随着经济的发展和城市化进程的加快,我国城市轨道交通发展迅速,轨道交通运营线路增多,在建、规划线路规模扩大,投资金额迅猛增长。按照国务院办公厅《关于大力发展装配式建筑的指导意见》的要求,各地区应大力推进装配式建筑。因此,发展装配式地铁既符合国家利益,也符合城市轨道交通的发展要求。北京地铁6号线金安桥车站在明挖的基础上,采用整体装配式施工方案进行地铁车站主体的施工。起点~金安桥区间隧道在矿山法的基础上,采用装配式施工方案进行地铁区间衬砌管片的拼装。在地铁的修建过程中引入装配式的施工方法适应性强且自动化程度高,既能提高施工速度,又能有效保证施工质量,改善现场施工环境,具有广阔的应用前景。防水关系到地下工程使用功能的正常发挥、使用期限的长短、本身及邻近建筑的不均匀沉降;而力学性能特点决定了隧道区间衬砌在外荷载作用下的内力分布,是影响结构安全的重要因素。因此,根据装配式地铁工程的技术要求和施工特点对其防水及力学性能进行研究,探索相应的防水方案、施工控制技术和内力特点,具有重要的理论和实践意义。本文以北京地铁6号线金安桥车站与起点~金安桥区间的装配式工程为依托,综合运用理论分析和试验手段,研究装配式地铁车站侧墙与暗挖区间管片接缝的防水试验及区间管片构件的力学性能:通过理论推导,研究车站接缝处防水材料的防水机理;对接缝防水材料开展测试研究,编制了由密封垫老化试验结果预测其使用寿命的程序;设计研发了相应的防水试验测试方法,对装配式地铁车站的防水材料进行选择;通过区间接缝密封垫的室内及现场防水试验研究,为管片拼装施工参数选择提供依据;研究装置材料对密封垫防水试验的影响;从管片接缝的防水角度提出装配式地铁区间管片拼装的控制指标;运用理论分析手段,研究接头位移下管片内力的影响因素。主要研究内容和成果如下:(1)装配式地铁车站密封垫防水机理研究针对装配式地铁车站接缝处所选用的遇水膨胀橡胶的防水机理和施工特点,建立了遇水膨胀密封垫在装配全过程的力学模型,推导了在车站装配各阶段的密封垫接触应力计算公式,分析了遇水膨胀橡胶密封垫防水性能的影响因素。在装配式地铁车站的吊装、灌浆和使用三个阶段,遇水膨胀橡胶密封垫各阶段的防水性能有不同特点:吊装阶段产生挤压密封效果;灌浆阶段产生初始的膨胀密封效果;使用阶段产生两侧刚性约束下的再次膨胀和外界水压下的自密封效果。装配式地铁车站接缝处密封垫的防水性能受到吊装压缩量和遇水体积膨胀率等因素影响,只有外界水压力大于临界水压力时,密封垫才发挥自封作用。密封垫自封作用的发挥与水压力、密封垫的泊松比、弹性模量以及体积膨胀率有关。遇水膨胀密封垫在吊装和灌浆阶段产生的接触应力形成使用阶段的初始防水效果。为发挥后期膨胀效果,灌浆阶段应对遇水膨胀密封垫的体积膨胀进行控制。(2)装配式地铁车站防水试验结合装配式地铁车站的工程应用,为选择车站侧墙接缝的防水材料,在进行材料试验的基础上,设计研发了相应的防水试验测试方法,分别针对20 mm厚高强度灌浆层、遇水膨胀止水胶、遇水膨胀橡胶密封垫、三元乙丙基遇水膨胀橡胶密封垫4种地下工程常用的防水材料进行测试。测试结果表明,遇水膨胀橡胶密封垫和三元乙丙基遇水膨胀橡胶密封垫防水性能均较好,可作为装配式地铁车站接缝部位的防水材料。不仅编制了可用于老化试验中预测密封垫使用寿命的程序,而且通过防水试验确定了装配式车站接缝的防水材料和施工的控制要点。(3)装配式地铁暗挖区间密封垫的防水机理研究针对装配式地铁暗挖区间管片接缝处密封垫的受力和变形机理进行分析,建立了接缝密封垫防水模型。通过对模型的力学分析,推导了密封垫在侧面水压作用下的表面压应力的解析解。根据表面压应力的组成,对挤压密封阻力和自密封阻力进行了量化研究,分析得出管片接缝密封垫的防水性能除受到密封垫自身的接触面积、弹性模量、泊松比和厚度的影响外,还受到预紧螺栓的有效横截面积、弹性模量以及有效夹紧长度等因素的影响。随着管片接缝密封垫的累计压缩变形量的增加,其等效泊松比增大,自封防水效果增强。(4)装配式地铁暗挖区间防水试验为提供拼装参数以保证暗挖区间管片接缝防水,分别开展了密封垫的室内和室外防水试验研究:(1)室内防水试验研究结果表明,三元乙丙橡胶密封垫适用于装配式地铁区间,且拼装机的装配力不得小于17.3 kN/m。结合暗挖区间的现场防水试验结果,为使三元乙丙橡胶密封垫达到防水要求,还需对每根螺栓施加一定的预紧扭矩值,大小应由试验扭矩值312 N·m产生的等效轴力换算。(2)在区间管片拼装过程中,从防水角度考虑,管片接缝的施工控制应遵循“以张开量为主,错位量为辅”的原则。在加强导向控制和姿态调整的同时,采取措施减少隧道差异沉降。(3)室内防水试验中,矩形密封垫防水失效的位置常为平接接头附近。因此,在密封垫的生产中,接头处应选用合理弹性模量的橡胶;在密封垫的加工中,应加强接头接框工艺的控制管理。(4)现场防水试验中,在最大错位量下,水压突破接缝防水的位置是密封垫与管片沟槽接触面。(5)装置材料对管片接缝密封垫防水试验影响机理研究根据室内防水试验与现场防水试验测试研究结果的差异,针对盾构隧道密封垫防水试验中常使用钢制装置代替混凝土进行密封垫耐水压力测试的问题,研究装置材料对接缝密封垫防水试验的影响。针对区间管片接缝处密封垫的约束状态进行理论分析,运用弹性力学理论,建立约束状态下密封垫的力学模型,并对密封垫的竖向压力进行了理论推导,分析了试验装置性能对密封垫防水的影响。设计的防水试验可得到密封垫对应的张开量、耐水压力、竖向压力试验数据。测试证明了在相同竖向力作用下,密封垫在钢制装置下的耐水压力数值高于混凝土装置。通过编译的程序,可用于分析钢制装置和混凝土装置对密封垫防水性能的影响,得到如下的结论:侧向变形和约束刚度对密封垫的接触压力产生影响,进而影响密封垫防水性能;在相同张开量下,密封垫在钢制装置下的耐水压力数值高于混凝土装置;密封垫的耐水压力试验中应尽量采用混凝土装置;当采用钢制装置代替混凝土装置进行耐水压力测试时,试验数据在应用前需经平移转换;密封垫在2种试验装置下的压缩力、耐水压力试验数据与幂函数、倒幂函数、指数函数和倒指数函数的拟合性均较好,因此,可采用上述4种函数对密封垫的压缩力和耐水压力进行预测。(6)装配式地铁暗挖区间管片拼装控制技术研究针对装配式暗挖区间管片的装配误差进行分析,建立了管片转角模型,对管片密封垫中心处的张开量、错位量进行了理论推导。密封垫张开量与接缝内侧张开量、密封垫至管片内侧的距离、相邻管片内表面最大高差正相关;与管片宽度、相邻管片错位量负相关。而转角对相邻管片接缝密封垫错位量的影响可以忽略不计。根据装配式地铁暗挖区间防水试验的研究成果和管片的几何参数,得到了相邻管片内表面最大高差以及隧道纵向弯曲的曲率半径控制值。更进一步研究了相邻管片内表面最大高差的影响因素。(7)装配式地铁暗挖区间管片构件力学性能研究针对装配式地铁暗挖区间管片的力学特点,建立了圆拱管片构件在弹性支座约束下的力学模型,运用叠加原理,对管片构件在接头位移下的力学性能进行研究。通过编译程序得到管片构件的内力分布,分析了管片构件在接头转动和错动下的管片内力的情况。管片接头位移使接头处产生内力的卸载作用,导致管片构件各截面发生内力重分布。管片内力的变化与管片接头抗弯刚度、管片构件半径、半弧心角、截面抗弯刚度等因素有关。