预制装配式地铁车站施工技术研究.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１５０８２０基金项目：中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目（１４隧Ｃ０９）；中国铁建大桥工程局集团有限公司科技研究开发计划项目（ｃｒ１３ｇｋ２０１３０９）预制装配式地铁车站施工技术研究陈久恒（中铁建大桥工程局集团第六工程有限公司　吉林长春　１３００３１）摘　要　长春地铁　２　号线袁家店车站是国内首座预制装配式地铁车站，通过对本工程施工方法的深入研究，解决了拼装形式、合理步序、构件吊运、定位纠偏及拼装装备研制等　６　项技术难题，为类似工程施工提供参考。关键词　装配式车站　基面精平　拼装技术　拼装装备　长春地铁　２　号线中图分类号　　　Ｕ２３１．４文献标识码　　　Ａ文章编号　１００９４５３９　（２０１５）　１１００６２０４　　　　　ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＰｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄＳｕｂｗａｙＳｔａｔｉｏｎ　　ＣｈｅｎＪｉｕｈｅｎｇ（　　　　　　　　ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢｒｉｄｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅａｕＳｉｘｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，　　　ＣｈａｎｇｃｈｕｎＪｉｌｉｎ１３００３１　，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　　　　　　　　　　　　　　　　ＴｈｅＹｕａｎｊｉａｄｉａｎＳｔａｔｉｏｎｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎＭｅｔｒｏＬｉｎｅ２ｉｓｔｈｅｆｉｒｓｔｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｓｕｂｗａｙｓｔａｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　　　　　　ｔｏｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔ，　　　　　　　　ｓｏｍｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓａｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｓｏｌｖｅｄｓｕｃｈａｓａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｆｏｒｍｓ，　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｔｅｐｓ，　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｌｉｆｔｉｎｇ，　　　　　　　　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｄｅｖｉａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｉｔｃａｎｐｒｏｖｉｄｅ　　　　ａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｓｔａｔｉｏｎ；ｅｘａｃｔ　　　ｌｅｖｅｌｉｎｇｆｏｒｂａｓｅｐｌａｎｅ；　ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；　ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；Ｃｈａｎｇ隧　　　ｃｈｕｎＭｅｔｒｏＬｉｎｅ２　　１引言国外在地下工程预制技术方面发展较早，在地下工程建筑产业的发展中，混凝土预制技术亦被广泛应用在明挖法的隧道结构中。前苏联曾用在明挖法施工的地铁线上，包括车站、区间隧道以及车站附属建筑和辅助隧道工程，均采用定型拼装的统一规格的钢筋混凝土结构，采用人工配合吊装机械完成施工。国内对地铁区间装配式结构有一定的研究，但对地铁车站以及其它地下铁道附属物装配式结构的研究和应用尚在起步阶段。从国内预制技术来看，地下工程的预制技术主要应用在盾构法修建的工程中，一般为圆形结构［　１－４］。近年来随着科学技术水平的提高及国内施工装备的自主研发、加工能力的发展，我国现在已具备独自研发预制装配式施工技术及施工装备的能力。下面结合国内首座预制装配式地铁车站（长春地铁　２　号线袁家店车站），谈谈其关键施工技术。　２工程概况及重难点分析　　２．１工程概况长春地铁　２　号线共设计装配式车站　５　座，其中袁家店车站是国内第一座预制装配式地铁车站的试验站。预制装配式地铁车站主体长度　　３１０ｍ，其中装配段　　１８８ｍ，现浇段　　１２２ｍ。装配段结构共　９４环，每环宽度　　２ｍ，由　７　块预制构件组成，其中底板　３块（　２Ｂ＋１Ａ）、边墙　２　块（２Ｃ）、顶板　２　块（　１Ｄ＋１Ｅ），每环单块预制构件最重　　５５ｔ。块与块、环与环之间“”“”均采用榫接的方式并用精轧螺纹钢拉紧，公、母榫间隙采用改性环氧树脂填充［　５－６］；地下防水由结构自防水及接缝防水两部分组成；楼板采用现浇结构，口部采用预制洞口环梁的结构形式，两端盾构始发及接收井采用现浇结构。结构形式如图　１　所示。２６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５　（　１１　）·隧道／地下工程·图　　　１装配结构效果图　　２．２重难点分析（１）每环预制构件由　７　块组成，拼装的工程量较大，如何快速组合是本工程的重点，也是拼装技术研究的前提条件，因此拼装形式和合理步序的确定至关重要。（２）常规设备吊运预制构件基本上是在地面完成，本工程须吊运至地下　　２０ｍ　并完成安装工作，既要保证吊运速度又得满足安装精度，因此设备的选择、吊运及安装速度的确定是本工程的难点。边墙及顶板的安装工作，仅靠普通的吊装设备完成不了，需要研制一台专用的拼装装备来满足构件安装的各项功能需求，在没有类似拼装机械可以参考的情况下研制一台新装备是本工程的难点。（３）预制拼装工程对精度要求都很高，积累误差过大将导致下一步工序无法进行，由于本工程没有后浇带可以消除积累误差，因此基层精平施工方法以及拼装过程中的定位纠偏工作是本工程的难点。（４）预制构件拼装成环后，由于榫接结构本身有空隙，形成不了整体且达不到抗震要求，需要一种无收缩、流动性好及高强度的粘结材料填充，并要研制配套的注浆设备，这也是本工程的难点。　３关键施工技术　　３．１拼装形式和合理步序　　　３．１．１拼装形式预制装配式地铁车站可分为错缝及通缝两种拼装形式。本车站试验段第一阶段采用的是错缝拼装形式，底板预制构件在错缝拼装过程中，同步性难以把控，测量工作量增大，错台现象时有发生；第二阶段采用的是通缝拼装形式，底板预制构件在通缝拼装过程中，解决了不同步性问题，测量的工作量减小，明显规避了错台现象。设计单位已经对预制构件在错缝与通缝两种形式下的受力状态进行了数值模拟，均能满足结构受力要求，两个阶段的试验工作确定了通缝拼装的结构形式。如图２、３　所示。　图　　２错缝拼装形式　　　　　图　　３通缝拼装形式　　　　３．１．２合理拼装步序“预制装配式地铁车站拼装步序可分为成环拼”“”“”装及梯次拼装两种形式。其中成环拼装步序：底板可连续拼装，侧墙及顶板成环拼装，相互干“”扰；梯次拼装步序：底板、侧墙及顶板独立拼装互不干扰，底板紧跟基坑开挖连续拼装，侧墙拼装比顶板超前　３　块，顶板紧跟侧墙，整个过程形成了台阶“”式流水状态，每环的拼装速度比成环拼装提高　１“”倍。经过对比分析采用梯次拼装步序，并作为装配式工法的设计基础。（１）拼装方法的三字方针　　Ａ／Ｂ／Ｃ　块：１　吊　２　推　３　落　４　紧　５　就位；Ｄ／Ｅ　块：１　吊　２　合　３　推　４　落　５　推　６　紧　７　就位；注浆：先底部、后上部，先环缝、后纵缝、依前后，平行推；张拉锁定：先环缝、后纵缝；背后回填：逐层填、强度到、循环控。（２）拼装步序步骤　１：利用门吊安装　７　组　Ａ、Ｂ　块，张拉、固定。在　Ｂ　块的设计位置安装轨道。步骤　２：利用门吊在轨道上组装本拼装装备。步骤　３：利用门吊吊运第一组　Ｃ　块，拼装装备的移动吊架承接　Ｃ　块。移动吊架对位拼装　Ｃ　块，适时定位、张拉。步骤　４：重复步骤　３，依次吊运、安装第二、第三、第四组　Ｃ　块。步骤　５：利用门吊拼装顶部拼装平台。步骤　６：利用门吊吊运第一组　Ｄ、Ｅ　块，摆放到顶部拼装平台上。步骤　７：拼装平台三维调整　Ｄ、Ｅ　块块，对位拼３６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５　（　１１　）·隧道／地下工程·接，张拉　Ｄ、Ｅ　之间的螺纹钢筋。步骤　８：锁定横移平台，施加对拉荷载。步骤　９：顶部拼装平台整体降落，Ｄ、Ｅ　块对位落放于第一组　Ｃ　块上，适时定位、张拉。步骤　１０：重复步骤　　６～步骤　９，吊运、安装第二组　Ｄ、Ｅ　块。步骤　１１：门吊继续拼装　Ａ、Ｂ　块。铺设轨道，整机前进，到达下一个拼装站位。　３．２大型装配式构件吊装技术　　３．２．１吊机能力合理运行速度和控制方式龙门吊的性能应进行相应限定，既要保证吊运速度，又得保证安装时的精度要求。为此，龙门吊设定有５　个档位，最快吊装速度为　５ｍ／ｍｉｎ，该档位可用于预制构件吊运工作；最慢吊装速度为　　０．９ｍ／ｍｉｎ，此时安装精度为　　２．５ｍｍ，该档位可用于预制试件拼装［７］。　３．２．２吊点及索具型式本工程采用　ＤＥＨＡ　圆锥头吊装锚栓。圆锥头吊装锚栓具有多种载荷等级和长度，为管片和井筒等不同形状的钢结构预制构件提供安全可靠、经济实用的解决方案。吊装锚索处于凹槽内，不会凸出于预制构件。ＤＥＨＡ　吊装锚栓系统将和拆模器之后，即可通过钩入万向吊头形成吊装连接。依据预制构件的结构特点及吊点设置日置，有针对性地设计吊具型式，本工程采用常用的钢丝绳索具。如图　４、５　所示。图　　４吊装锚栓　　　　　　　图　　５万向吊头　　３．３拼装定位和纠偏控制　　３．３．１定位过程控制（１）底板拼装：依靠龙门吊及辅助定位装置完成。Ａ　块优先拼装，仅需考虑　Ａ　与　Ａ　之间的纵向榫槽对接；对称拼装　Ｂ　块，既要考虑　Ｂ　与　Ａ　之间的环向榫槽对接，也要考虑　Ｂ　与　Ｂ　之间的纵向榫槽对接。（２）侧墙拼装：龙门吊运输，拼装装备上设置的吊挂架、千斤顶完成接力及三维调整动作进行定位。如图　６、７　所示。　图　　６可调式吊挂架　　　　图　　７进行三维调整千斤顶　（３）顶板拼装：龙门吊分块运输及安放，拼装装备上的顶部平台与千斤顶完成合龙、推进及同步下落等动作，实现三维调整精确定位［８］。　３．３．２纠偏控制（１）轴线控制和调整：预制构件设置十字线定位标识。全站仪控制，每　３　环复核及校正一次。（２）垂直度控制：主要针对侧墙纵向及环向垂直度；激光垂准仪量测，千斤顶调整，每　１　环复核及校正　１　次。（３）构件端面同步控制：拐尺检测，调整缝宽的大小消除累积误差，缝宽控制在　　６ｍｍ　以内，每　３　环复核及校正　１　次。（４）张拉力及接缝宽度的控制：张拉力与接缝宽度相辅相成，缝宽在防水控制允许范围内，所有预制构件的纠偏均可采用张拉力大小进行调整。　３．４基面精平处理技术底板预制构件理论上应与基底垫层紧密接触，基底垫层施工的平整度直接影响到预制构件的拼“”“”装精度。对整体平整及局部平整两种思路进行了对比研究分析，最终采用精平条带的方法。工艺流程：挖掘机找平人工清底→预埋角钢→精平条带施工→剩余垫层施工→机械打磨。纵向预埋角钢，高精度水平仪调平，带宽　　１．２ｍ横向设置５　道。条带之间浇筑等强度的混凝土，混凝土面比条带标高低　　１５ｍｍ，并埋设　　３０ｍｍｍ　的铁质注浆管，采用砂浆泵注射无收缩灌浆料填充。精平条带的精度控制在　±１ｍｍ，局部不达标的地方可采用磨石机进行处理。精平条带布设如图　８、９、１０　所示。图　　８角钢预埋　　　　　图　　９精平条带平面布置　　４６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５　（　１１　）·隧道／地下工程·图　　１０精平条带横断面布置　　３．５基底及榫槽注浆技术　　３．５．１注浆要求预制构件与基底、预制构件接头理论上需紧密接触并连接成一个整体；根据结构特点及拼装形式，只能采用后填充的方法来实现，填充材料、注浆设备及工艺的研发是解决预制装配式结构整体性的关键。　３．５．２基底注浆施工流程：反力架拆除→底板侧壁混凝土回填完成→首环基底接缝封堵→基底注浆（每　３　环注浆一次）→循环流水作业。垫层采用精平条带施工，后浇带比两侧条带低　１５ｍｍ，并埋设　　３０ｍｍ　的铁质注浆管，构件与垫层之间需采用高强度材料填充密实；填充材料选择高强无收缩水泥砂浆，该材料具有微膨胀、流动性好及强度高的特点。注浆设备采用　ＪＲＤ３００　型砂浆灌浆泵及卧式砂浆搅拌机　３５０　型。注浆管断面布设如图１１　所示。图　　　　１１注浆管的横断面布置　　３．５．３榫槽注浆预制构件采用榫接的方式，榫槽与榫头间隙为　　５～１０ｍｍ，间隙内采用改性的环氧树脂填充将构件粘合在一起；该材料的流动性、初凝时间及高度均要求达到设计及施工要求，设计各个构件榫槽均是独立的，但实际操作时密封效果不是太好，初凝时间却在　　８０ｍｉｎ　以下而且流动通道的阻力不确定，一旦注射失败没有太好的弥补措施；鉴于上述特点，在设备选择方面针对对温度影响比较大的环氧树脂材料采用空气压力注浆机（专利号　２０４４９１２７．７）［９］，预制结构每成环一次榫槽注浆一次。设备如图　１２　所示。图　　１２榫槽注浆设备　　３．６拼装装备本拼装装备是为预制装配式地铁车站拼装设计的专用装备［１０］。该拼装装备用于侧墙及顶板预制构件的定位及安装工作；拼装装备采用钢箱梁结构，结构刚度大、耐久性好，大量采用了液压设备，能实现预制构件拼装所需要的整体同步顶升及下落、三维平移及三维微量转动功能，真正地体现了机械化施工的优点。工程照片如　１３　所示。图　　１３专用拼装装备　４结束语本文结合国内首例预制装配式地铁车站，对该类结构的拼装技术进行了系统研究，得到结论如下：（１）科学的车站拼装形式和合理步序是确保预制装配式地铁车站流水化施工的前提条件。（２）由于预制装配式地铁车站的预制构件重量大、形状特殊，吊装过程中必须提前进行受力验算，以保证其在吊装过程中不出现裂缝。（３）合理的拼装定位方法需针对不同预制构件的拼装特点分别制定，尤其是顶板预制构件的拼装定位，需设计专用拼装装备进行配合。（４）研究分析了预制装配式结构基层的多种施工工法，确定了采用精平条带的方法进行基面整平处理。（下转第　６９　页）５６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５　（　１１　）·隧道／地下工程·水效果。（４）做好现场施工记录，包括成桩时间，注浆压力、注浆量以及旋喷施作参数都要做好详细记录。（５）进行必要的成桩试验，以期获得合理的水平旋喷施工技术参数和施工工艺。（６）施工过程中，如遇故障短时间停机（停机时间在　　２ｈ　以内），应在开始后重复旋喷加固　１ｍ；如果停机时间过长（一般为超过　　２ｈ），则应作废桩处理，重新施作水平旋喷桩。　５施工效果本段暗挖隧道在水平旋喷搅拌桩超前支护作用下，隧道在封闭的拱壳内施工，有效地防止了涌砂涌水的发生，洞内止水效果良好，成功地解决了掌子面松散砂土坍塌、滑移及自稳能力差的难题，下穿房屋主体承重部分无明显裂纹及差异沉降。（１）地面建筑物均未出现裂缝，仅有微小的倾斜，倾斜值在规范允许范围内。（２）隧道拱顶沉降量在　　３０ｍｍ　以内，地面沉降得到有效控制。（３）开挖掌子面连成片的水平旋喷桩，保证开挖工作在封闭的拱壳内，施工过程中掌子面无水渍，掌子面开洞后无渗水，满足止水要求。水平旋喷桩加超前预注浆加固辅助措施在深圳地铁联络线下穿大厦区间隧道的应用，保证了开挖过程掌子面稳定，隧道成功通过全风化花岗片麻岩地段，使得暗挖隧道在软弱地层中下穿建筑物施工获得成功，对类似工程具有良好的借鉴意义。参考文献［１］　郝建国．富水软弱地层导向水平旋喷桩施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（５）：　２１－２４．［２］　柴海楼，尹文平．深圳地铁水平旋喷桩施工技术及注浆效果研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１０（８）：　３６－３８．［３］　蔺云宏．地铁隧道下穿既有建筑物的矿山法研究［Ｊ］．工业安全与环保，２０１３（５）：　７４－７７．［４］　崔红琴．超浅埋富水全风化花岗岩大断面隧道施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（３）：　１－４．［５］　徐至钧．高压喷射法处理地基［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４：　　１１７－１２１．［６］　杨聆芝．浅埋、大跨地铁隧道通过旧楼房群的施工技术［Ｊ］．西部探矿工程，２００３（４）：　１０７－１０９．［７］　王保庆．深埋富水全风化花岗岩中长距离水平旋喷桩试验与分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（６）：　５－８．［８］　国家质量技术监督局，中国人民共和国建设部．ＧＢ　　５０２９９－１９９９地下铁道工程施工及验收规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００８：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪　６１－７２．　　（上接第　６５　页）（５）通过对基底和榫槽注浆材料、设备、工艺进行深入、系统的研究，并结合实际施工及使用效果印证。（６）专用拼装装备（专利号　２０４４８２０３．２）首次成功应用在袁家店车站中，研究并形成了一项发明专利，为我国预制装配式地铁车站专用拼装装备的研制填补了空白。参考文献［１］　姚怡文，蒋理华，范益群．地下空间结构预制拼装技术综述［Ｊ］．城市道桥与防洪，２０１２（９）：　２８６－２９２．［２］　李滨．我国预制装配式建筑的现状与发展［Ｊ］．中国科学信息，２０１４（７）：　１２０－１２１．［３］　崔建宇，孙建刚，王博，等．装配式预制混凝土结构在日本的应用［Ｊ］．大连民族学院学报，２００９（１）：　６９－７２．［４］　王明年，李志业，关宝树．地下铁道明挖区间隧道结构预制技术的研究［Ｊ］．铁道学报，２００４（３）：　８９－９３．［５］　于翔．地铁建设中应充分考虑抗地震作用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（６）：　１８－２１．［６］　田雪娟．地铁车站抗震分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（６）：　７１－７７．［７］　张质文．起重机设计手册［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９７：　９０２－９４５．［８］　北京城建设计发展集团股份有限公司．明挖预制装配式地下结构施工方法：中国，１０１３６７０８．Ｘ［Ｐ］　．２０１５－　０８－１２．［９］　中国铁建大桥工程局集团有限公司．预制装配式地铁车站结构榫槽注浆设备：中国，２０４４９１２７．７［Ｐ］　．２０１４－　１２－１７．［１０］中国铁建大桥工程局集团有限公司．预制装配式地铁车站拼装台车：中国，２０４４８２０３．２　［Ｐ］　　．２０１４－１２－１７．９６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５　（　１１　）