■ 張廣海 張文娜 白鴿 黎婉婉 林宣丞

0 引言

現(xiàn)澆施工作為傳統(tǒng)施工工藝，在我國房屋建筑、市政工程等項目中廣泛應(yīng)用。但是，受時代發(fā)展、國家宏觀政策變化及環(huán)保等多種因素影響，現(xiàn)澆施工的弊端逐漸顯現(xiàn)，而裝配式技術(shù)應(yīng)用日益增多，成為土建施工領(lǐng)域發(fā)展的新方向。

2018年7月13日，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見》，對城市軌道交通規(guī)劃的審批要求進(jìn)行了明確，地鐵建設(shè)的門檻提高，中小運量軌道交通制式迎來新的發(fā)展機遇。目前，中小運量軌道交通土建工程大多采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工，與因交通繁忙而需快速施工、市民對城市環(huán)境和市政工程質(zhì)量要求大幅提升等城市環(huán)境背離較大，亟需探索一種更快速、環(huán)保、高質(zhì)、高效的施工模式。

1 發(fā)展背景與整體思路

隨著社會進(jìn)步及人們環(huán)保意識逐漸增強，現(xiàn)澆施工的局限性日益突出，阻礙了中小運量軌道交通工程的推進(jìn)。其缺陷主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）環(huán)保要求愈加嚴(yán)格。當(dāng)前，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，現(xiàn)澆施工的現(xiàn)場支模、綁扎鋼筋、焊接、澆筑混凝土、養(yǎng)護(hù)和拆模等工序，產(chǎn)生大量噪聲污染、粉塵污染及建筑垃圾。我國多次出臺嚴(yán)格的建筑施工環(huán)保法令，施工過程中因環(huán)保問題下達(dá)一個月以上停工令的情況時有發(fā)生，對施工進(jìn)度造成較大影響。

（2）人工成本問題。許多建筑工人缺乏系統(tǒng)的專業(yè)技能培訓(xùn)，普遍存在專業(yè)技能低、安全意識差、人員流動大、勞動效率低等問題；隨著人口紅利減退，勞動力資源越發(fā)緊缺，建筑行業(yè)用工荒現(xiàn)象凸顯。以上因素導(dǎo)致勞工成本占總工程費用比例逐年上升。另外，現(xiàn)澆施工現(xiàn)場人員、設(shè)備多，工序穿插干擾多，露天作業(yè)環(huán)境惡劣，導(dǎo)致現(xiàn)場管理人員配備增多，增大了管理成本且難以監(jiān)管到位。

（3）影響既有交通?，F(xiàn)澆施工需要較寬的施工作業(yè)面（一般寬14 m，占4車道），施工前需進(jìn)行專項交通疏解方案設(shè)計、評審，方案通過后設(shè)置封閉圍擋。因現(xiàn)澆施工周期長，導(dǎo)致車流量大、路段交通堵塞。

（4）施工質(zhì)量問題。受場地、設(shè)備、高空作業(yè)和工人技術(shù)水平因素限制，現(xiàn)澆施工質(zhì)量難以保證；蓋梁墩柱配筋率高，現(xiàn)場澆筑難度大，質(zhì)量不易保障。以上因素導(dǎo)致現(xiàn)澆施工質(zhì)量隱患較多，監(jiān)控成本高。

（5）構(gòu)件更換問題?，F(xiàn)澆結(jié)構(gòu)多為剛性連接節(jié)點，難以更換。若在交通繁忙路段進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)修復(fù)，對交通影響極大。

（6）材料利用率?，F(xiàn)場模板、原材料難以統(tǒng)一管控、標(biāo)準(zhǔn)化，材料利用率低，浪費較嚴(yán)重。

（7）現(xiàn)澆施工周期長。構(gòu)件均為現(xiàn)場澆筑，需進(jìn)行支模—綁扎鋼筋—澆筑混凝土—拆模養(yǎng)護(hù)等一序列工序，工期至少28 d（僅養(yǎng)護(hù)時間）；無標(biāo)準(zhǔn)、通用構(gòu)件，不能通過批量化生產(chǎn)提高施工效率；施工點沿線路分布，現(xiàn)場管理分散，難以有效控制監(jiān)管所有工序，施工效率低，返工整改多。

（8）安全隱患多。現(xiàn)澆施工需高空支模，作業(yè)危險性高。

相比于現(xiàn)澆施工，裝配式施工更快速、環(huán)保、高質(zhì)、高效。裝配式技術(shù)為工廠預(yù)制、工地拼裝，能較好地實現(xiàn)建筑工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量可控化，逐漸在房屋建筑和市政交通工程中得到廣泛應(yīng)用。裝配式技術(shù)將橋梁施工中的現(xiàn)場立模、綁扎鋼筋及澆筑混凝土等工作轉(zhuǎn)到預(yù)制工廠，將傳統(tǒng)的“基礎(chǔ)—墩—上部結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿泄ば?，即橋跨結(jié)構(gòu)、蓋梁、橋墩等在基礎(chǔ)工程完成前進(jìn)行。同時，各類預(yù)制構(gòu)件被分成若干節(jié)段，或采用空心薄壁結(jié)構(gòu)等措施后，使用相對輕型的運輸和架設(shè)設(shè)備進(jìn)行施工，通過合理安排預(yù)制節(jié)段拼裝工序提高工程質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，減輕對環(huán)境和既有交通的影響[1]?，F(xiàn)澆施工與裝配式施工應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)工程中的優(yōu)、缺點對比見表1。

2 裝配式墩柱蓋梁

裝配式技術(shù)應(yīng)用于橋梁下部結(jié)構(gòu)整體思路見圖1。

由圖1可知，實現(xiàn)土建施工的工廠化、機械化、標(biāo)準(zhǔn)化和裝配化，即“裝配式=工廠預(yù)制+工地拼裝”，從而實現(xiàn)“工地的事放到工廠做、人工的事交給機器做、高空的事放到地面做”[1]。

裝配式技術(shù)的核心要素為節(jié)點連接。由于工廠化預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量易控制、易保證，構(gòu)件間的節(jié)點連接為現(xiàn)場完成，節(jié)點構(gòu)造比構(gòu)件構(gòu)造更復(fù)雜，且節(jié)點又是抗震的關(guān)鍵部位（強構(gòu)件、更強節(jié)點），因而實現(xiàn)節(jié)點連接的可靠性、耐久性，即可保證裝配式結(jié)構(gòu)至少具備“等同現(xiàn)澆”的能力[2]。

相比于上部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)在我國橋梁工程應(yīng)用中的迅猛發(fā)展，下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用發(fā)展相對緩慢，且多應(yīng)用于跨海大橋或處于低烈度地震區(qū)的城市[3]：如東海大橋橋墩施工采用預(yù)制、安裝方案[4]；港珠澳大橋采用淺埋式預(yù)制墩臺結(jié)構(gòu)[5]；杭州灣跨海大橋墩身生產(chǎn)采用預(yù)制拼裝技術(shù)等。

圖1 裝配式技術(shù)應(yīng)用于橋梁下部結(jié)構(gòu)整體思路

表1 現(xiàn)澆施工與裝配式施工優(yōu)、缺點對比

近年來，由于技術(shù)水平及施工要求的提高，下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)的研究應(yīng)用成為趨勢。施工中常將在工廠制作的實心預(yù)制構(gòu)件運送至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝[6]，雖然解決了現(xiàn)場施工復(fù)雜、工序繁瑣等問題，但預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量較大造成運輸及現(xiàn)場吊裝困難。針對此問題，研究一種橋墩下部空心預(yù)制構(gòu)件，包括以下2部分：

（1）預(yù)制墩柱。包括預(yù)制空心墩和工地現(xiàn)澆墩心混凝土，預(yù)制空心墩具有沿其軸向延伸的墩柱預(yù)制腔，運輸?shù)焦さ匕惭b就位后，向墩心現(xiàn)澆混凝土。

（2）預(yù)制蓋梁。包括預(yù)制蓋梁外殼和工地現(xiàn)澆混凝土，預(yù)制蓋梁外殼具有蓋梁預(yù)制腔，設(shè)在墩柱預(yù)制件上部，預(yù)制空心墩設(shè)有伸入蓋梁預(yù)制腔的連接筋，運輸?shù)焦さ匕惭b就位，再向預(yù)制腔內(nèi)現(xiàn)澆混凝土，且通過連接筋和墩柱以濕接縫形式相連。

預(yù)制構(gòu)件在工廠利用先進(jìn)的機械設(shè)備，使構(gòu)件達(dá)到較高精度，根據(jù)不同工程需求制作不同尺寸、材料性能的構(gòu)件。下部構(gòu)件制作完成后，利用吊車將下部預(yù)制構(gòu)件運輸至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝。構(gòu)件經(jīng)工廠預(yù)制，精度高、質(zhì)量小、運輸方便，安裝時節(jié)省人力、物力；現(xiàn)場拼裝施工工序簡單、有序、高效，施工作業(yè)面積減小，對交通環(huán)境影響小，優(yōu)勢顯著。

3 裝配式樁基承臺

樁基承臺等基礎(chǔ)的施工質(zhì)量關(guān)系到橋梁整體安全性，現(xiàn)澆施工的長周期造成后續(xù)工序無法提前開展，延長了整體施工周期。下部結(jié)構(gòu)采用旋挖鉆和鋼模板施工，導(dǎo)致現(xiàn)場環(huán)保問題嚴(yán)重，增加施工費用。

3.1 預(yù)制管樁

在嚴(yán)格控制施工質(zhì)量的條件下，由于預(yù)應(yīng)力高強混凝土預(yù)制管樁對周圍土層有較大擠密作用，在理論材料成本相同情況下，預(yù)制管樁可比灌注樁獲得更大樁徑。理論軸向承載力方面，預(yù)制管樁是灌注樁的2．1倍以上，在軌道交通施工環(huán)境的特殊條件下，預(yù)制管樁比現(xiàn)場灌注樁工期更短、施工質(zhì)量可控性更大[7]、噪聲污染更小、造價更低、環(huán)境污染更小?，F(xiàn)有預(yù)應(yīng)力高強混凝土預(yù)制管樁主要成型工藝為離心成型工藝，且可批量生產(chǎn)。

離心成型工藝是將填充好混凝土混合料的管模放置于離心機上，根據(jù)一般離心原理可知，隨著離心機旋轉(zhuǎn)，鋼模及其模內(nèi)的混凝土混合料受到離心力作用。由于模具跑輪和離心機機托磨損引起的振動或模具高速旋轉(zhuǎn)脫離離心機產(chǎn)生的沖擊振動，使得混凝土混合料受到振動作用。要控制高速轉(zhuǎn)速和持續(xù)時間，保障混凝土密實并具有一定強度時，不會因振動作用而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。

在離心力作用下，混凝土混合料沿管壁圓周均勻分布，逐漸形成環(huán)形中空管狀結(jié)構(gòu)。隨著旋轉(zhuǎn)速度不斷加快，混凝土混合料進(jìn)一步均勻分布，多余水分和空氣從因離心力作用形成的骨架和毛細(xì)孔道排出，減少內(nèi)外分層情況，并提高管樁制品的密實度和抗?jié)B性[8]。

當(dāng)預(yù)制管樁混凝土強度超過100%時，通過汽車運至施工現(xiàn)場，采用靜壓機沉樁施工，最大限度降低施工現(xiàn)場環(huán)境影響。

3.2 預(yù)制承臺

承臺作為主要下部結(jié)構(gòu)，其預(yù)制結(jié)構(gòu)的推廣對橋梁整體裝配有極其重要的作用，但由于土質(zhì)的多變性以及部分土質(zhì)情況具有流變影響，使實現(xiàn)承臺的預(yù)制結(jié)構(gòu)較困難[9]。在下部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工時，承臺挖開土方量較大且當(dāng)土質(zhì)環(huán)境不良的情況下，會造成較大地面破壞，增大后期路面恢復(fù)的費用。

作為大型構(gòu)件，可在工廠通過鋼模預(yù)制承臺，且成品質(zhì)量較現(xiàn)澆承臺有較大提升。鋼模的批量化使用也減少了現(xiàn)場因承臺類型較多，導(dǎo)致模板數(shù)量過多或模板周轉(zhuǎn)不及時，以及工期延后等問題。承臺預(yù)制后，在滿足強度的條件下運至現(xiàn)場拼裝，單項施工周期較短，為后續(xù)工序提前開展提供了有利條件。

4 裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點連接

在裝配預(yù)制構(gòu)件時，需要對預(yù)制構(gòu)件中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。在裝配式橋梁中，蓋梁與墩柱、墩柱與承臺、承臺與樁基及鋼筋間均需要連接，且連接節(jié)點直接影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。現(xiàn)階段國內(nèi)外主要節(jié)點連接方式如下。

4.1 承插式節(jié)點連接

承插式節(jié)點連接適用于預(yù)制墩柱與承臺基礎(chǔ)及其他構(gòu)件的連接。預(yù)制空心墩柱底部外包鋼板并布置剪力釘，承臺中部預(yù)留槽道及承插鋼筋，將空心墩柱定位后，在墩柱與承臺間隙澆筑混凝土以連接墩柱與承臺。該連接方式墩底布置較復(fù)雜，施工及運輸不便，后優(yōu)化為超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）澆筑節(jié)點連接部分，即可省去剪力釘。預(yù)制墩柱與承臺基礎(chǔ)承插式節(jié)點連接示意見圖2。

UHPC承插式節(jié)點是在預(yù)制混凝土構(gòu)件連接端預(yù)留錨固插筋，錨固插筋交錯，無需接觸和嚴(yán)格對中，待構(gòu)件安裝穩(wěn)定后澆筑UHPC[10]。施工便捷高效，大大節(jié)省人工、工期。UHPC具有超高耐久性與超高力學(xué)性能，因我國成熟產(chǎn)品屈指可數(shù)，故該節(jié)點連接方式僅小范圍使用，但前景可期。預(yù)制墩柱與承臺基礎(chǔ)UHPC承插式節(jié)點連接示意見圖3。

圖2 預(yù)制墩柱與承臺基礎(chǔ)承插式節(jié)點連接示意圖

4.2 灌漿套筒連接

灌漿套筒連接是在預(yù)制混凝土構(gòu)件內(nèi)預(yù)埋鋼套筒，從套筒兩端插入鋼筋并注入灌漿料而實現(xiàn)的鋼筋連接方式（見圖4）。灌漿套筒多作為鋼筋連接件預(yù)埋于墩柱，橋墩塑性鉸區(qū)損傷狀況受套筒影響顯著[11]。墩柱與承臺間的灌漿套筒連接示意見圖5。

4.3 灌漿波紋管連接

灌漿波紋管連接是用波紋管加強預(yù)留孔道的連接方式（見圖6）。波紋管對后插入管內(nèi)的鋼筋和灌入的灌漿料進(jìn)行約束，實現(xiàn)鋼筋的搭接連接。該連接方式多用于承臺及蓋梁，以加強伸入鋼筋的錨固效應(yīng)[10]。

圖3 預(yù)制墩柱與承臺基礎(chǔ)UHPC承插式節(jié)點連接示意圖

圖4 灌漿套筒連接示意圖

4.4 預(yù)應(yīng)力連接

預(yù)應(yīng)力連接主要應(yīng)用于節(jié)段預(yù)制拼裝施工。將蓋梁或墩柱分為數(shù)個標(biāo)準(zhǔn)段，由工廠預(yù)制后，在現(xiàn)場拼接，穿過預(yù)應(yīng)力高強螺紋鋼筋，施加預(yù)應(yīng)力使其成為整體。此連接方式所需預(yù)制構(gòu)件體積和質(zhì)量較小，便于運輸及標(biāo)準(zhǔn)化；機械化程度高，可快速施工，對路面交通影響較小。預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝蓋梁及墩柱示意見圖7—圖8。

圖5 墩柱與承臺間的灌漿套筒連接示意圖

圖6 灌漿波紋管示意圖

圖7 預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝蓋梁示意圖

圖8 預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝墩柱示意圖

4.5 漿錨連接

漿錨連接是在混凝土預(yù)制構(gòu)件一端預(yù)留孔洞（約束漿錨連接在孔洞內(nèi)增加配置橫向約束鋼筋或波紋管），將拼接構(gòu)件鋼筋插入孔洞，兩端鋼筋無需接觸，后在孔洞內(nèi)澆筑灌漿料的連接方式（見圖9）[12]。預(yù)留孔洞采用旋轉(zhuǎn)抽出內(nèi)置螺紋鋼管方式成孔，或預(yù)埋波紋管、PVC管成孔（預(yù)埋管不抽出）。搭接鋼筋間通過鋼筋與混凝土間的粘結(jié)錨固作用傳力，無需嚴(yán)格對中，施工便捷。此連接方式錨固及搭接性能良好且工藝簡易，約束漿錨連接示意見圖10。

4.6 鋼筋連接

鋼筋連接是提高建筑施工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國鋼筋連接技術(shù)發(fā)展較緩慢，傳統(tǒng)連接方式有閃光對焊、電焊和電弧焊等。近20年來，高層現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，粗鋼筋運用日益廣泛，鋼筋連接質(zhì)量問題日益突出，對鋼筋連接技術(shù)提出新的要求[13]。

圖9 漿錨連接示意圖

圖10 約束漿錨連接示意圖

為適應(yīng)發(fā)展要求，多種鋼筋機械連接技術(shù)先后被研制開發(fā)，如擠壓套筒連接、錐螺紋套筒連接、直螺紋套筒連接、錐套鎖緊連接等。其中，擠壓套筒連接配套設(shè)備體積較大、錐螺紋套筒連接強度略低，已逐漸被市場淘汰，現(xiàn)階段廣泛使用直螺紋套筒連接。

錐套鎖緊連接是近年來出現(xiàn)的一種更為便利的連接方式。該技術(shù)將2根被連接鋼筋分別插入錐套及固定在保持架上的鎖片中，沿鋼筋軸向擠壓錐套，通過斜面作用，使鎖片徑向收縮，鎖緊被連接鋼筋，鎖片徑向收縮時，其內(nèi)孔齒咬住鋼筋的橫肋和縱肋。單個套筒連接時間僅30～60 s，大大縮短工期，且配套機具設(shè)備體積小，節(jié)省人工、適用環(huán)境廣泛。錐套鎖緊套筒見圖11。

圖11 錐套鎖緊套筒

5 結(jié)束語

綜上所述，裝配式技術(shù)在中小運量軌道交通土建結(jié)構(gòu)中具備廣泛應(yīng)用的條件，但由于相關(guān)規(guī)范尚未出臺、部分新技術(shù)（UHPC、錐套鎖緊連接等）尚未完全市場化等客觀原因，其在中小運量軌道交通中應(yīng)用較少。作為替代傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝的必然趨勢，并隨著部分試點工程逐步投入運營，裝配式技術(shù)將逐步在中小運量軌道交通中大規(guī)模應(yīng)用。