明挖地铁车站预制装配结构理论与实践

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我国城市轨道交通自2000年进入快速发展期后,一直保持了高速增长态势,各城市在工程建设环节都面临着工期、环境影响、劳动力紧缺、工程质量等方面的巨大压力。传统明挖地铁车站结构一般均采用现浇施工工艺建造,施工环节多、受气候条件影响大、施工速度慢,施工粉尘和噪声污染严重,现场作业人数众多且劳动强度大,工程质量控制难、渗漏水现象频发。预制装配式建筑结构具有高效率、高质量、绿色环保等显著优势,在地面建筑领域应用居多,国内外尤其是欧美及日本等发达国家应用非常广泛,而地下结构的应用主要集中在盾构隧道工程。前苏联为了解决冬季施工问题,在明挖地铁车站和区间结构工程中研究应用了预制装配技术,受早期技术的局限,大型地铁车站多采用体系较为复杂的装配式矩形框架结构,且构件接头主要采用现浇混凝土连接,装配优势发挥不够明显。长春地铁2号线预制装配式车站为明挖地下二层单拱大跨结构,预制构件之间首次采用无需现浇混凝土湿作业的榫槽式接头连接,属于全预制装配方式。与地面装配式结构、盾构隧道或国外接头现浇的装配式结构相比,该结构在使用环境特点、受力特性、防水要求、施工工艺等方面均存在较大的差异,主要技术无法套用,需要不同的解决思路和方法,并通过系统深入的研究建立新的技术体系。本文着眼于研究和解决支撑地铁车站预制装配建造技术实际应用的科学和技术问题,通过理论分析、室内试验研究和原位测试验证等手段,重点对装配式结构构件连接接头的承载性能、装配式结构体系的静力和动力力学行为、轻量化结构构件的力学特性、以及装配式结构接缝防水技术等地下结构预制装配关键技术进行了研究,形成了从装配式车站结构整体力学行为(静力和动力)到局部力学特性(接头和构件)的全方位理论和实践成果。主要创新成果如下:1.提出并研发了一种新型“注浆式榫槽接头”结构。针对不同接头型式、不同注浆材料、不同注浆范围、不同轴力和弯矩组合等各种工况开展了一系列1:1原型接头力学性能试验,通过接头的变形特性、混凝土结构和钢筋的应力应变规律分析,并结合有限元分析及理论研究,深入探索了接头抗弯抵抗作用原理、抗弯抗剪承载特性和力学本构关系,揭示了接头的破坏形态、多阶段承载特性及“变刚度”特性,提出了接头刚度计算公式、承载力计算方法及接头构造设计标准,初步形成了注浆式榫槽接头力学理论,有力支撑了装配式结构体系的建立,为地铁车站预制装配技术的研究和应用奠定了坚实的基础。2.对装配式车站结构体系开展了全方位的静力和动力作用力学行为特性研究。建立二维、三维、多施工阶段、多使用阶段、多荷载工况及多结构参数的数值模型,对装配式结构体系的内力和变形及其发展历程进行了精细化分析,并与同形现浇混凝土连续结构进行对比研究,掌握了装配式结构的静力和动力力学行为,以及接头刚度、不同辅助支撑措施、肥槽回填及拱顶回填等多因素对结构力学行为的影响规律,揭示了装配式结构接头对结构体系弯矩的调幅作用特征和对构件的保护作用特性,揭示了装配式结构在地震作用下较现浇结构具有更好的地层随动特性和优越的整体抗震性能。通过多座建成车站的原位测试,验证了理论分析成果以及结构设计的安全性和可靠性。3.提出并研发了新型“闭腔薄壁构件”。针对大型地下结构构件体量大、吊运拼装困难的特点,采用气泡混凝土轻质芯模作为填充材料,形成了闭腔薄壁预制构件,实现了大型装配式地下结构构件的轻量化;同时,对闭腔薄壁构件开展了深入的力学行为研究,揭示了其独特的正截面剪力滞效应和剪应力分布规律,提出了闭腔薄壁构件的合理空腔率指标,以及翼缘板、肋板、隔板、端板、倒角等关键部位的合理构造设计参数,为今后的应用奠定了理论和实践基础。4.建立了完备的装配式地铁车站结构防水体系,并重点研究了装配式结构接头接缝防水技术。提出了接头接缝“两垫一注一嵌”多道防线防水做法,即:两道橡胶密封垫+灌注改性环氧浆液+沟槽嵌缝;通过试验揭示了单道和双道橡胶密封垫防水性能,以及复合膨胀橡胶密封垫的防水强化作用;试验表明,单道密封防水性能在缝宽10mm、密封垫错位5mm的最不利条件下耐水压达1.0MPa。从目前车站实际使用情况来看,在车站结构没有设置外包防水层的情况下,结构无渗漏水现象发生,达到了预期的良好效果。本文的主要研究成果在理论和实际应用两方面均具有重要意义。研究成果有效支撑了我国第一座预制装配式车站的成功实施,目前长春地铁已有5座预制装配式车站投入使用,并将在长春市下一轮城市轨道交通建设中的10余座车站和国内其他城市推广应用;同时,研究成果也为进一步发展大型地下结构预制装配技术奠定了一定的理论和实践基础。
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