“预制+现浇”叠合拱壳工艺在地铁车站中的应用*

杨 勇

(1.上海申通地铁集团有限公司，201100，上海； 2.上海轨道交通十五号线发展有限公司，200063，上海∥工程师)

在国家大力倡导发展装配式建筑的背景下，地铁建设施工中开始探索使用预制装配式结构。预制装配式结构具有机械化程度高、缩短施工工期、表观质量好、绿色环保等优点，是地铁车站施工产业化发展的趋势。

1 装配式车站应用现状

北京地铁6号线西延工程的金安桥站装配式车站试验段为双层三跨矩形断面[1];济南地铁某车站结构顶板采用预制板和现浇顶板叠合，将第一道混凝土支撑与预制梁板相结合作为顶板浇筑的底模[2];俄罗斯圣彼得堡市体育馆站和勇敢广场站两个地铁车站也采用了单拱结构形式[3]；法国巴黎市星广场地铁站采用暗挖装配式结构，开挖后利用液压钢拱架逐一装配预制管片形成主体结构，其结构断面形式为单拱结构[4]；我国长春地铁2号线袁家店站[5]是国内首座采用预制装配式的地铁车站，采用了拱顶直墙、单拱无柱全预制式的结构形式。

装配式结构的节点是地下结构中最薄弱的部分。施工过程中需要重点关注装配式结构拼缝处的防水问题。在上海这种富水软土环境下，地下水对结构的影响显著，上海轨道交通车站施工中还没有采用预制装配式结构的先例，缺乏全预制车站结构的设计和施工经验。基于大力倡导装配式建筑的发展导向，结合无柱大跨度拱形车站的优点，上海轨道交通15号线吴中路站项目首次提出了一种“预制+现浇”叠合拱壳的工艺体系。该工艺体系不仅应用了预制装配式构件，释放了现场作业空间,提高了施工效率，而且通过现浇叠合层较好地解决了预制装配式节点防水的问题。

2 “预制+现浇”叠合拱壳结构体系

2.1 结构组成及受力体系分析

“预制+现浇”叠合拱壳工艺，是指将工厂预制混凝土拱壳运输至现场后组成三铰拱底模，然后在其上进行钢筋绑扎和混凝土浇筑，从而形成无铰叠合的拱壳结构。其结构组成包括预制层、现浇层、拱座，如图1所示。

图1 “预制+现浇”叠合拱壳的结构组成示意图

考虑预制模具制作、构件运输、构件吊装等因素，先将混凝土拱壳分跨预制，运输至现场后再进行拼装。一跨预制拱壳单元由左右两幅半跨预制混凝土拱壳拼装后再与拱座铰接，从而形成了三铰拱结构，如图2 a)所示。该结构除了要承受自身的重力荷载外，后续还要承受现场浇筑混凝土时的施工荷载。叠合层混凝土浇筑后，拱脚和拱顶的铰节点全部转换成刚性节点，结构体系由预制三铰拱结构转化为无铰拱结构，如图2 b)所示，此时结构需要承受自身重力荷载、覆土荷载和地面超载等荷载。

图2 混凝土浇筑前后受力体系的转化

2.2 预制拱壳结构形式

如图3所示，预制层采用预制双肋混凝土拱板，沿拱壳的跨度方向以固定间距满跨布置钢筋桁架，以满足现场浇筑混凝土时两侧悬臂端的承载要求。该结构既能减轻构件质量，方便施工，又能提高构件的抗弯刚度，满足吊装和运输要求。

图3 预制拱壳结构示意图

2.3 节点构造形式及受力体系转化

2.3.1 拱脚节点

预制拱壳的拱脚通过一对楔形止推支座实现与拱座间的快速连接。楔形止推支座可适应预制件与拱座之间的间隙误差，安装完成后用电焊固定，以承受预制拱壳成拱后自重产生的拱脚反力。现浇层钢筋与拱座预埋钢筋接驳器相连，混凝土浇筑后，预制层与二次现浇层构成叠合拱壳，共同承受荷载。此时，原三铰拱的拱脚铰节点转化为刚性连接，如图4所示。

a) 拱脚节点连接模型

b) 拱脚节点连接图(混凝土浇筑前)

c) 拱脚节点连接图(混凝土浇筑后)

2.3.2 拱顶节点

预制拱壳拱顶铰接点的构造包括预埋钢板、抗剪装置和连接螺栓等，如图5所示。抗剪装置定位承插于预埋钢板的预留孔中，在连接螺栓的配合下左右两侧拱壳精确对合，现浇层钢筋与预制拱壳预留钢筋相连。混凝土浇筑后，预制层与二次现浇层构成叠合拱壳，共同承受荷载，原三铰拱拱顶铰节点转化为刚性连接，如图6所示。

2.3.3 相邻预制拱壳单元间板缝构造

考虑预制拱壳制作、拼装施工误差，相邻预制拱壳单元间设计预留间隙为50 mm，便于拼装过程中精调。施工时首先放置一条镀锌钢板作为缝隙模板，然后连接桁架钢筋的上弦，最后浇筑混凝土。相邻预制拱壳单元间的板缝构造如图7所示。

a) 拱顶节点模型

b) 拱顶节点结构

a) 拱顶节点连接模型

b) 拱脚节点连接图(混凝土浇筑前)

c) 拱脚节点连接图(混凝土浇筑后)

图7 相邻预制拱壳单元间板缝构造

3 “预制+现浇”叠合拱壳施工流程

3.1 拱座施工

地下车站站厅层内衬墙和拱座混凝土浇筑需一次完成，施工前需要对内衬墙及拱座进行测量定位，尤其是对拱座内置预埋件进行精细测量定位，以保证后续预制拱壳拼装就位的精度。内衬墙和拱座模板铺设、钢筋绑扎及预埋件安装完成后，需对拱座预埋件进行复核测量，定位准确后再进行混凝土浇筑，浇筑过程中需要注意对预埋件的保护。混凝土养护后拆除模板，拱座混凝土强度达到设计要求后，方可进行预制拱壳的拼装施工。

3.2 “预制+现浇”叠合拱壳施工

预制拱壳采用运架一体机进行拼装施工。运架一体机由两台无线遥控的液压模块车和一组大型桁架支撑组成。预制拱壳运输至现场后，利用履带吊吊至运架一体机,通过运架一体机进行左右两幅预制拱壳的组拼施工，完成后运架一体机沿着车站纵向由远及近逐跨依次进行平移、就位、精调，并固定拱脚节点连接，从而完成预制拱壳的安装。现浇钢筋混凝土叠合层在预制拱板安装完成后进行，在完成各连接缝构造处理后，进行钢筋绑扎。混凝土浇筑按施工段分层对称进行，并按照要求循序振捣、及时养护。拱壳施工的具体流程如图8所示。

4 工程应用

吴中路站是上海轨道交通15号线的一座地下二层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，车站主体的7～18轴为无柱大跨结构，顶板采用“预制+现浇”叠合拱壳结构[6]。该站7～18轴无柱大跨预制段区域纵向长度约93.7 m，横向跨度约18.8 m。结合预制拱壳单元的制作、运输和吊装等因素，预制拱壳单元的宽度模数为3 m，因而整个预制段共30跨，每跨分左右半幅预制，半跨长度为9.4 m，单元分割线与纵向轴线正交。该站无柱大跨度区域共有60榀预制拱壳单元，按照拼装速度2.5 h/榀计，则每天可完成4～5榀，10 d即可完成现场拼装工作。通过该站的工程实践可知,“预制+现浇”叠合拱壳施工工艺减少了满堂脚手架搭设及支模等繁重工作，释放了施工空间，大大缩短了施工工期。完工后的拱顶观感质量好、空间感强、舒适性高，如图9所示。

a) 组装左半跨

b) 组装右半跨

c) 拱顶节点处理

d) 整垮运输到位

e) 拱脚节点处理

f) 现浇层钢筋混凝土施工

图9 吴中路站“预制+现浇”叠合拱壳拼装现场

5 结语

“预制+现浇”叠合拱壳工艺将预制拱形装配式结构应用到地下车站施工中，克服了富水软土环境中拼装接缝渗漏水的问题，是预制拱形装配式结构应用于富水软土环境地下车站的一种创新尝试。相比满堂支模浇筑的传统施工方式，采用“预制+现浇”叠合拱壳工艺进行大跨度拱壳结构施工，既符合装配式建筑的发展导向，提高工厂预制构件在结构中的比例，又可减少现场支模的繁重工作，优化工艺流程，释放施工空间，便于现场管理；同时,预制构件的制作精度高，外观质量好，易于实现清水混凝土的感观效果。该项技术有利于地铁车站站厅层实现无柱大空间，带给乘客更为宽敞、舒适的乘车体验，具有良好的推广价值和应用前景。