。针对装配式车站建筑空间利用及综合布局、设备管线综合技术、车站环境设计等方面进行了研究，提出了车站用房模块化布局模式，并重新布局设备管线系统，简装修理念充分展示了装配式结构肌理，通过声学分析并采取措施实现了装配式大空间、多声源环境下良好的声场效果。

10)技术经济和社会效益。长春装配式车站应用后取得了显著的经济和社会效益，提高了工程质量和施工安全性，降低了施工对环境的影响，尤其在实现减员、增效、节材、减排方面优势突出。以长春地铁1座装配式车站与1座普通明挖现浇车站进行比较，装配式车站的优势包括：

①对应现浇结构施工，同样长度的装配式结构可节省施工时间70%以上；

②按1座整体车站计算，每座车站可节省施工时间4～6个月，相当于缩短工期25%～30%；

③现场施工人员减少85%～90%，高峰时间作业人员由每班150～180人减少为20人左右；

④1座车站节省钢材约800 t，节省施工临时性木材用量约800 m3，施工建筑垃圾减量50%以上，施工用地减少1 000 m2左右，综合碳排放减少约19%。

从已通车运营的车站情况来看，施工期间未发生任何安全事故，使用期间装配式结构无渗漏水现象发生。目前，装配式车站已成为长春市的地标建筑，其中，地铁2号线兴隆堡站被评为2018—2019年度全国十大最美车站之一，其实景如图13所示。

2.1.2 青岛地铁6号线

青岛地铁6号线有6座车站采用全预制装配技术建造，车站为地下2层单拱大跨结构，其断面如图14所示。青岛地铁装配式车站基本上应用了长春的全预制装配技术，但在结构断面优化、内部结构装配、内支撑体系装配技术等方面也进行了相关的研究和应用工作。

图13 长春地铁2号线兴隆堡车站实景图

图14 青岛地铁6号线装配式车站断面示意图(单位： m)

主体衬砌结构环宽仍为2 m，每1结构环由长春地铁的7块构件调整为5块，其中，底板由3块调整为1块，内部结构的板、梁、柱由长春地铁的现浇结构调整为装配结构。另外，青岛地铁6座装配式车站，有5座车站基坑采用桩+锚支护体系，1座车站采用桩+内支撑体系，这也是国内首次在桩+内支撑体系下进行全装配式车站施工。

目前，青岛地铁装配式车站已经开工建设，基坑支护结构基本就绪，即将开展装配施工。

2.1.3 深圳地铁

深圳地铁在3期建设规划修编线路上选择了7座车站应用全预制装配技术建造。7座车站的基坑均采用地下连续墙+内支撑支护体系，这是国内首次在连续墙+内支撑体系下开展全装配式车站的建造，目前车站正在建设中。

深圳地铁的装配式车站有2种结构形式，其中，6座车站采用如图15所示的结构形式，简称方案1； 1座车站采用如图16所示的结构形式，简称方案2。

图15 深圳地铁装配式车站方案1(单位： m)

图16 深圳地铁装配式车站方案2(单位： mm)

方案1是在长春地铁和青岛地铁装配式方案的基础上，根据当地的建设条件进行了进一步的优化调整，即对结构断面进行优化，采用地下2层单拱大跨结构，结构环宽2 m，衬砌结构环仅由4块大型预制构件拼装而成，内部板、梁、柱仍为装配结构。另外，还研发了预制轨顶风道和预制站台板结构。

方案2被应用在深圳地铁3号线4期的西坪站，是在长春地铁装配式方案的基础上进行了优化调整，衬砌结构和内部结构采用一体化设计，侧墙与轨顶风道整合为1块构件，顶、底板则分别拆分为3块构件，站台层不设中间立柱[19]。

构件的接头连接大部分采用注浆式榫槽接头，顶板和中楼板接头为搭接接头，并在全部接头部位设置了水平开尾销连接装置，即在两构件连接部位预埋C型钢，构件拼接后再用H型钢插入，辅助两构件的连接。这种水平开尾销连接装置曾在日本的盾构隧道衬砌中有过应用。与长春地铁装配式车站的螺栓连接相比，开尾销连接可在一定程度上提高接头的抗弯刚度和承载性能，但也加大了施工拼装难度和工程造价。

另外，针对全环结构9块构件的拼装，研发了专用拼装设备，确保拼装过程中结构体系的稳定性和连接的可靠性。其他结构设计方案如闭腔薄壁构件、注浆式榫槽接头、接缝防水措施、拼装定位措施等同于长春地铁装配式车站技术方案。

2.2 上海地铁15号线吴中路站

上海市地铁15号线吴中路站为地下2层岛式站台车站，单拱大跨结构，主体结构长170 m，结构横断面为变宽度，由19.8 m变化至21.6 m，断面如图17所示。该站拱顶结构采用了叠合结构建造，预制拱盖拼装完成后，进行上部叠合层的钢筋绑扎和混凝土现浇作业，形成叠合结构。拱顶以下的底板、楼板、侧墙等结构为现浇混凝土结构[20]。

图17 吴中路站主体结构断面示意图(单位： mm)

拱顶叠合结构的预制构件由2块预制拱盖组成，预制拱盖为带有2道肋的π形构件。图18为π形拱盖构件吊装施工照片。拱盖拼装时，其拱脚坐落于侧墙顶部现浇好的拱座上，在拱脚与拱座之间安装楔形止推支座，2个楔形块就位压紧后，通过焊接的方式进行固定。拱盖顶接头节点处，在2道梁肋端部埋设钢板，拼装时通过定位销安装入孔，预埋钢板靠齐顶紧并连接，接头节点对接施工照片见图19。

图18 π形拱盖构件吊装施工照片

叠合结构用于车站拱顶结构尚属首次，针对其结构特点和施工工艺，开展了较为丰富的技术研究工作。

1)预制拱盖构件标准化研究。吴中路站为变断面结构，因此，拱盖预制构件的标准化有一定难度。项目人员巧妙地通过调整侧墙拱座的挑出长度以及适当调整拱轴高度、改变拱脚开度，实现了拱盖预制构件的标准化。拱座挑出长度不断变化如图20所示。

图19 预制拱盖顶接头节点对接施工照片

图20 拱座挑出长度不断变化示意图

最终确定的拱盖标准构件长9 710 mm，高1 385 mm，宽2 950 mm，质量约16.7 t，可以使用20 t载重运输平板车便捷运输。

2)构件制作和机械化拼装。为保证预制拱盖构件的制作精度，并为后期车站建筑裸装创造条件，专门研制了大型高精度钢模具用于构件的预制生产。为了严格控制施工拼装精度，并防止预制构件发生非预期变形，专门研发了运架一体机(如图21所示)用于构件的移动和安装。运架一体机采用多组车轮，以分散荷载作用，同时进行了机体轻量化设计，工作时走行在已施工好的中楼板结构上，以尽量减小对楼板结构的影响。

图21 运架一体机示意图

3)叠合结构力学性能研究。吴中路站叠合式顶拱结构施工期间需经过2阶段体系转换。第1阶段为预制构件装配完成，顶拱接头近似为铰接点，整个拱盖为三铰拱静定结构(见图22(a))； 第2阶段是在拱盖上部完成现浇叠合层，形成整体式拱结构，为超静定模式(见图22(b))。

(a) 三铰拱静定结构 (b) 拱形超静定结构

通过足尺结构加载试验研究了叠合结构的各项力学性能，包括： 预制拱盖与现浇叠合层在不同加载阶段的相互作用以及开裂研究，叠合拱结构受力性能和变形研究，拱脚节点施工和使用期间的受力特征和破坏模式研究。全跨加载试验模型如图23所示。

图23 全跨加载试验模型示意图

试验研究表明，叠合拱结构的预制与现浇部分协同作用良好。在满跨堆载、半跨堆载及卸载等各种工况作用下，未出现裂缝，叠合拱顶结构受力状态良好。

4)叠合结构防水处理技术。预制拱盖上部后期整体浇筑叠合层混凝土，结构防水性能等同于整体现浇混凝土结构。对后浇混凝土结构的施工缝，有针对性地采取了相应的防水措施，即预埋止水钢片，并在止水钢片的背水面设置遇水膨胀止水胶，同时在拱顶结构外喷涂防水型涂料，作为整体外包防水措施。

上海地铁15号线吴中路站拱顶采用叠合结构技术建造后，拱顶结构施工时间由原来全现浇的60 d减少到11 d，大大提高了工效。目前，本站已建成通车，是上海市第1座单拱大跨无柱车站。叠合拱结构的应用，不仅利用预制构件替代了大型且复杂的单拱大跨现浇结构的模架体系，而且站厅层拱部实现建筑裸装，突显了混凝土结构肌理之美。上海地铁15号线吴中路车站被称为上海市最漂亮的地铁站，如图24所示。

图24 上海地铁15号线吴中路车站

2.3 广州地铁11号线上涌公园站

广州地铁11号线上涌公园站为明挖地下3层岛式站台车站，矩形框架结构，车站全长221.7 m，标准段宽22.3 m。该站顶板采用了叠合结构，中楼板为预制装配结构，其他为现浇混凝土结构，并采用了永临结合的设计理念。该站还在站台板、轨顶风道和设备用房等方面应用了预制装配技术[21]。

上涌公园站装配式结构体系如图25所示。该结构体系的建立如下： 1)地面施作基坑支护地下连续墙，并利用连续墙作为主体结构的单墙使用； 2)中间立柱采用钢管混凝土柱，基坑开挖前从地面施作柱下桩基础，并将钢管柱插入桩基础内； 3)开挖基坑至内支撑标高处，内支撑中部段采用预制混凝土构件，两端分别通过现浇腰梁与连续墙连接，与中间立柱相交处通过现浇节点与钢管柱连接，基坑内支撑体系建立； 4)基坑开挖至基底标高后，回筑主体结构，底板结构采用现浇混凝土施作； 5)中楼板结构通过在内支撑构件上铺设预制板装配而成，并将内支撑作为中楼板的横梁加以利用； 6)顶板则在内支撑构件上设置叠合结构，同样将内支撑作为横梁加以利用，顶板覆土回填后，整个结构体系施工完毕。

图25 上涌公园站装配式结构体系示意图

车站结构防水措施采用防排结合方案，以结构自防水为主，并加强节点防水措施，同时站内设置排水系统。

该装配式车站的建造方式在国内也属首次，除了叠合结构的应用外，最主要的特点就是永临结合的设计方案。将基坑支护体系中的绝大部分构件，包括地下连续墙、混凝土内支撑、腰梁等作为永久结构的一部分加以利用，并在各构件连接、预制支撑构件开洞、结构抗震性能、预制构件标准化、施工工艺及辅助装备等方面进行了相应的研究。

1)内部结构与连续墙的连接技术。地下连续墙作为主体结构的单墙使用，早期的地下工程中有过不少案例，内部结构与连续墙之间的连接是关键，连接性能直接影响到内部结构体系的承载及安全性。本站连续墙主要通过现浇腰梁与内支撑结构连接。因此，对钢筋接驳器连接和钢板连接2种方案开展了试验研究。连续墙腰梁支撑节点如图26所示。

(a) 接驳器方案 (b) 钢板方案

由于钢板连接的延性优于接驳器连接方式，同时考虑到土建施工的误差难以避免，钢板连接在施工误差的适应性方面具有优势，因此该站采用了钢板连接方案。

2)开洞横梁的力学性能研究。该站将基坑预制内支撑构件作为各层结构板的横梁加以利用，由于构件体量偏大，严重影响车站内部管线的行走，需要在梁体开洞以满足各类管线的敷设，并节省结构内净空高度。为此，专门对开洞后的大梁进行了多方案模型试验研究，研究了开洞梁加载后的变形、挠度和破坏情况，验证了开洞梁的承载性能满足要求。图27为梁体开洞模型试验现场照片。

(a) (b)

3)结构抗震性能研究。通过开展车站结构的抗震性能分析，研究了E2地震作用下结构的承载及变形性能，验证了该装配体系的抗震可靠性；E3地震作用下，结构各层的层间位移为1/830～1/1 200，满足规范要求。

4)预制构件标准化及辅助拼装装备研究。从减少预制构件型号、减小预制构件质量、方便施工安装等方面，对内部装配式结构构件进行了标准化研究。同时，为提高中楼板装配作业的效率和精度，专门研制了用于预制板拼装定位的装备，如图28所示。

图28 预制中板定位拼装装备

广州地铁上涌公园站装配式结构体系相对复杂，但永临结合的设计方法在进一步减少施工工序、避免建筑垃圾的产生等方面具有一定的优势。

2.4 济南地铁R1、R2线装配式车站

济南地铁在R1线和R2线的3座车站也采用了装配式车站建造技术。3座车站的结构形式及所采用的装配技术类似，本文以R2线的任家庄站为例进行简要介绍。

任家庄站为地下2层双跨岛式站台车站，车站总长210.1 m，结构标准段宽19.5 m，采用明挖顺作法施工，结构横断面如图29所示[22]。

图29 任家庄站结构横断面示意图

该站将部分现浇混凝土结构改为预制构件，例如： 基坑支护结构采用预制方桩，中间立柱采用预制方柱+外包混凝土结构，顶板采用叠合结构。

1)基坑支护体系永临结合。基坑支护结构采用700 mm×700 mm预制方桩，基坑自上而下设置3道支撑，第1道为钢筋混凝土支撑，另外2道为钢管支撑。其中，第1道混凝土支撑后期与顶板结构相结合，替代叠合顶板的一部分预制构件加以利用，不需要拆除。

2)预制立柱永临结合。主体结构中间立柱采用400 mm×400 mm的预制混凝土方柱，基坑开挖前，从地面插入柱下灌注桩基础内； 基坑开挖期间，此预制立柱作为第1道混凝土支撑的临时立柱使用。待基坑开挖后、主体结构回筑时，再外包混凝土形成永久叠合立柱。叠合立柱与各层结构的连接关系如图30所示。

3)叠合结构。主体结构的底板及纵梁为现浇混凝土结构； 侧墙与预制方桩之间通过预埋接驳器设置拉结筋，形成叠合墙结构，如图31所示； 顶板和顶纵梁均为叠合结构，如图32所示。

图30 叠合立柱与各层结构的连接关系示意图

图31 预制桩与内衬墙连接示意图

图32 顶板叠合结构方案示意图

从实际应用效果看，支护结构采用预制方桩后，单桩成桩时间较钻孔灌注桩减少40%左右；顶板和顶纵梁采用叠合结构后，作业时间比整体现浇混凝土减少7%左右。

该站永临结合设计方案具有一定的创新性，利用预制立柱作为基坑内支撑的临时立柱，并实现永临结合，同时利用第1道混凝土支撑替代顶板叠合结构的预制构件，避免了临时混凝土立柱和支撑的拆除，有效减少了施工环节和建筑垃圾。类似立柱永临结合的做法一般在盖挖逆作法工程中常用，且一般为钢管柱，或采用型钢柱后外包混凝土形成组合柱。

2.5 哈尔滨地铁丁香公园站

哈尔滨地铁3号线2期工程丁香公园站为地下2层双跨岛式站台车站，车站长264.4 m，宽18.3 m，底板为现浇混凝土结构，顶板、楼板和侧墙除节点和纵梁区域外均采用了叠合结构[23]。车站结构断面如图33所示。

图33 丁香公园站结构断面示意图 (单位： mm)

该站的特点是利用各叠合结构的预制构件取代传统的混凝土临时模板，局部盘扣支架取代满堂支架。在结构横断面受力方向，预制构件内的主筋与现浇结构的主筋采用套筒灌浆方式连接，实现等同现浇性能，但由于连接钢筋量大，施工难度大、效率低。

为方便与侧墙预制构件的精确连接，底板角部钢筋笼在工厂进行高精度加工制作，侧墙预制构件就位后，在预制构件与基坑支护结构之间灌筑混凝土，形成叠合墙结构；在楼板或顶板预制构件就位后，叠合层混凝土与各节点区域及纵梁区域的混凝土同时整体浇筑，这样车站结构基本形成。车站结构外设置了全包防水层。

该站的轨顶风道U型结构也采用了整体预制技术，在中楼板叠合结构中预留了连接条件，在车站结构封顶后安装。

该站于2019年6月29日开始拼装施工，同年11月1日结构封顶。本站采用叠合结构后，与全现浇混凝土结构相比具有一定的优势，例如： 钢筋材料占地由600 m2减少为200 m2，并可减少钢筋倒运费用； 施工安全性提升；另外，主体结构封顶提前了2个月完成，避开了严寒冬季施工期，有效解决了冬季施工难题。

3 思考及展望

经过近10年的发展，我国在地铁车站预制装配建造技术的研究和应用方面取得了一定的成绩，建成了多种模式的装配式车站，这些有益的尝试和探索，对推动我国装配式技术的发展具有重要意义。

从目前实际工程应用情况来看，无论是全预制装配式结构，还是叠合装配式结构，都具有技术可行性，能够满足结构施工和使用期间的设计要求，并或多或少取得了一定的经济和社会效益。

尽管目前我国在装配式车站领域所做的研究和尝试已经不少，部分技术特别是全装配式结构也已经有了一定的应用规模，但装配式车站建造技术还处于起步阶段，有很大的提升和拓展空间，且将不断面临新的课题，需要继续优化、创新和突破，保持可持续发展。

3.1 因地制宜决策技术路线和工程方案

3.1.1 地下结构目前面临的突出问题

地下结构位于地层中，耐久性一直是业内关注的焦点，虽然工程设计阶段对耐久性的标准、技术措施及使用期间的检测和维护等均确定了具体的要求和目标，但在工程实施中出现的种种问题还是难以避免，尤其是地下结构渗漏水和开裂问题，对结构的耐久性和使用寿命产生极大的影响。

根据中国工程院的研究报告可知，我国各城市地铁车站的现浇混凝土结构基本处于“十站九漏”，甚至“每站必漏”的状况[24]，运营前后，每座车站需要投入的堵漏治理费用基本为100万～500万元，部分车站达到700万～1 000万元。渗漏水点一般发生在现浇结构的施工缝和变形缝处，还有结构贯通裂缝处。所采取的防水措施，包括施工缝和变形缝的密封防水处理、结构外全包防水层等措施基本难以控制。

地下工程在承载环境、受力特点、防水性能及施工工艺和要求等方面有其特殊性，与地面建筑工程存在较大的区别，装配式结构技术路线和工程方案的确定需要因地制宜。

3.1.2 叠合结构在地下工程中的应用

叠合结构是由预制混凝土构件(或既有混凝土结构构件)和后浇混凝土组成，为2阶段成型的整体受力结构[25]。叠合结构在地面装配式建筑工程中应用广泛，并已建立完善的技术体系和规范标准。

叠合结构应用于地铁车站工程，早期主要集中在地下连续墙支护结构与内衬墙的叠合结构，通过在连续墙表面凿毛并设置拉结筋的方式与后期现浇内衬墙叠合。两墙叠合后按整体墙结构进行设计，可减小内衬墙的厚度，但也存在比较突出的问题，即内衬墙开裂。后浇混凝土结构在既有结构的约束作用下易产生收缩裂缝，有些为贯通裂缝，对于大体积混凝土结构，这种现象更加严重。已建成运营车站的叠合墙结构开裂和漏水现象比较普遍，通常需要在车站内砌筑离壁墙，并设置专门排水沟。

目前，已建和在建的叠合装配式车站均或多或少采用了叠合结构。叠合装配式结构除了叠合结构中的局部采用预制构件外，其余均为现浇混凝土结构，整个结构体系基本等同于现浇原理。因此，这类装配式结构整体性好、刚度大、结构拆分灵活、对结构断面的适应性强。当然，现浇结构现阶段存在的种种问题其基本都存在。

地铁车站的底板、侧墙和顶板等外围衬砌结构，由于直接承受巨大的水土压力作用，构件体量较大，一般结构厚度为500～1 000 mm，甚至更大。对于大体积混凝土的叠合结构，收缩开裂现象难以避免，加上大量施工缝的存在，地下水的渗漏更难控制，且因为叠合后隐蔽，难于检测和修补。

因此，叠合结构用于地铁车站的衬砌结构时，还需要对其开裂性能及技术措施做进一步深入研究，分析其可行性，并高度关注施工缝的密实性及防水措施，同时研究检测和修补措施。当然，车站的中楼板、楼板梁及中间立柱等内部结构承载环境与地面建筑类似，叠合结构的应用是可行的，且具有一定的优势。

3.1.3 全预制装配式车站结构选型

实际工程研究和应用表明，全预制装配式结构在工程质量、防水性能、装配率、施工效率、节省劳力、环境保护等方面具有不可替代的优势。但是，由于变刚度接头的存在，使得装配式结构的力学行为变得复杂，结构选型和拆分受到一定的限制；同时，接头干式连接，拼装过程中环内预制构件之间的张拉和连接需要一定的作业空间，导致明挖基坑的宽度较现浇结构大，并需要采用结硬性材料对侧向肥槽进行回填，增加了基坑施工的工程量。

目前，长春、青岛和深圳地铁采用的装配式车站均为单拱大跨结构，适用于地质条件相对较好的承载环境，而矩形框架结构则具有更好的地层适应性和经济性。图34为全预制装配式矩形框架结构示意图。

图34 全预制装配式矩形框架结构示意图

结构形式的确定需要根据工程地质、环境条件、结构埋深、车站空间效果、工程造价等因素进行多方案的技术和经济比选。例如： 青岛地铁和深圳地铁，常常遇到地势起伏地段，明挖地下2层车站覆土较厚，为了获得较好的经济性，一般采用地下3层矩形结构或地下2层拱形结构，因此，在这种情况下，装配式车站采用拱形结构具有得天独厚的优势。

从目前实施的车站来看，基坑肥槽宽度一般在600 mm左右，可以通过以下措施进行优化。

1)优化环向水平构件的拆分，尽量采用整块构件或大构件，取消或减少环向张拉环节；

2)优化构件张拉施工工艺，研究采用内侧张拉的可行性；

3)优化接头辅助连接装置，在结构内侧净空有条件的情况下，将外置连接装置设置在结构内侧，或采用内置的连接方法；

4)采用经济型结硬性回填材料，例如： 长春地铁采用的是低强度素混凝土； 青岛地铁考虑就地取材，采用在浆液中抛石的方法形成结硬性回填。

3.1.4 完善技术体系和技术标准

目前，我国在地铁车站及大型地下结构预制装配技术方面的研究和应用才刚刚起步，规模还远远不够，技术体系有待完善，技术标准有待形成。

在技术体系方面，早期应用的明挖装配式车站项目在接头连接及承载特性、结构静力和动力力学行为、构件轻量化、叠合结构、结构及接缝防水、构件生产和施工技术等方面积累了一定的经验，所形成的研究成果为技术体系发展奠定了一定的基础。但仍需要在相关方面进一步深化和完善，在结构体系和接头选型方面还需要不断的丰富，并不断拓展研究和应用范围，例如矿山法装配式结构，以适应更多的工程应用场景。

装配式车站等地下结构的技术标准研究还处于空白。编制技术标准可固化成熟科技成果、指导实际应用工作的开展，应在研究及实际应用的成熟成果的基础上，积极组织编制有关结构设计、构件生产和施工验收方面的标准。目前，中国城市轨道交通协会已立项多部相关的技术标准，正在编制过程中。

3.2 尽量发挥预制装配建造技术的优势

不同的装配技术均有其合理的使用范围，技术方案的选择应结合应用场景条件和工程实际需求，并应充分体现技术的优势。

预制装配建造技术的含义是在工厂制造构件或部件、在现场进行组装的生产方式，也是工业化建造模式的核心，以实现建筑的标准化设计、工厂化生产、机械化施工和信息化管理，并逐步朝着智能化发展，推动建筑产业优化升级。

3.2.1 提高标准化、工业化程度

城市轨道交通工程相对于地面建筑，由于个性化程度低而更加适合于标准化设计和工业化建造。标准化和尽量少的构件类型有利于工厂化生产和减少模具频繁改变而带来的生产成本的增加。由于地铁车站预制构件体量相对较大，构件生产设施投入高，标准化工作不到位将直接导致部分生产设施、生产场地尤其是模具的使用率降低，这对构件生产的成本有较大的影响。例如： 对于盾构隧道，一环多块，但每环通用，且一条线路管片模具统一，甚至多条线路统一，整体标准化和工业化程度非常高，因此效率高，建设成本也得以控制。

对于车站工程，由于功能的复杂性，也加大了标准化的难度，同一座城市或同一条线路，各车站之间应统筹标准化策略；每座装配式车站设计时，建筑、结构、设备、装修等各专业都需要突破传统观念和技术手段，按照通用化、模数化、标准化的原则，全方位协同，充分体现装配化的理念。例如： 车站建筑和设备的布局就不能将现浇结构的做法全盘照搬，本来车站集散区为标准的单柱双跨结构，到了设备区，因为房间和设备的布置就一定要变成双柱3跨结构，这样，就导致1座车站需要2套标准化结构体系，或采用现浇结构替代，显然，标准化和工业化程度就大打折扣。

3.2.2 提高结构的装配率

提高装配式结构的装配率是发挥工业化建造模式优势的最直接体现。装配率有2个层面的含义： 1)结构体系的装配率，指预制混凝土量占总混凝土量的比例，即预制构件的使用率； 2)整个车站的装配率，即沿车站纵向装配段长度与车站总长度之比。套用地面装配式建筑的装配率分类规则，则装配率可分为超高装配率(70%以上)、高装配率(50%～70%)、普通装配率(20%～50%)、低装配率(5%～20%)和局部使用预制构件(小于5%)5种类型[26]。

为了尽可能地发挥工业化建造模式的优势，很多地方政府对地面工程项目的装配率都有刚性要求。目前地下工程领域还未发展到这一步，但也是必然趋势，因为地下工程标准化程度高，装配率标准应高于地面建筑。

根据目前国内采用的“全装配式结构”的初步统计，结构体系装配率远远超过70%(超高装配率)，若不考虑内部结构，则装配率达100%；若考虑内部结构，则装配率在84%～95%。车站的装配率相对较低，但也超过或基本为高装配率(50%～70%)，长春地铁车站的装配率最高为86%。

我国的地铁车站设计，每座车站的两端通常需要设置区间隧道工作井，因此在一定长度范围内可能出现非标准断面，需要采用现浇结构，设计时应尽量将车站的风道与区间工作井相结合，缩短非标准结构的范围，有效提升车站整体的装配率。

3.2.3 研发高端施工装备

装配式结构对施工装备的依赖性很高，施工装备的性能和控制方式直接影响到装配施工的精度、质量和效率。尽管目前结合实际车站的应用已经研发了一系列辅助施工装备，但在装备的自动化和智能化方面还有很大的发展空间，伴随装配式结构体系的不断丰富，研发与之相配套的高端施工装备是必然之选，并需要朝着数字化、信息化和智能化的方向发展。

3.2.4 提高施工效率和社会效益

明挖车站建设最大的痛点包括： 1)长时间占道施工，给城市道路交通产生较大的影响； 2)施工噪声和粉尘污染严重影响居民的正常生活； 3)劳动力紧缺。因此，需要尽量减少现场钢筋绑焊、模板架立和灌筑混凝土等作业活动。显然，预制装配化是提高施工效率、加快施工进度、节省劳力、实现绿色环保行之有效的手段。

根据长春地铁装配式车站的初步分析，一座标准车站综合工期可缩短4～6个月，考虑劳动力和工期减少效益，综合投资累计节省约1 000万元。同时，加快建设速度不仅有利于减小施工对城市交通、用地和商业的影响，而且有利于轨道交通尽早通车、尽早发挥其改善城市交通的效益。

3.3 合理控制装配式车站的工程造价

3.3.1 我国地面装配式建筑工程造价分析

预制混凝土构件因受生产工艺和模具投入等因素的影响，其单价一般均要高于现浇混凝土结构。地面建筑预制构件生产成本与现浇混凝土结构成本的对比如表2所示。按照构件类型比较，楼板类结构构件成本比现浇结构高54%，矩形梁构件成本比现浇结构高69%，楼梯构件成本比现浇结构高57%。导致造价高的原因主要是材料费、机械费和税费3个方面。

综合考虑地面建筑工程的装配率对预制构件造价增加的“中和”效应，地面装配式建筑的工程造价增加幅度为500～600元/m2，综合造价比常规建筑增加幅度为20%～25%。

表2 地面建筑预制构件生产成本与现浇混凝土结构成本对比

3.3.2 我国装配式地铁车站工程造价分析

通过对已建和在建的全预制装配式车站造价进行初步测算可知，各城市装配式车站土建工程造价总体上均高于同规模的明挖现浇车站，造价增加的幅度为10%～20%，增加幅度比地面装配式建筑略低。初步分析，导致装配式车站工程造价偏高的原因主要有以下3个方面。

1)预制混凝土造价高于现浇混凝土。市政工程多种预制构件初步测算单价对比见表3。由于装配式车站构件体量大，制作工艺相对复杂，建厂成本高，因而构件的单价也略高于其他市政工程的预制构件。

2)应用数量少，建厂成本摊销高。预制厂建设成本摊销直接影响装配式结构的造价。按照新建构件厂考虑，以车站数量不同计算每环构件的成本摊销费用，初步估算为： ①按30座车站计算，构件摊销费用约7.4万元； ②按20座车站计算，构件摊销费用约11.1万元； ③按10座车站计算，构件摊销费用约22.2万元。

表3 市政工程多种预制构件初步测算单价对比

3)税费影响。采用预制装配技术与现浇混凝土技术所缴纳的税费不同。构件在工厂生产，企业需要缴纳16%的增值税，同时，构件从工厂运至现场还需要增加运输费用； 而对于现浇混凝土结构，施工企业仅需缴纳10%的增值税[27]。

3.3.3 降低工程造价的主要措施

有效控制装配式车站的工程造价有助于更大范围的推广应用，降低工程造价的主要措施有：

1)在国家积极倡导装配式建造技术的大背景下，期待能够取得政府的支持，减免部分税费；

2)优化技术方案和工程设计；

3)尽量加大装配式结构工程的应用数量，降低成本摊销费等。

4 结论与体会

我国装配式地铁车站从无到有、从单一的建造模式到多模式共存，目前已形成近40座装配式车站建设集群，我国的装配式车站建造技术正逐步向以设计标准化、制作工厂化、施工机械自动化、管理信息化等为核心的工业化建造理念和建造模式迈进。

但目前仍存在不少问题亟待解决，我国装配式车站建造技术刚刚起步，技术体系有待完善，技术标准有待形成； 技术路线和工程方案需要针对地下工程的特点因地制宜地决策； 在提高标准化和工业化程度、提高结构装配率、研发高端施工装备、提高施工效率和社会效益等方面，应充分发挥预制装配建造技术的优势； 同时，我国装配式地铁车站造价偏高，需要通过减免部分税费、优化技术方案和工程设计、尽量加大工程应用数量、降低成本摊销费等途径有效降低工程造价。

虽然国家在积极倡导建筑装配化，但我们都清楚地认识到，装配化的进程还需要克服许多阻力和障碍，包括传统理念、粗放的建设模式、建设成本、新课题、新人才等。总之，预制装配技术的发展任重道远，需要整个行业和全社会共同面对，并为之不断努力和付出。