刘 磊
（京唐城际铁路有限公司，河北唐山）
随着铁路行业的飞速发展，形成了我国错综复杂的铁路网，铁路的大量建设导致对路基U 型槽的需求大大增加。传统现浇式U 型槽施工工期长、效率低，相反，预制装配式U 型槽施工便捷、机械化程度高、节省材料等，能够大大提高施工效率，满足我国铁路建设的需求。而装配式U 型槽施工在我国尚无先例，其结构预制技术也无相应经验可供借鉴。
国内外针对于装配式地下工程结构预制工艺研究多集中于地铁车站、综合管廊等。兰永祥[1]通过分析某工程在管理过程中的不足，提出了建立智能生产信息化管理。何亮[2]等通过某实例工程分析了预制装配式U 型混凝土渠道制作及安装施工技术。邓家勋[3]基于某工程总结了新型装配式综合管廊的结构预制工艺及拼装技术，证明了新型装配工艺具有推广应用的价值。罗强等[4]基于某工程项目发现通过把控模具、钢筋和混凝土工程质量，可有效保障预制构件生产质量。田安然[5]通过对明挖整体装配式地下综合管廊预制生产技术进行研究分析，总结了不同预制工艺在整体装配式地下综合管廊施工中的优缺点。上述研究显示，针对地下车站、综合管廊等预制结构已有较为成熟的预制施工技术。U 型槽与其相比，具有断面尺寸多变、长悬臂特点，其预制生产质量控制难度更大。
对此，研究依托全国首例装配式U 型槽工程- 京唐铁路站前八标U 型槽工程，重点研究了侧墙长悬臂结构浇筑时稳定性，提出了可调节通用性模板设计，建立了U 型槽结构侧墙浇筑质量控制技术，研究成果可为U 型槽等复杂多变预制结构生产提供借鉴。
京唐铁路八标U 型槽预制段全长206 m，纵向坡率为25.26‰，按每节18 m 分成12 段，其中U11～U16为路堑预制段，U17～U22 为路堤预制段。U 型槽由2块预制“L”型墙及1 块预制底板组成，预制“L”型墙1.996 m 宽，最大高度7.338 m，最小高度4.61 m，预制底板7.396 m 长，1.996 m 宽，0.5 m 厚，其中底板为最大预制构件重19.75 t，混凝土强度等级C50，抗渗等级P12，见图1。
图1 预制U 型槽构成
2.1 侧墙模具稳定性研究
U 型槽侧墙L 型为长悬臂结构，采用卧打方式浇筑，侧墙最高7.338 m，浇筑过程中，模具易产生较大挠曲，为保证侧墙长悬臂结构浇筑时稳定性，采用Midas GTS NX 建立数值模拟，考虑悬臂结构支撑点布置，见图2，其主要物理参数见表1，模拟中仅考虑浇筑对模板的作用，在模型底部设置竖直及水平约束[6-7]。
表1 模拟结构物理参数
图2 数值模型
底部支撑数量不同，U 型槽浇筑过程中的模具变形也不同，对此通过数值模拟分析了挠度变形，见图3。
图3 不同支撑点下的竖向位移
由图3 可知，通过设置不同数量的支撑可以控制模具悬臂结构的挠度，布置一个支撑点时，悬臂端的跨中部位出现较大的挠度，达到了3.39 mm，严重影响预制侧墙的垂直度以及稳定性。布置两个支撑点时，悬臂端挠度控制相对前者有所缓和，此时最大挠度为1.57 mm。当布置三个支撑点时，悬臂端最大挠度仅为0.49 mm，仅有设置一个支撑点时最大挠度的1/7，且悬臂端整体的挠度变化相对平缓稳定，模具的稳定性更好，因此采用设置三道支撑的设计加强模具稳定性。同时可以发现模具底板部位产生了一定的变形，且在三种支撑方案下，没有明显的变化，对此也应对底板部位进行加固稳定。
通过数值模拟分析，“L”型侧墙长悬臂结构浇筑模具布置三个支撑点，支撑布置型式见图4。同时将模具与混凝土接触面的钢板进行20 mm 加厚，模具外部采用网格状的肋板进行加固，转角位置设置斜肋进行加强，并对侧墙底板侧向设置了支撑杆，保障模具的稳定性。
图4 模板示意
2.2 模具的可调节设计研究
U 型槽侧墙高度不断变化，模具的尺寸不固定，如果为每节U 型槽单独制作模具，会大大增加模板造价，因此应设计出尺寸可调节的U 型槽侧墙模具。
设计通过给侧墙模具增加18 个可自由安装拆卸的调节模块，来实现侧墙模具尺寸的可调节性。针对每节U 型槽的设计尺寸，将模具上调节模块的数量进行调节，完成侧墙模具尺寸的转换，实现了单一模具就可完成所有U 型槽侧墙的生产。研究制定“临时开孔+产后封堵”进行生产，通过对预埋件位置进行临时开孔，生产完成后采用尼龙棒对多余的孔洞进行封堵，针对预埋件种类和位置的多样化预留问题。
3.1 浇筑工艺与质量控制
U 型槽侧墙采用卧打方式进行生产，首先拼装侧墙模具并检查拼装质量，将模具清理干净后，用门式起重机将钢筋笼吊入模具中，并检查矫正钢筋笼位置，检查无误安装固定各类预埋件，进行混凝土浇筑。采用分层浇筑的方式进行浇筑，浇筑时使用震动棒进行充分振捣，混凝土初凝、终凝前后，对表面进行整平、抹面，保证侧墙表面光滑平整，并抑制表面产生裂缝。构件养护时，通过智能养护系统进行自动洒水养护，待预制侧墙具有脱模条件后，使用门式起重机进行拆模作业，拆模后用编码对侧墙进行标记，并将侧墙照片配合编码信息一并上传至信息系统中，配合U型槽侧墙的后续智能化管控。
三维激光扫描可以提高U 型槽侧墙外观质量检查工作效率，检查侧墙外观质量时，使用三维激光扫描仪进行整体平面检测，获取侧墙的外观点云数据，将侧墙BIM 模型与扫描的三维点云模型进行对比分析，能够精准、高效的完成U 型槽侧墙外观质量检查。
3.2 钢筋预制构件防碰撞BIM建模
U 型槽侧墙钢筋设计排布复杂，导致钢筋与预埋件极易发生碰撞，仅依靠图纸无法直观的发现问题，使用BIM对钢筋与预埋件进行精细化建模，建模时，充分考虑到侧墙钢筋空间位置的排布，仔细检查钢筋、排气孔、预埋锚栓、吊钉之间的位置，检查结果见图5。
图5 构件空间干涉检测
由图5 可以看出，使用BIM对侧墙钢筋碰撞检查的结果清晰直观，检查发现预埋锚栓与排气孔同钢筋发生了碰撞，通过偏移钢筋的位置，充分考虑其空间排布，进行钢筋位置的细致优化，从而解决钢筋与预埋件位置冲突问题，能够避免预制侧墙的返工行为。
为了提升U 型槽预制施工质量，研究依托京唐铁路站前八标U 型槽工程，分析了U 型槽模具及浇筑质量控制，得到以下结论：
（1） 研究针对U 型槽侧墙悬臂端过大易发生失稳的问题，通过有限元模拟得出1～3 个支撑点三种情况下悬臂端的挠度，分别为3.39 mm、1.57 mm 和0.49 mm，对此采用了设置三道支撑的设计加强模具稳定性。
（2） 通过有限元模拟发现侧墙底板发生了变形，且设置支撑点难以有效的控制，因此，对侧墙底板侧向设置了支撑杆，转角位置设置斜肋进行加强，进一步保障模具的稳定性。
（3） 研究设计了可调节侧墙模具，通过增加可自由安装拆卸的调节模块，实现侧墙模具尺寸的可调节性，解决了因U 型槽尺寸变化导致模具造价花费高的问题。
（4） 提出了BIM的侧墙钢筋与预埋件精细化建模，直观发现钢筋与预埋件的碰撞位置，有效解决钢筋与预埋件位置冲突问题，还提出了三维激光扫描的质量自动感知方法，保障了施工质量精确、高效检验。
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