预制装配式结构在大型市政地下工程中的施工应用

任天晔

(上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市200433)

1 发展市政工程预制装配式的意义

近几年我国劳动力逐渐缺乏，各个地方多年从事施工现场管理的人员都明显感觉到施工劳动力不足。可见老龄化、人们不愿从事艰苦施工行业等因素导致的建筑行业劳动力短缺已经开始。

我国人口老龄化趋势如图1所示[1]。

图1 2016-2050年中国老年人口规模和比重

面对未来劳动力不足的严峻形势，预制装配式结构节约劳动力的优势大大体现。除此之外预制装配式结构还具备施工时间短、环保节能、克服季节影响、工程质量容易保证、工业产业化高等特点[2-4]。

目前我国预制装配式结构主要集中于房屋建筑行业，尤其是国内预制装配式住宅发展极为迅猛。据不完全统计，2013～2015年每年全国预制装配式住宅建设面积将近1 000万 m2[5]。2016年国务院出台《关于进一步加强城市规划建设管理工作若干意见》，该文件明确指出发展新型建造方式，大力推广装配式建筑，减少建筑垃圾和扬尘污染，缩短建造工期，提升工程质量。力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%[6]。

综上，在国家政策、未来劳动力不足等因素的作用下，预制装配式建筑必然具备巨大的发展空间，其迎合了未来建筑行业的发展需要。目前预制装配式已经在我国各地得到普遍推广，但是在大型公共市政建筑中却推广缓慢，尤其是城市地下空间结构方面。由于地下空间防水和防潮较为重要，且目前的预制装配式结构在这方面的技术比较薄弱，因此地下结构的预制装配化进程还处于起步阶段。但是除了外围的防水围护结构之外，地下空间结构中的其他梁、柱、板等结构完全可以使用预制装配式，可见地下空间预制装配化还有巨大的发展空间。地下工程往往涉及到深基坑，其施工对周围环境影响非常大，尤其是降水、变形等对周围地面沉降的影响极为严重，因此缩短施工周期对控制周边环境改变有重要意义。而预制装配式可以大大缩短工期，在地下空间进行预制装配式施工不仅节约劳动力，还具备减小影响周边环境的效果[7-8]。

2 工程概况

上海市浦东新区轨道交通某线某地铁车站，全长188.2 m，为地下二层岛式站台车站。车站按双柱三跨框架结构设计，具有4个出入口，2个风亭。全站站台板和6部楼梯采用预制装配式结构。

据对上海轨道交通车站施工的调研，该车站使用预制装配式结构还属首例。研究分析该地铁车站中预制装配式结构的施工技术及经验对今后的应用具有重要意义。

3 预制装配式结构设计

3.1 PC构件尺寸设计

由于地下市政工程的特殊性，设计阶段在不改变地下车站主要结构为现浇的前提下，着手将部分构件设计为预制装配式。

（1）基于地下空间市政工程预制装配式还处于起步阶段的特点，对整个工程的结构体系进行策划，需在尽可能满足预制装配率的前提下降低施工成本。

（2）房屋建筑的墙板、梁柱等构件均较小，并且地上建筑吊装条件优良，而地下市政工程却正好相反。因此需要着重考虑预制构件的吊装、安装等施工问题来确定地下车站中各个构件是否采用预制装配式。

（3）大型市政工程不同于房屋建筑工程，往往在结构设计上具有不可重复性。因此在考虑采用预制装配式时还需要看各个构件预制是否具备可推广性。

（4）预制装配式结构需要考虑构件生产、运输能力、构配件的制作、堆放和起重运输设备吊装能力及起重运输设备服务半径所需的空间。

（5）依据施工水平、工期要求，同时考虑建造成本，初步确定本项目的预制率及预制构件种类。在满足建筑使用功能的前提下，装配式构件设计应采用标准化、系列化设计方法，满足体系化设计的要求，充分考虑构配件的标准化、模数化、多样化。

最终确定该地铁车站的预制装配式构件分为预制梯板、预制站台板两种构件。

3.2 构件标准化设计

经深度优化设计，在尽可能满足标准化的基础上楼梯梯板构件设计为590 mm和690 mm两种宽度规格，梯板厚度均为250 mm，选用150 mm×300 mm和159 mm×280 mm两种规格的踏步。最大楼梯板重3.78 t。每块楼梯板一端设置两个灌浆连接孔，与梯梁通过螺杆和灌浆料等统一连接，如图2所示。

本工程标准段站台板宽12.56 m，标准厚度0.2 m，为钢筋混凝土结构，如图3所示。

图2 模具拆分示意图及实物图

图3 标准段站台板（单位：mm）

考虑到吊装运输的困难，总体宽度为12.56 m的站台板分三块预制，如图3中间一块长度尺寸为6.4 m，两侧两块为2.88 m，加上两个0.2 m的后浇带共12.56 m。

在地下空间中吊装受到限制，因此单块站台板不宜做的太大，长6.4 m的站台板宽度为1 m，重量为3.2 t，2.88 m的站台板设计宽度为1.5 m。如果遇到柱子等可适当改变造型。

站台板在后浇带处预留180 mm长的搭接主筋，为后续两块站台板连接为一个整体做准备。

4 构件吊装

本工程项目在主要结构施工完毕后，进行预制站台板和预制楼梯板的施工。在施工过程中吊装分为露天吊装和封闭空间中吊装两种。

本文仅介绍本工程地下封闭空间吊装施工技术，这对今后轨道交通地下工程预制装配式施工据有重要意义。

4.1 吊装机械的选择

本工程预制构件吊装受限于地下空间的不足，不能采用常规吊装设备吊装。地下车站分两层，负一层净高4.95 m，负二层净高6.05 m。负一层和负二层均为三跨框架结构，中间有上下翻梁和立柱等障碍。

在吊装研究中准备了两种方案。方案一为制造一台专门吊装设备来吊装本工程的预制构件。吊装设备具有水平和垂直运输的功能，可以在底板上起吊各类构件，操作方便。但是地下工程的重复性少，该设备并不适合推广，机械制造成本不能摊销，因此方案没有经济可行性。

方案二是采用市场上已经存在的SWTC5型履带起重机吊装。该起重设备最大起重量为5 t，自身重量为10 t，可以携带重物在平坦地面上自如运动。相比方案一，采用该种吊装方案可以避免昂贵的设备制造费用，而仅仅花费一些设备租赁费，在经济上具有推广性和可操作性。但是车站公共区楼梯梯板最重一种型号为3.78 t，履带吊最大起重能力仅仅为5 t，因此需要非常严格的计算来确定吊装设备的起吊位置、起吊回转半径等才能实现吊装。其中公共区楼梯最难吊装，本方案选择双机抬吊的方式在负一层对公共区楼梯梯板进行起吊，并且成功实现梯板的吊装。最终选用SWTC5型履带起重机来吊装预制构件。

4.2 楼梯段吊装

本工程项目楼梯仅仅对梯板进行预制，其余梁柱结构均采用现浇。预制楼梯上下各有200 mm宽搁置在楼梯梁上。楼梯梁上预埋Φ16高强螺杆，其与每块梯板上下两端预留的灌浆孔相对应，灌浆孔50 mm，预埋螺杆最大可允许误差为34 mm。

以公共区地下空间楼梯吊装安装为例，其流程如下。

（1）放梯板安装控制点，依据控制点在预制楼梯吊装前应复测梯梁面标高。如发现梯梁面不平或者标高不正确，立刻采用打磨或者抹灰等措施保证梯梁面到标高。复测梯梁上预埋螺杆的坐标，如果螺杆坐标超出允许范围应立刻纠偏整改。

（2）在梯梁面刷单组份氯基粘结剂，然后在其上铺设6 mm厚丁腈木脂橡胶垫（尺寸依据楼梯宽度而定，一般其宽度为200 mm）。丁腈木脂橡胶垫根据预埋的螺杆钻直径50 mm的孔，其孔正好套住预埋的高强螺杆。之后在丁腈木脂橡胶垫上方刷组份氯基粘结剂。做这一步主要是为满足楼梯的抗震。

（3）将预制楼梯板在车站底板上水平运输到位，并且将SWTC5型履带起重机吊运到车站中板指定位置，楼梯吊装情况如图4所示。重量在3 t以上梯板采用双机抬吊的方式起吊安装，起吊过程中严禁履带吊超过施工方案设计回转半径施工。吊装过程中一切依据施工方案中的步骤来实施。

（4）调整梯板位置，将梯板上下端预留圆孔套到梯梁上的预留螺杆之上，并且调整位置将螺杆正好落到预留圆孔的正中。

图4 公共区楼梯吊装图

（5）依据控制点纠正梯板纵横向位置，确保各块梯板放置到指定位置上，尽量减少梯板之间的不均匀高差。

（6）楼梯梯板吊装完毕之后，梯板与梯板之间、梯板与楼梯休息平台之间、预埋螺杆与梯板灌浆孔均存在空隙。梯板与梯板之间并不需要处理，将来采用楼梯铺装直接覆盖，并排拼放的梯板用Φ12高强螺杆拉结成为一体，保证梯板在横向上不移动。梯板端部与楼梯休息平台之间缝隙采用聚笨材料填充，然后在聚笨之上填塞PE棒，在PE棒上填充结构密封胶起防水密封作用。梯板灌浆孔正好套在梯梁的预埋螺杆上。根据设计，楼梯上端是固定支座，下端为滑动支座。上端灌浆孔中采用C40GCM灌浆料填满，使得楼梯与梯梁成为一个整体；下端灌浆孔中先放直径相当的钢垫片，再用螺母将钢垫片固定住，然后在钢垫片之上灌注C40GCM灌浆料，将孔口填平，如此在钢垫片下形成一个190 mm高中空空间，可确保梯板下端自由滑动。

（7）做完所有工作后将预制结构进行成品保护。

4.3 站台板吊装

到目前为止该工程的站台板还未施工，但是初步施工方案采用SWTC5型履带起重机来吊装。站台板构件规整，并且吊装条件要比楼梯有利，因此吊装过程相对简单。这里暂时不做讨论。

5 结论

（1）由于大型市政工程往往不具备重复性，因此这类工程标准化构建较为困难。目前市政工程地下空间中应用预制装配式结构尚属于起步阶段，全面推行预制装配式的设计和施工技术均有所欠缺。但一些重要性相对较小的附属结构完全可以实现预制装配式，并且实现标准化。如轨道交通地下车站楼梯和站台板等次要结构。

（2）成功地在上海浦东某地铁车站试行预制装配式结构，完成了预制楼梯标准化设计，并且完成了预制楼梯的吊装，为大型市政地下工程局部结构预制装配式发展提供了工程实例。

（3）本工程目前仅完成预制楼梯吊装，在预制梯板吊装安装的施工过程中发现诸多问题，可为今后地下空间预制装配式结构设计、施工做为改进依据。a.预制梯板两端的灌浆孔直径太小，仅仅为50 mm，而梯梁预埋的螺杆直径为16 mm，单块梯板仅仅预留34 mm误差余量，大大增加了施工实施的难度。土木工程不是绣花，应该尽量空出足够的误差余量才能适应行业的施工要求，建议改进灌浆孔结构形式以避免允许误差太小导致难以施工的情况。b.一跑楼梯由三块或者四块梯板并排拼装而成，虽然避免市政工程构件太重难以起吊的问题，但是要求梯板构件的精度加强。梯板吊装完毕后发现各块梯板标高出现差别，经过仔细分析后发现梯板自身有一定翘曲致使这种现象产生，因此在生产预制构件时需要强度、刚度较高的模具。c.预制楼梯端部采用的6 mm厚丁腈木脂橡胶垫来做支座，而丁腈木脂下方为已经硬化的砂浆找平层，一旦梯板有翘曲，6 mm厚的橡胶垫不能分散预制梯板受力，应该在其下方加一层坐浆料。d.地下空间现浇混凝土结构施工困难重重，但是预制构件的吊装更加困难，受限于起吊空间、设备起重量等因素，只能将预制构件做小，如此吊装工作的工作量将大大增加，并且繁琐。

[1]贾曼丽.老龄化背景下我国劳动力供给的影响因素与未来趋势研究[D].北京：首都经济贸易大学，2016.

[2]崔璐.预制装配式钢结构建筑经济性研究[D].济南：山东建筑大学,2015.

[3]刘康.预制装配式混凝土建筑在住宅产业化中的发展及前景[J].建筑技术开发,2015,42(1):7-15.

[4]刘琼,李向民,许清风.预制装配式混凝土结构研究与应用现状[J].施工技术,2014,43(22):9-14，36.

[5]刘加华,龚咏晖.南通政务中心预制装配整体式立体车库施工技术[J].施工技术,2017，46(3):34-37.

[6]刘加华，柳海.南通政务中心预制装配整体式框架结构体系立体车库设计[J].施工技术,2017，46(3):30-33.

[7]孙慧宇.沈阳万科春河里住宅产业化项目的经济分析 [D].沈阳：沈阳大学,2017.

[8]刘春梅.预制装配式混凝土建筑建造成本分析与控制 [D].聊城：聊城大学,2016.