装配式地铁车站发展及节点连接设计浅析

2022-06-24何莹

城市建设理论研究（电子版） 2022年13期

何莹

海南元正建筑设计咨询有限责任公司第三设计事务所海南三亚 572000

1 装配式地铁车站

地铁车站是地下轨道交通的停靠点，可以满足客流中转、运送客流的功能。目前地铁车站结构包括岛式和侧式两种。通常地铁车站优先采用明（盖）挖法施工，结构形式多采用双柱三跨双层或单柱双跨双层箱型框架结构体系。目前地铁车站设计中还存在着很多问题，一方面，地下地铁车站顶板因需承担填土荷载有及道路交通荷载，使得顶板构件设计复杂；另一方面，地铁车站属于地下隐蔽工程，不可预见因素较多，导致施工周期较长，且多数车站处于交通便利的路口或商业中心区，客流量、交通量比较大，施工期间会造成道路的拥堵，严重影响人们的工作与生活[1-3]。

装配式结构是指以预制构件为主要受力构件，经装配或连接成的结构[4]，具有材料利用率高、能源消耗低、现场湿作业少等优势，可实现建筑业“节能、节水、节材、节地”目标。

装配式地铁车站指将地铁车站中框架结构受力构件梁、柱在工厂预制后，在现场组装、拼装而成结构，具有安全、高质、高效、绿色环保等显著优势[5]。与地面建筑相比，除盾构法隧道外,地下工程在装配式建造技术方面的研究和应用起步较晚。我国装配式车站建造技术目前取得了一定成绩,仍有很大的提升和拓展空间,在将来仍有许多新的课题需要研究,创新和发展仍是装配式地铁车站建设的主旋律。

2 装配式地铁车站发展

目前对地铁装配式的研究多集中在装配式出入口、装配式衬砌、预制站台板、楼板等次要构造，对地铁结构中预制主体结构的研究相对较少。在国外，俄罗斯在预制装配式地铁车站结构上进行了创新。俄罗斯利用单拱结构的受力机理和优势，修建了每座地铁双层换乘枢纽奥林匹克站，如图1所示[6][7]。该车站的顶底板均为单拱结构，通过拱结构侧向推力抵抗地下连续墙承担的土压力，构件间连接采用错缝拼接，增强整体结构的稳定性，车站所有构件均为预制，施工速度快，施工作业环境好。

图1 奥林匹克车站

法国的星广场地铁车站是暗挖装配式地铁车站结构。该车站装配式技术体现在侧墙采用预制钢筋混凝土拱结构，然后在装配式构件达到要求后，进行后续结构施工。该工法有效结合了预制装配式结构和现浇混凝土结构，初期支护和二次衬砌合为一体，取消了临时支护，加快他工程建设速度，节省了工程造价。

国内的预制装配式地铁车站起步较晚，目前仅在长春地铁2#线袁家店站中施工完成。袁家占在施工中采用整体装配方案，通过解剖结构、构件定位、制定合理拼接顺序、构件吊装顺序进行整体组装，如图2所示。该方案具有施工便捷，缩短工期、劳动力投入少、节省造价和材料用量等优势。

图2 袁家村站

3 装配式地铁车站设计存在问题

国内外的预制地铁主体结构主要采用的均是受力性能较好的拱结构，具有形状不规则和接缝较多缺陷。节点连接部位是装配式结构的薄弱点。相比地上装配式结构，地下装配式结构在节点连接部位需要解决连接强度和防水性能两个方面。由于是分块拼装的，构配件之间会留下大量的拼装接缝。如果接缝位置强度和防水不能得到保障，结构安全性受到威胁。

结构的震害调查表明：预制装配式剪力墙结构中预制构件并没有出现严重破坏，破坏主要集中在接缝与节点处。而对下地下装配式结构受到地震力时，接头与节点也不可避免地承受来自地层的横向剪切作用。地铁作为市政公用工程重要性不言而喻，考虑其结构承载、百年耐久性、防水防渗等高要求高标准，因此对接头的抗震以及消能耗能研究就显得成为重要。另外，对于地铁车站，尤其是处于地下水位比较高的地铁车站，由于长期处于地下水位以下，对接缝与节点的抗渗技术也是一个需要解决的关键问题，接缝与节点处的消能和抗渗技术也是制约装配式在地下地铁车站普及应用的主要瓶颈。此外，装配式车站要和地下车站现浇结构一样承担外部荷载和岩层，两者的结构内力大致相同，预制构件在连接节点处的力学性能需要和现浇结构一样。因而，预制混凝土节点设计是地铁车站装配式设计的关键。

4 装配式地铁车站节点设计

装配式地铁车站节点主要有两种连接方式，即“榫卯式”和“栓接式”。

“榫卯式”预制混凝土节点如图3较现有节点构造有以下两方面优势：一是在提高工业化水平方面，“榫卯式”节点的预制构件没有外露的锚连钢筋，解决了装配式混凝土结构在运输、吊装安装方面的不便；其次是在其提高混凝土结合面性能方面，“榫卯式”节点接缝处的预制混凝土突起间能较好咬合，咬合处可直接提供相应的抵抗侧向变形的能力，显著提高抗裂性能和整体工作性能，对于预制混凝土结构体系具有重要意义[8][9]。

图3 装配式地铁车站榫卯式连接节点

“栓接式”是在地铁车站侧墙浇筑过程中预埋型钢构件，在工厂预制车站顶板的过程中预留孔洞，车站主体结构与顶板连接时，将侧墙预埋的钢构件穿过顶板预留孔洞，用高强螺栓进行连接的方法。地铁区间盾构管片采用高强螺栓经验成熟，但是关于具体材质、型号选取经历过漫长的探索，业内盾构管片多采用8.8s级，直径M24mm，成型后区间结构受力、耐久性各方面稳定可靠。但是该思路经过分析表明实际应用困难重重、过于理想化，因此还需要针对细节设计严格进行分析和考量。

本文通过经验类比法，结合自身对装配式建筑结构和钢结构的学习和研究，提出一种高强螺栓组合形式如图4。该种连接方式是在车站侧墙面的浇筑过程中，先预埋型钢件，在工厂预制车站顶板的过程中预留孔洞。因车站装配式方案里板、墙截面厚度800mm，通过企口错台形成550mm+250mm两部分，取最小截面250mm的十分之一厚度作为螺栓直径认为比较匹配（避免构造破损）。设计时考虑一个连接节点设2组螺栓，布设原则以“小而密间距”比“大而梳间距”避免应力集中、使得受力性能更优。