预制建筑网

对装配整体式明挖地铁车站预制构件设计与制造技术的研究应用

来源：刘昊

北京已建成的地铁6号线、7号线、8号线、9号线和10 号线等线路的139座车站，采用明挖法施工的车站数量占总量的68.4%，尤其是车站主体钢筋混凝土结构施工采用全现浇方式，以现场手工、湿作业为主，机械化程度低，质量难以有效控制。采用装配整体式车站技术进行地铁建设，可改变地铁工程现有的建造模式，促进地铁建设工业化生产。地铁车站采用装配整体式结构型式，结构力求能达到全现浇钢筋混凝土结构整体性效果。装配式结构中预制构件之间或者预制构件与现浇构件之间的节点或接缝的承载力、刚度和延性不低于现浇结构，使装配式结构成为等同现浇装配式结构。本文结合北京市地铁6号线西延金安桥站，对装配整体式地铁车站预制构件的设计和深化设计、模板方案及预制构件加工技术进行了系统研究。

装配式地铁车站预制构件设计方案研究

（一）主体结构概况

目前装配式地铁站断面结构方案主要有拱形全装配式、矩形全装配式和矩形整体装配式三种类型。在国外明挖法施工的装配式地铁车站结构中，结构采用矩形断面形式较多，采用矩形断面时，地铁车站底板结构采用整体现浇混凝土，边墙和顶板预制，顶板采用密肋板式结构，使得重量减轻且有利于拼装。经过综合比选，金安桥车站装配式方案选定为矩形装配整体式地铁车站方案。金安桥地铁站为地下双层岛式车站，采用双层双柱三跨箱形结构。车站主体结构断面宽22.9m，高14.3m，顶板覆土厚度考虑为3m，底板埋深17.3m，从装配整体式地铁车站结构断面尺寸图可以看出：为保证车站整体防水效果，车站底板为整体现浇；侧墙为预制板，中板、顶 板、顶纵梁与中纵梁为部分预制部分现浇的叠合板梁结 构；中柱为现浇柱。车站各节点接头均采用现浇带（或灌浆套筒）进行湿式连接。

（二）预制构件拆分原则

装配式地铁车站预制构件拆分原则：（1）以“少规格、少组合、模数化”为原则，确定平立面基本构件单元。优化预制构件的尺寸及形状，力求减少预制构件的种类、并降低模板加工难度。（2）预制构件的设计和构造措施应充分考虑生产、运输、施工各个环节的受力状态，并应按脱模、起吊、运输、及安装时相应的荷载值，进行各个阶段的承载力、变形及裂缝控制验算。（3）预制构件的尺寸应考虑制作、吊装、运输以及施工的安全和方便。接头设计应满足受力、防水和耐久性要求，预制构件的连接部位设置在构件受力较小的部位。（4）预制构件深化设计内容和深度应满足建筑、结构和机电设备各专业以及构件制作、运输、安装各环节的综合要求。（5）受运输及现场吊装限制，各预制构件质量应控制在45t以内。

（三）构件拆分、接头（接缝）及节点构造

1. 侧墙拆分及接头（接缝）构造

侧墙拆分：侧墙采用预制构件与现浇混凝土结合。为尽量减少后浇带的数量，尽量考虑加大侧墙预制构件的尺寸。综合考虑运输，吊装、现场安装等因素，预制侧墙构件宽度为3.8m（含两侧外露钢筋）。接头（接缝）构造：预制侧墙构件的顶面、底面和两侧面应处理为粗糙面，粗糙面的凹凸度应大于6mm。键槽端部斜面与侧边的倾角宜为45°。

（1）竖向接缝

为保证车站结构的整体性，沿车站纵向每两块预制构件之间设置一段后浇带，后浇带尺寸900mm。后浇带内设置暗柱，预制构件外露的钢筋采用机械锚固锚入到暗柱内，侧墙竖向接缝连接构造如图所示。

（2）水平接头（接缝）构造

预制构件的连接部位宜设置在构件受力较小的部位。接头（接缝）处应受力明确、传力可靠，采用可靠的受力钢筋连接方式，同时应满足施工操作方便，经济合理等要求。以侧墙与底板接缝为例，侧墙与底板接缝位置选在底板掖角以上200mm位置处。采用钢筋灌浆套筒连接方式如图所示。

侧墙预制构件尺寸：综合考虑运输、吊装、经济合理性等因素，地下一层、二层侧墙分别设置一个构件单元。侧墙预制构件尺寸及质量参见表。

2. 框架梁拆分

框架梁拆分原则：一是中楼板梁、顶板梁均采用叠合梁；二是根据吊装需要及基坑支护结构平剖面布置， 框架梁考虑纵向柱跨为一构件单元。

构造要求：（1）叠合梁的下部纵向受力钢筋应在梁柱节点区锚固；（2）叠合梁的箍筋采用封闭箍，梁上部纵向钢筋预穿在箍筋内（如叠合梁钢筋构造图所示）；（3）预制梁端部接合面设置剪力键（如叠合梁剪力键示意图），剪力键的尺寸根据梁竖向接缝的抗剪计算确定。

梁预制构件尺寸：框架梁采用叠合梁，纵向一个柱跨为一个预制梁构件；梁预制构件尺寸及质量见表。

3. 中板及顶板拆分

中楼板及顶板均采用叠合板。

（1）中楼板预制板块尺寸

纵向尺寸：根据基坑支护结构平剖面布置，桩撑支护体系中第二道钢支撑水平净间距只有3.2m，为保证吊装安全，中楼板预制板块纵向宽度应小于3.2m，结合纵向8m的柱跨，板宽选为2.46m（一个纵向柱跨分3块）。

横向尺寸：一个柱跨为一构件单元。

厚度：依据构件设计图纸，中楼板预制构件厚度为150mm。

（2）顶板预制板块尺寸

纵向尺寸：根据基坑支护结构平剖面布置，并结合运输、吊装的难易程度及费用等因素，板宽选为3.8m。

横向尺寸：一个柱跨为一构件单元。

厚度：依据设计图纸，顶板预制构件厚度为200mm。

（3）叠合板板缝构造要求

由于构件制作误差的存在，叠合板缝处防水难以处理，且效果无法保证，且对控制裂缝、挠度等都不利，因此采用整体式接缝构造，板缝200mm。为了增强预制板的整体刚度和连接性能，在预制板内设置桁架钢筋，桁架钢筋水平间距不大于600mm。叠合板板缝构造如图所示。

装配式地铁车站预制构件生产研究

（一）预制构件模板方案设计及加工技术

1. 装配式预制构件模具整体方案

本项目预制构件采用固定模位生产，模具由底模、活动侧模、端模等部件组成，采用螺栓紧固。构件生产时先将绑扎成型的钢筋骨架吊装入模，安装预埋件，然后组装活动侧模、端模，即可开始混凝土浇筑作业。由于构件外形尺寸精度要求高，钢筋定位精度要求±1mm，为保证模具的尺寸外形精度达到要求，模具的面板（与砼面接 触部位钢板）均采用激光切割；预制构件外伸钢筋的直径和长度各类繁多，在模具设计时考虑特殊的工装来保证钢筋的定位精度。

2. 预制叠合板

（1）平面叠合板 为保证钢筋的定位精准和方便现场施工，模具设计时侧板按两层设计（见示意图）。第一层做至钢筋上皮处并预留出钢筋豁口，上层侧板与第一层侧板螺栓连接后压紧钢筋，限制钢筋在浇筑过程中出现位移；钢筋预留豁口大小根据钢筋最大直径激光切割，保证尺寸的精准。

（2）风道叠合板

经研究对比，预制风道叠合板采用模具方案采用分阶段预制拼接工艺，也就是将组成构件的下部风道和上部叠合板分成两个阶段预制，即先预制下部风道部分构件，待下部风道部分构件达到设计强度拆模后，再将下部风道部分构件与上部叠合板构件模板组装成一个整体，浇筑叠合板混凝土并进行二次养护，从而完成带有 风道的叠合板构件生产制作。为保证此类型构件顶部外伸钢筋的定位尺寸，侧模和吊模顶部按照外伸钢筋的间距设置钢筋定位板，定位板一侧固定在侧模上，另一侧 用螺栓固定在吊模上，混凝土浇筑完毕后拆除定位板。

预制风道叠合板，采用二次组模浇筑生产工艺。先利用预制风道模具预制风道部分，养护完成后再对叠合楼板进行二次浇筑作业。底模通过底架支撑并调整就位位置偏差。预制风道叠合板模具方案如图所示。

3. 预制叠合梁

预制叠合梁厚度分别为600、1000mm，长度和宽度均为7000、1900mm。预制梁为顶面和两端出筋，顶面出筋间距100~150mm，钢筋密集，定位精度要求高；端部为槽形出筋，并设有键槽。为保证顶面出筋定位的准确，模具上部的对拉杆按 钢筋间距设置，后部支架直接焊接在侧模上，钢筋绑扎成型后顶部与拉杆间用绑丝连接，固定钢筋，保证钢筋定位准确。预制梁端部的钢筋的出筋长度和定位精度均有要求，下排水平的外伸钢筋上部设置一道开豁口的角钢， 钢筋绑扎好后，开豁角钢上部压一道压槽（角钢），保证水平钢筋定位；立向的4根钢筋在相应位置加设一道竖向 支架，并开豁口，利用可上下开合的插板，固定钢筋位置；为保证端模的垂直度，端模外部设置上下两道顶丝，并在顶丝外部设置顶杠，固定钢筋的外伸长度如示意图。

4. 预制侧墙

预制侧墙为牛腿式侧墙，标准墙厚700mm，牛腿处厚度为1000mm，长度和高度分别为3400mm和5880mm，竖向两侧出筋为双L型钢筋，顶面出直筋和L型钢筋，底部为预埋套筒。模具的钢筋定位与预制叠合梁采用同样方式，钢筋预留孔及豁口均为激光切割下料，保证精度。

5. 特殊性措施

（1）模具加工精度

本项目预制构件精度要求在1~3mm，这要求模具精度极高。预制风道，预制叠合板等模具在加工时，模具上的预留孔、预留钢筋孔，面板、底板等材料均由激光设备切割完成，以保证精度要求。

（2）套筒的固定方法

套筒定位分为水平定位和竖直定位。竖直定位是用丝杠和顶件来固定套筒的位置，使其和底模接触紧密， 保证其无缝隙；水平定位采用定位器将其固定。出浆管利用磁力板将其固定，使其吸附在底模上，并设置多个固定销，并将管套和固定销连接在一起。注浆孔的位置预留在底面板上，使用专用的固定部件，注浆孔的定位部件和底面板通过磁力紧密连接在一起，并利用定位销将其固定，防止其发生位移。

（3）零部件加工

模具各零件在加工的过程中，保证模具的尺寸达到精度要求。拼模时，利用定位销和连接螺栓将模板组合起来，再次进行尺寸检查，保证所制作的模板无较大偏差。

（二）预制构件制作工艺技术

预制构件概况：预制叠合板（复合风道）、预制侧墙、预制梁如示意图。

1. 装配式车站预制构件难点分析

（1）预制叠合板难点：普通住宅构件的预制叠合板厚度为50~80mm，长边小于6000mm，质量在3t以下，配筋最大直径为12mm，桁架筋高度不大于110mm，露筋长度不大于300mm。而装配式车站的叠合板各项规格远大于普通住宅：厚度200mm、长边接近8m、自重接近18t， 主筋配筋最大直径为22mm，桁架筋最大高度592mm，露筋长度750mm，另外面层增加抗剪毛筋长度564mm、底部增加预埋槽道。对比住宅叠合板，装配式车站叠合板有以下特点：尺寸大、自重大、钢筋直径粗、配筋复杂、外露钢筋长且间距密集、有专用预埋配件。

（2）预制风道叠合板难点：除具备前述预制叠合板的特点外，还有闭合型风道的整体成型，风道部分包含预埋窗框、预埋安装螺栓孔，重心与上部叠合板形心不重合。板间风道的相互连接对预制尺寸与精度的控制要求非常高。

（3）预制墙难点：与住宅内墙外墙对比，预制墙墙体厚度达700mm，顶部有牛腿构造，底部变截面灌浆层构造，无保温与减重材料层，两侧设有抗剪槽，四边设有止水槽，墙体外侧迎水且竖向承重。与预制叠合板具有相同特点的同时，结构重要性更为复杂和重要，预制上部主筋与下部灌浆套筒的直径大且精度控制要求非常高， 住宅中的外墙套筒型号普遍为CT16、CT18、CT20，本次预制墙套筒型号达到CT25、CT28，试验阶段更是使用到了CT32。墙体只能从一侧进行灌浆连接，灌浆套筒按厚度方向布置三层，灌浆通道最长直线距离大于600mm。

（4）预制梁难点：预制梁的结构功能也很复杂和重要，外露主筋采用机械挤压的连接方式，这种方式对主筋的切口、长度以及位置要求非常严格（连接点构造如示意图）。

梁面高差为50mm，且面层要在密集的箍筋中做毛糙处理。梁上箍筋外露高度达到705mm；最小间距仅为100mm，最小净间距为88mm。后浇叠合层中预制叠合板主筋要穿入箍筋间距中锚固，这对箍筋的间距及整体骨架的位置要求非常高，而且每排箍筋的垂直度也影响叠合板由上至下的安装。

2. 高性能混凝土的使用

本项目预制构件的特点体积大、钢筋粗且密。预制侧墙、预制梁、预制叠合板规格尺寸均为大型构件；预制侧墙为螺纹25与螺纹28大直径钢筋，钢筋净间距88mm，增加了混凝土浇筑的难度，特研究了适合本项目的高性能 混凝土，本项目设计混凝土强度等级C40P10。

高性能混凝土主要解决的问题：（1）混凝土的和易性、均质性、填充性，保证大型构件结构的均质密实；（2）大体积混凝的水化温升控制，避免温度裂缝；（3）地下结构抗渗防水性能要好。

故主要从以下几个方面展开试验研究：

一是优选混凝土原材料。选择较低水化热的北京琉璃河水泥、F类Ⅰ级粉煤灰、聚羧酸高性能减水剂、低碱活性粗细骨料。

二是配合比设计。考虑到外观、强度、水化热、抗渗性 的要求，根据多年预制经验和配合比试验比较，最终采用单掺粉煤灰掺量15%的配合比，可以保证外观颜色一致，水化热较低，抗渗性能＞P10，保证出池强度和交付强度。

三是拌合物性能试验。通过测试坍落度、扩展度、倒筒时间、J型环试验等性能，确定实际生产配合比，保证和易性、填充性、均质性。

（1）原材料

水泥：北京金隅流水环保科技有限公司P·O 42.5水泥，其物理力学性能见表。

粉煤灰：秦皇岛发电有限责任公司F类Ⅰ级粉煤灰， 细度9.2%，需水量比95%，烧失量2.01%。

骨料：北京榆构有限公司生产的中砂、碎石。中砂为细度模数2.6，含泥量2.0%，泥块含量0.1%。碎石采用 5~25mm连续级配碎石，含泥量0.1 %，泥块含量0%，针片状含量为4.0%，压碎指标为5.2%。

外加剂：天津市雍阳减水剂厂生产的聚羧酸高性能减水剂（防冻型），通过多次调整达到高性能混凝土要求的状态。

（2）配合比及工作性能试验

配合比：考虑到外观和强度的要求，根据多年预制经验和配合比试验比较，最终采用单掺粉煤灰15%的配合比。强度等级C40P10预制构件混凝土配合比见表。

拌合物性能试验：C40P10预制构件混凝土拌合物性能试验结果见表。

从混凝土生产到浇筑结束大约需要两个小时，所以试验测试了混凝土拌合物出机、1h和2h的坍落度、扩展度，以保证新拌混凝土在整个浇筑过程中均能满足使用要求；测试了出机倒筒时间，15s可以流完，说明拌合物的流速、流动性好，可以通过辅助振捣填充钢筋密集区；J型环试验是测试混凝土拌合物通过钢筋的能力，测试出机拌合物内外差为5mm，说明混凝土的通过间隙的能力强，并且观察混凝土拌合物浆体与骨料分散均匀、和易性好。

力学性能与抗渗性能：预制构件混凝土力学性能主要通过试压用同条件试块强度获得，7d、28d强度为同条件3d 后，转至标养室至相应龄期时测得（见表）。通过抗渗性能试验，结果显示能够达到最高抗渗等级P12的要求。

（3）混凝土制备、浇筑、养护过程控制

制备过程：混凝土生产前进行搅拌设备自校，生产过程中质检与操作配合控制各种原材料的计量误差在允许范围内，骨料误差±2%，外加剂秤、水秤、粉料秤误差 ±1%，注意砂含水波动调整配比以调整混凝土的状态。因是冬季施工，混凝土搅拌时，用加热水法，下料时先让热水和骨料搅拌，再加水泥，避免水泥与热水直接接触， 保证混凝土出机温度达到15℃。

混凝土运输：采用搅拌罐车运输，罐车车身均做保温套，保证两个小时的使用时间内满足入模温度不低于5℃。

浇筑过程：由于是大体积混凝土，为避免温升过快、 保证均匀密实，采取分层浇筑振捣的方式，一是可以保证和易性、填充性，另外有利于过程中温度的控制，减少温度裂缝的产生。浇筑时用振捣棒振捣至无大气泡，浆体浮上为止，上层振捣捣棒插至两层交界面以下。最后对构件表面进行抹压，并二次压光。

养护过程：浇筑完毕后，立即用养护罩覆盖，以保温保湿，避免裂缝风险。采用罩棚法蒸养，使用全自动温控设备，采取缓慢升温、恒温、再缓慢降温的养护措施，升温速率减低一半，最高温度由原来的60℃降为50℃，恒温时间由原来5h延长为6h，降温时间延长至24h以上。这样的养护方式可以保证构件表面和接触的大气温度温差一直处于安全温差内，有效降低温度裂缝的出现。生产结果显示，构件表面无肉眼可见裂缝。

（4）预制构件关键生产过程

制作工艺：如钢筋骨架绑扎、模板清理、钢筋骨架入模、预制风道混凝土浇筑、外墙混凝土粗糙面处理、叠合风道板出模照片所示。

结语

通过对装配整体式明挖地铁车站典型预制构件的深化设计与制造技术进行了系统 和深入的研究，总结出一整套适用于我国国情的地铁车站预制构件的设计、深化、模具设计加工、预制构件生产制造等技术，并制定了相关的企业标准，为轨道交通行业实施 地下明挖车站装配式建造进行了有益探索，并积累了相关经验。（拼装试验段相关内容 参见边墙拼装、拼装试验段完成照片）。

（责任编辑：奚雅青）