城市轨道交通明挖装配式地下结构设计技术及方法

杨秀仁

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037;2. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程研究中心， 北京 100037)

0 引言

城市轨道交通等市政地下工程一般为线长形的箱型框架结构或隧道结构，型式较为单一，标准化程度高，采用预制装配式建造技术能取得很好的技术经济和社会效益。

盾构隧道是目前国际上应用最为广泛的预制装配式地下结构，发展至今已有百余年的历史[1]。20世纪70年代起，前苏联联邦国家为了解决冬季施工问题，在明挖法和矿山法施工的地铁车站和区间工程中相继采用了预制装配式建造技术[2]。2018年，我国首批明挖装配式地铁车站在长春地铁2号线成功建成顺利通车运营，并在后续工程及青岛、深圳等地铁工程中得到推广应用。目前，国内已建和在建车站数量达30座[3]。

长春地铁装配式车站为地下2层单拱大跨隧道结构，如图1所示。将结构纵向拆分成若干环宽2 m的标准结构环，每个结构环再拆分为7块标准构件，全部构件在工厂预制并运至现场，在明挖基坑内拼装形成结构。预制构件在环向和纵向均采用了干式榫槽接头进行快速、可靠连接，连接接缝采取密封防水措施，车站结构外无需设置外包防水层[4]。

图1 长春地铁装配式车站结构示意图

预制装配技术为地铁车站提供了一种全新的工业化建造模式，在工程质量、施工效率、施工速度、节省劳力、环保低碳等方面具有显著的优势[4]。这项技术不仅能够帮助严寒地区解决冬季施工问题，同样也适用于其他地区的工程建设。除了城市轨道交通的明挖车站外，还适用于明挖区间隧道、出入口通道和风道等地下结构，以及市政工程的道路隧道、综合管廊、人行过街道等明挖地下工程，应用非常广泛。

然而，与盾构隧道相比，我国明挖地下工程预制装配技术的研究和应用工作才刚刚起步。由于结构型式、受力特点、施工工艺等方面与盾构隧道存在较大的差异，因此，明挖条件下的地下结构预制装配技术方案应有不同的解决思路和方法，并建立新的技术体系。本文结合笔者多年在地下工程预制装配技术理论和试验研究及实际工程应用中的收获和经验，对明挖装配式地下结构的设计技术和方法进行总结和论述，以期为行业今后开展预制装配式地下工程建设工作提供一定的参考和指导。

1 总体技术要求

1.1 设计基本原则

结构设计应遵循“结构为功能服务”的基本原则，满足城市规划、环境保护、抗震、防护、防水、防火、防腐蚀及施工工艺等要求[5]，作为装配式结构也不例外。预制装配式结构是在工厂生产预制构件，运输到施工现场后，通过可靠的连接方式装配形成承载结构，是传统场内施工方式向场外的转移，也是建筑工程建造方式的重大变革。变革的核心思想是要实现装配式建筑的标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理及智能化应用[6]。

显然，装配式结构设计除了需要执行上述的基本原则外，还需要通过系统集成的方法，统筹设计、生产运输、施工装配、建筑设备安装和装修，实现全过程的协同，加强建筑、结构、设备、装修等专业之间的有机配合，按照通用化、模数化、标准化、快速施工的原则[6]，全方位体现装配化技术的绿色环保及工业化的建造理念。

1.2 设计基本规定

城市轨道交通或市政地下工程，基本以箱型框架或隧道结构为主。对于装配式地下结构，在满足建筑功能要求的基础上，应结合预制装配技术的特点，融合线路、建筑、结构、设备管线及装修等多专业进行装配化集成设计，制定相应的技术要求。设计基本规定如下：

1)装配式地下结构平面形状宜简单、规则、对称。对于地下车站、风道、人行通道、道路隧道等长度有限的建筑，其平面宜布置在直线段； 当地铁区间、管廊或管线等超长建筑位于曲线地段时，平面曲线半径宜与结构的宽度、拼缝宽度控制要求和防水性能要求相匹配。设置竖曲线时，可参照平曲线的控制要素综合确定竖曲线半径大小。

2)应根据周边环境条件、市政用地规划要求、工程地质和水文地质情况、结构受力、工程造价等因素，合理确定装配式结构的埋深，且应将装配式结构座落在稳定、均匀的地基上。

3)装配式地下结构的横断面宜采用对称或基本对称结构，结构的质量、刚度分布宜均匀，不应采用严重不规则的布置。

4)同一单体建筑的装配式地下结构，平面和横断面的结构型式和尺度宜一致，不同单体建筑装配式结构之间的连接可通过现浇混凝土结构或异形预制装配式结构进行过渡。

5)当装配式结构需要设置外部连接通道时，通道接口宜模块化布置，并可通过预制环框构件或现浇混凝土结构与外部连接通道相连接。

6)装配式地铁车站宜通过将车站风道与区间隧道施工工作井相结合的方式，减小车站两端非标准段的长度，加大中部标准装配段长度，提高车站结构的装配率。

7)设备管线应进行综合设计，管线宜集中布置、减少交叉，并应满足维修更换的要求。

8)构件预制时，宜为直接安装或吊挂于结构上的设备、管线、装饰材料等预埋安装连接件或预留安装条件，预留预埋设计应标准化，后期施工不宜在预制构件上打孔安装连接件。

1.3 设计主要内容

通过上述的基本原则和基本规定可以看到，装配式结构与传统的现浇混凝土结构相比，其设计难度大、要求高，设计内容也相对丰富，主要包含：

1)方案设计，包括建筑设计方案和结构体系选型。

2)连接接头结构设计，包括接头结构选型、承载能力和变形计算分析、接头构造设计等。

3)装配式结构整体作用效应分析，结构体系抗震性能分析。

4)结构构件设计，包括构件材料及型式、承载能力和变形计算、结构配筋及构造设计等。

5)结构体系防水设计，包括防水原则、结构自防水、接缝防水等。

6)明挖基坑工程设计。

7)装配施工技术方案设计，包括基底精平系统、定位系统、预紧系统、支顶系统、注浆系统等。

8)预制构件制作(含预埋)、运输、吊运安装等技术要求。

9)施工安全风险控制和监控量测设计。

2 装配式地下结构体系的确定

结构体系的确定是装配式地下结构设计的重要环节。结构体系及结构型式应结合建筑功能需求，并根据工程地质和环境条件、受力环境及特征、结构埋深、施工工艺等因素综合确定。装配式结构体系的关键要素主要包括连接接头、衬砌结构型式、内部结构型式等。

2.1 连接接头

预制构件连接接头是装配式结构体系中最为关键的要素，接头型式关系到结构的承载性能、抗震性能、防水性能及施工工艺和效率。从接头的力学性能来分，装配式结构的连接接头可分为刚性接头和柔性接头，其中柔性接头可分为变刚度接头和铰接接头； 从接头施工工艺来分，有干式连接接头和湿式连接接头； 从接头构造型式来分，有现浇钢筋混凝土连接接头、平板接头、多棱形接头、榫槽式接头、球形及各种曲面接头等多种型式。

2.1.1 刚性接头

所谓的刚性接头，是指不能承受一定量的轴向线变位和相对角变位的连接接头，反映接头材料的抗弹性变形的能力，接头刚度与连接构件的刚度相匹配，即基本等刚度，连接后的结构在各种设计状况下，可采用与现浇混凝土结构相同的方法进行整体作用分析，即等同现浇原理[7]。

刚性接头有湿式钢筋混凝土连续接头和干式钢结构接头2类。湿式接头主要是构件纵向钢筋通过机械、套筒灌浆、浆锚搭接、焊接、绑扎搭接等方式连接，并在连接部位二次现浇混凝土。干式钢结构接头是在接头接缝处通过预埋的钢结构进行有效连接，在满足结构刚性连接性能要求的同时，实现现场快速拼装[7]。典型的湿式刚性连接接头如图2所示。

图2 套筒灌浆连接接头示意图

目前，地面装配式结构基本上采用湿式钢筋混凝土连续接头，而干式钢结构接头较少应用。刚性接头的设计要点如下：

1)刚性接头的承载力和整体刚度不应低于相连接的预制构件。

2)刚性接头宜设置在结构弯矩和剪力较小的部位。

3)节点钢筋和预埋件不宜过多，连接后应能尽快承受荷载作用。

2.1.2 柔性接头

柔性接头即非刚性接头，包括变刚度接头和铰接接头。其中，铰接接头视为零刚度接头，容许接头自由转动，不具有抗弯能力，这种接头结构受力简单、明确，如搭接接头、球形点接头等。

变刚度接头是指在接头接触面有轴力压紧的情况下，接头的刚度随接头的内力环境(轴力和弯矩)变化而变化。变刚度接头一般为干式连接型式，可选择的类型较多，主要有平板接头、搭接接头、榫槽接头、球形接头及各种曲面接头等型式。盾构隧道管片接头就是最常见的变刚度接头，长春地铁2号线装配式车站结构采用的注浆式榫槽接头也属于变刚度接头。柔性接头原理及榫槽接头示意如图3所示。

(a) 柔性接头原理 (b) 榫槽接头

变刚度接头的刚度受内力及接头构造的影响，力学行为相对复杂。变刚度接头的设计要点如下：

1)应根据地下结构整体稳定性、结构受力、构件制作及运输、拼装工艺等要求，合理确定接头的位置。

2)变刚度接头的刚度和承载能力应根据其承载特性、构造特点和不同阶段的实际受力状态进行计算，接头受力和变形应保持在其合理的承载区间之内。设计接头的验算内容包括抗弯承载能力、抗剪承载能力、接触面承压性能、相对转角变形等。

3)进行各计算工况结构整体作用效应分析时，应计入接头变刚度性能及其接头弯矩释放对结构内力的影响，通过内力—初始刚度—调整内力—接头刚度调整等步骤的反复迭代计算，使接头的刚度和受力趋于稳定。

4)明挖装配式地下结构施工期间的结构体系和受力是不断变化的，因此，对于变刚度接头，应按其在施工全过程和使用期间的各种作用效应，在不利组合下的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计和验算，确保满足受力和变形的要求。

2.1.3 连接接头的选择

无论何种接头型式，均应根据所采用的结构类型、接头的部位及其受力特点、防水性能要求、拼装工艺、拼装作业环境等因素进行选择。

城市轨道交通或市政工程的衬砌结构需要承受周围巨大的水土压力作用，是典型的偏心压弯结构，一般构件体量较大、含钢量较多，明挖基坑有限的作业空间内，接头湿式刚性连接的可操作性差、效率低； 同时，大量的密集现浇施工缝的存在，使得结构防水性能难以控制。因此，不宜采用湿式刚性接头型式，建议采用干式柔性接头。

长春地铁采用的注浆式榫槽接头(见图4)是以榫槽式连接为基础，通过缝隙内灌注浆液弥合接缝，以可靠地传递轴力和咬合剪力，强化弯曲抵抗作用及抗变形能力，是典型的变刚度结构，在不同的荷载氛围下呈现不同的刚度属性，这一特性可有效调节和优化结构体系的内力幅值和结构的抗震性能[8-14]。

(a) 单榫接头 (b) 双榫接头

通过大量的理论分析和原型试验研究，并通过实际工程应用检验可知，注浆式榫槽接头在受力特性、抗震性能、防水性能和方便拼装等方面优势明显，能达到预期的使用效果，实现了整体无现浇混凝土湿作业的“全装配式结构”目标[4]。

围合在衬砌结构内的装配式内部结构，主要为楼板、梁和立柱结构，承载环境类似地面建筑，预制构件之间的连接，考虑构件受力要求和方便施工等因素，可选择采用刚性或柔性接头，一般情况下可不考虑防水性能要求。

2.2 结构型式

2.2.1 装配式箱型框架或隧道结构

城市轨道交通或市政工程明挖箱型框架结构或隧道结构，当采用预制装配技术建造时，其结构型式可为矩形或拱形，可以是单层或多层、单跨或多跨结构。考虑到拼装时的结构稳定性，明挖装配式结构不宜采用圆形结构。

装配式箱型框架或隧道结构，是将结构在纵向拆分成若干个标准的结构环，在环向再根据需要将每个结构环拆分成若干个标准构件； 当结构断面较小时，也可采用整环不分块的管节式结构，环内无需设置接头。所有构件均在工厂制作并运至现场，采用机械化方式将构件拼装，形成装配式地下结构。装配体系的确定方法要点如下：

1)对于单线区间隧道或风道、人行通道、地下管道等小型地下结构，在满足预制构件制作、运输和吊装条件的情况下，宜优先采用整环管节型式； 对于双线区间隧道或双孔及多孔综合管廊等地下结构，也可采用各单孔结构独立管节、贴壁相邻拼装的型式。前苏联采用的区间隧道管节拼装结构如图5所示。

图5 区间隧道管节拼装结构示意图(单位： mm)

2)对于型式复杂、规模较大的地铁车站、双线和折返线区间、大型风道及人行通道、大型综合管廊等地下结构，宜采用环内分块拼装型式，类似于盾构隧道的管片衬砌隧道结构。

3)当装配式衬砌结构的顶板或底板采用拱形结构时，应选择合理的矢跨比。根据顶板和底板的约束条件、受力要求，矢跨比宜控制在1/10～1/5。

4)整环管节式及分块拼装式结构环的宽度尺寸应根据预制构件的制作和运输条件确定，原则上环宽宜大不宜小，一般环宽不宜小于1.5 m。

2.2.2 拼装环结构拆分及构件设计

分块拼装式结构的拆分需要考虑的因素较多，除了要满足预制构件制作、运输、堆放、吊装、拼接及质量控制等要求外，还要考虑接头连接形式、结构受力的合理性，确保结构体系在拼装全过程及使用期间能满足稳定性、承载能力和变形要求。拼装环结构拆分及构件设计方法如下[15]：

1)结构拆分应首先满足结构体系受力稳定性要求，此时应考虑地层与结构之间的相互约束和相互作用对结构稳定性的贡献，并验算不利的荷载变异因素(如偏载、外部工程活动卸载等)对结构稳定性的影响。

2)结构拆分时应统筹协调衬砌结构和内部结构的分块和布置方式，构件可采用直线形、弧形、折线形、T字形等多种型式，构件型式和尺度应满足制作工艺、运输条件及吊装稳定性的要求。

3)宜采用大构件、少分块的原则，并做到模数化、标准化、少规格； 衬砌结构的纵向接缝可采用通缝或错缝2种拼装形式。

4)构件截面根据装配式结构受力、接头构造、建筑装饰及轻量化设计要求确定。对于衬砌结构，宜采用矩形、槽形及闭腔薄壁等型式，不宜采用T形、I形和倒L形。

2.2.3 装配式内部结构设计

装配式内部结构板、梁、柱的布置宜模块化，总体要求柱网尺寸统一，柱列纵横向贯通； 承重墙、立柱等竖向承载构件上下对齐且连续； 楼板孔洞的平面对齐、成列布置，其平面位置和尺寸在满足建筑功能要求的前提下，应满足结构受力及预制构件的设计要求。装配式内部结构设计方法如下：

1)当采用楼板-墙体系时，宜与衬砌结构统筹考虑其环向和纵向的分块及拼装连接方式，内外结构的纵向环宽尺度应统一。

2)当采用楼板-梁-柱体系时，可自成体系，根据柱网布置特点，采用横向或纵横向相结合的承载体系。

3)内部结构与衬砌结构之间以及内部预制构件之间应有可靠连接，连接节点的传力路径应明确，接头接缝可不考虑防水措施。

4)楼板和梁等水平结构，根据楼板开洞和受力需要，可采用全预制装配结构、叠合结构或局部现浇混凝土结构。

3 明挖装配式结构基坑工程

由于装配式地下结构在拼装施工工艺和结构受力特性方面与现浇混凝土结构存在较大的差异，因此，明挖装配式结构基坑工程的设计除了依据国家、行业及地方相关技术标准和当地建设经验进行外，还有其特殊性。

3.1 基坑支护结构的选型

基坑支护结构的选型除了需要考虑工程地质和水文地质情况、环境条件、基坑深度等因素外，还应结合装配式地下结构的型式综合确定。一般情况下，采用锚杆(索)或内支撑体系下的桩墙支护、喷锚支护、钢管桩支护及吊脚桩组合支护等直立式支护结构，均可适用于建造整环管节式和分块拼装式的装配式结构； 而放坡或土钉墙基坑支护，较适用于整环管节型式的装配式结构； 当放坡或土钉墙基坑支护用于分块拼装式结构时，需要采取措施有效控制结构拼装过程的稳定性。

3.2 基坑开挖宽度的确定

放坡或土钉墙基坑的拼装作业空间大且灵活，用于装配式结构的拼装条件较好，一般情况下基坑开挖宽度无需放大或做特殊处理。而对于直立式边坡基坑，开挖宽度应在装配式结构总宽度的基础上，综合考虑构件吊运、拼装作业空间、施工工艺要求、支护结构锚头和围檩占用空间等因素，给予一定的肥槽裕量，裕量取值可参考下列方式选取[16]：

1)整环或整块构件吊运拼装时，基坑两侧各加宽裕量不宜小于100 mm。

2)当衬砌侧墙外设置环内接头连接凸台时，基坑侧壁至衬砌侧墙之间的螺栓连接作业空间不宜小于600 mm(见图6)。因此，如果结构内部有空间，建议将连接装置设置在侧墙内侧或构件内部，可减少基坑肥槽的宽度。

图6 构件凸台螺栓紧固作业空间示意图

3)当底板、楼板或顶板等水平构件采用分块拼装时，需要考虑横向张拉锁紧工艺要求，外侧作业空间宽度不宜小于800 mm(见图7)，或考虑采取内部张拉措施，可减少基坑肥槽宽度。

图7 横向张拉锁紧作业空间示意图

3.3 桩墙+内支撑体系基坑工程设计

城市轨道交通或市政地下工程的明挖基坑平面基本为窄条形，在土层基坑工程中，大多适宜采用内支撑体系。在设置了内支撑的基坑中进行装配式结构的拼装作业是一种挑战。内支撑的布置除了需要满足支护结构受力及土方开挖等要求外，还应满足预制构件吊运和拼装工艺操作空间要求，基本规定如下：

1)每层内支撑应设置在同一水平面内，各层内支撑应设置在同一竖向平面内。

2)内支撑的水平间距应结合预制构件的环宽、环向和纵向拼装工艺要求合理确定，内支撑的水平净距不应小于构件环宽，且应考虑安全吊装等因素留出一定的裕量。

3)内支撑的竖向布置除了结合预制构件的高度及拼装工艺要求外，还应考虑已拼装就位的结构与支撑拆除时的受力转换作用。

4)当内支撑妨碍预制构件拼装时，宜采取先加撑后拆除的原则进行内支撑倒换，并利用已拼装就位的结构作为支撑，提供后续内支撑拆除的条件。

5)当利用已拼装就位的结构作为施工阶段基坑支护结构的刚性支点时，基坑侧壁与结构之间应设置刚性接续撑，接续撑轴线应与作为支撑的结构轴线对正。

6)当利用顶拱和仰拱作为支撑使用时，应验算最不利工况时能提供的轴力是否满足要求。

3.4 基坑回填

装配式地下结构的基坑回填应引起足够的重视，回填材料、回填时机及回填方式均会对结构和接头的受力和变形产生较大的影响。基坑回填基本要求如下：

1)基坑侧壁与衬砌侧墙之间的肥槽及结构顶部应及时回填，并对称施作。

2)对于采用刚性接头或整环管节装配式结构，侧壁肥槽回填可采用常规回填材料。

3)对于采用柔性接头的环向分块拼装式结构，侧壁肥槽回填应采用结硬性材料，并分多级填筑； 回填材料结硬后方可进行下一级回填，每一级的回填高度应通过验算接头受力和已拼装结构的稳定性后确定； 肥槽硬性回填的总高度应能够覆盖侧墙最顶部的接头节点，且应高于接头接缝不小于1.0 m。

4)当基坑采用放坡、土钉墙等支护形式时，基坑底部不小于1.0 m高的范围内，宜采用结硬性材料回填，以上部分可采用常规回填材料回填。

5)装配式结构顶部应采用不小于0.5 m厚的三七灰土回填，以上部分可采用常规回填材料回填。

6)结硬性回填应采用低强度等级的素混凝土、毛石混凝土、级配砂石灌浆等材料； 常规回填应采用高密实性、低渗透率材料，并满足填料含水率、回填碾压密实度等相关技术要求。

4 装配式地下结构防水

针对城市轨道交通或市政等地下工程的防水设计，国家、行业已发布了相应的技术标准，作为明挖装配式地下结构，其中的一般规定、混凝土结构自防水以及盾构法隧道结构防水等标准要求均可参考执行。由于明挖施工条件下建造的装配式地下结构与同为装配式结构的盾构隧道在接头型式、施工工艺等方面存在较大差异，本文仅补充设计时需要考虑的其他几点建议[17]。

4.1 基本规定

明挖装配式地下结构的防水应以结构自防水为根本，以构件接缝防水为重点，并采取与其相适应的防水措施。因此，连接接头的设计和构造除了满足结构受力和拼装工艺要求外，还应满足防水和耐久性要求。

1)接缝防水措施应与接头结构和构造相适应，防水做法应严密、交圈和无渗漏薄弱点，接头的锁紧连接装置原则上应不穿越防水措施带，如无法做到时，应单独采取密封防水措施。

2)装配式衬砌结构的干式柔性接头接缝，应设置至少1道橡胶密封垫，密封垫的防水性能应满足规范相关要求，同时，接缝宜采用适合的材料进行填充，除了保证干式接缝传力外，还可强化接缝的防水性能。

3)采用柔性接头的装配式衬砌结构可不设置外包防水层。

4)当装配式衬砌结构采用湿式连接的刚性接头时，应确保后浇混凝土的密实防水性，同时预制构件接缝端面应粘贴至少1道遇水膨胀橡胶止水带； 衬砌结构宜设置外包防水层，外包防水层的做法应与装配式地下结构的特点和拼装工艺相适应。

4.2 注浆式榫槽接头的接缝防水

长春地铁装配式车站衬砌结构采用了注浆式榫槽接头，从实际工程的应用情况来看，采用该接头不仅施工快速、连接可靠，而且车站结构接缝无渗漏现象，应用效果较好。长春地铁注浆式榫槽接头接缝防水示意[17]如图8所示。该接缝防水设计主要技术如下：

1)根据构件拼装接缝控制和拼装误差调整要求，最不利工况下接头接缝的最大张开量不大于7 mm，拼装错台量不大于5 mm。

2)接头接缝处设置了2道完全闭合的复合膨胀橡胶密封垫。

3)接头接缝处预留一定的间隙，该间隙在结构拼装完成后、基坑回填之前，采用石英粉改性环氧树脂进行了注浆填充。

4)在隧道内侧的预制构件拼缝处设置了凹槽，后期进行嵌缝防水处理。

5 结语

作为系统庞大的明挖条件下的地下工程预制装配建造技术，其设计技术和设计方法除了本文涉及的结构选型、基坑工程、结构防水等相关的技术内容之外，尚有更加具体和深入的接头设计、结构整体计算分析、结构构件设计、预制构件制作和施工技术要求等相关内容，由于文章篇幅有限，不能一一详述。经过近10年的研发和工程实际应用，该技术取得了一系列重要成果，在新技术研究并成功应用的基础上，建立相应的技术体系是推动新技术可持续发展的重要基石。目前，明挖预制装配式地下结构的设计、生产、施工等成套技术体系已基本形成，获批的中国城市轨道交通协会团体标准正在编制中，以期为行业在预制装配式工程建设中，贯彻执行国家的技术经济政策，统一技术标准，做到安全可靠、技术先进、经济合理提供全方位的技术支撑。