黃土地區(qū)高速公路鋼波紋管涵應(yīng)用技術(shù)研究

李騰云

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西太原 030001)

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

在公路施工中，應(yīng)用鋼波紋管涵代替鋼筋混凝土涵洞進(jìn)行施工的歷史已經(jīng)有100多年了。1896年，美國率先進(jìn)行波紋管涵通道、涵管的可行性研究。其后，在美國、加拿大、澳大利亞等國的公路建設(shè)中，均采用了鋼波紋管涵進(jìn)行涵洞的施工。1990年，日本高速公路設(shè)計(jì)，規(guī)范制定了波紋管涵設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范。隨著波紋管涵在世界各地的安裝使用，證明了此種結(jié)構(gòu)在各種使用情況下的通用性。在我國改革開放后，深圳及大同煤礦開始從國外進(jìn)口成品波紋管涵進(jìn)行涵洞施工。之后，上海市公路管理處、上海市政工程設(shè)計(jì)研究院、上海同濟(jì)大學(xué)對(duì)金屬波紋管涵進(jìn)行了動(dòng)、靜載試驗(yàn)，結(jié)果表明能滿足設(shè)計(jì)使用要求，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，且迅速得到推廣應(yīng)用。

目前鋼波紋管涵洞在我國西部嚴(yán)寒地區(qū)已逐步得到推廣應(yīng)用，相信隨著對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性認(rèn)識(shí)的逐步提高，以及有關(guān)鋼波紋管涵的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范的逐步完善，鋼波紋管涵在公路或其他工程中將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

波紋鋼管是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的管殼零件。它既有彈性特性又有密封特性，在外力及力矩作用下能產(chǎn)生軸向、角向、側(cè)向及組合位移，密封性能好。

鋼波紋管涵洞不僅具有優(yōu)良的適應(yīng)地基與基礎(chǔ)變形的能力(用于解決因地基基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致的涵洞破壞問題)，而且具有自重輕、運(yùn)輸方便、施工簡(jiǎn)單且施工工期短、造價(jià)低、耐久性好、對(duì)地基擾動(dòng)小、對(duì)基礎(chǔ)要求較低等優(yōu)點(diǎn)，還具較強(qiáng)的抗拉、抗剪和抗疲勞能力，故其具有較為廣泛的應(yīng)用前景。尤其應(yīng)用在高寒凍土地區(qū)、高填土路基、V字形U字形深溝、軟土路基地帶，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2 工程實(shí)例——霍永高速公路西段鋼波紋管涵應(yīng)用情況

2.1 工程特點(diǎn)

霍永高速公路西段地處山西省西部的黃土高原，路線范圍內(nèi)黃土地貌主要以黃土塬、梁、溝谷的形式發(fā)育。地面起伏較大，地形破碎，V形溝眾多，沿線部分高填深挖路段涵洞因地形限制及相鄰控制性工程施工干擾，難以形成施工作業(yè)面，影響總體工期進(jìn)度。同時(shí)由于該地區(qū)濕陷性黃土分布較廣，容易發(fā)生黃土路基工后不均勻沉降，破壞鋼筋混凝土涵洞主體結(jié)構(gòu)，形成變形、滲漏等鋼筋混凝土涵洞常見病害。為此，經(jīng)五方現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘測(cè)，共同決定霍永高速公路西段K96+919等6座涵洞采用鋼波紋管涵形式施工。

2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

1)波形鋼板原材料采用低碳鋼，應(yīng)符合GB/T 699和GB/T 700的要求。波形鋼板原材料的化學(xué)成分應(yīng)符合表1的規(guī)定，并應(yīng)進(jìn)行熱浸鍍鋅。

表1 波形鋼板原材料的化學(xué)成分要求

2)波形鋼板的物理性能符合表2規(guī)定。

表2 波形鋼板的物理性能

3)各部尺寸允許偏差見表3。

表3 管涵允許偏差

4)波形鋼板的外觀質(zhì)量。

波形鋼板的外觀質(zhì)量除應(yīng)滿足GB/76725外，還應(yīng)符合表4的規(guī)定JT/T 710-2010。

表4 波形鋼板的外觀質(zhì)量

2.2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

鋼波紋管設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)見表5。

鋼波紋管設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖見圖1。

所采用的材質(zhì)為Q235-A熱板，表面采用熱浸鍍鋅防腐處理，鍍鋅量平均厚度不小于84 μm。連接方式采用法蘭連接、高強(qiáng)螺栓緊固、石棉墊密封。

表5 主要技術(shù)參數(shù)表

圖1 鋼波紋管設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖

2.3 施工工藝

施工工藝如下:

測(cè)量放線→挖(填)基→灰土換填→基礎(chǔ)墊層填筑→成品檢測(cè)、驗(yàn)收→管身安裝→端墻施工→洞口鋪砌及八字墻(跌水井)施工→涵背回填。

2.3.1 測(cè)量放線

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖用全站儀放出涵洞縱、橫軸線，埋設(shè)護(hù)樁作為施工中的控制軸線。如護(hù)樁被碰動(dòng)，在下一工序開始前，重新復(fù)核中心軸線和標(biāo)高。

2.3.2 基坑開挖

1)基坑開挖:基坑由機(jī)械開挖，底高程預(yù)留20 cm，留待人工清理，避免機(jī)械擾動(dòng)基底。

2)基坑的開挖坡度以保證邊坡的穩(wěn)定為原則，由于現(xiàn)場(chǎng)開挖深度在5.5 m左右，開挖過程按1∶0.5坡比放坡，底部預(yù)留1 m施工面。在基坑頂面設(shè)置截水溝，防止地面水流入基坑。

3)基底回填:半填半挖或填方路段按填方路基施工要求，開挖臺(tái)階分層回填，回填至涵底標(biāo)高后再進(jìn)行開挖基坑。

4)基坑開挖完成后進(jìn)行自檢，自檢合格后報(bào)請(qǐng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收基坑?；域?yàn)收應(yīng)符合表6要求。

表6 基坑驗(yàn)收要求

2.3.3 灰土換填

1)灰土配比。

灰土體積比設(shè)計(jì)為3∶7，土采用開槽土，土塊粒徑不大于15 mm，石灰采用生石灰，現(xiàn)場(chǎng)，石灰要求同產(chǎn)地，同品種，同規(guī)格，灰土施工時(shí)，嚴(yán)格控制灰土含水率。

2)填筑、碾壓。

灰土換填應(yīng)分層填筑，分層碾壓。每層虛鋪厚度應(yīng)控制在20 cm以內(nèi)，壓實(shí)厚度應(yīng)控制在15 cm。碾壓采用壓路機(jī)靜壓壓實(shí)，邊角部位采用小型夯機(jī)夯實(shí)，確保碾壓達(dá)到無漏壓，無死角，碾壓均勻，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止。碾壓完成經(jīng)自檢人員自檢合格后(壓實(shí)度控制在93%以上)，報(bào)請(qǐng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下層填筑。

3)灰土養(yǎng)生。

灰土換填每層施工完畢后，采用土工布覆蓋，設(shè)置專人負(fù)責(zé)灑水養(yǎng)生，養(yǎng)生期7 d以上，并保持一定濕度。

4)基礎(chǔ)砂礫墊層施工。

基礎(chǔ)鋪設(shè)0.5 m厚砂礫墊層，砂礫墊層分兩層填筑、分層壓實(shí)，夯實(shí)緊密后方可安裝。

5)成品檢測(cè)、驗(yàn)收計(jì)算。

鋼波紋管需要由鋼波紋管供貨方提供結(jié)構(gòu)安全，計(jì)算書和質(zhì)量保證書，波形鋼管原材料符合JT/T 710-2008 6.1.1和6.1.2的要求，波形鋼板的物理性能應(yīng)符合JT/T 710-2008 6.1.3的規(guī)定。

6)管身安裝。

鋼波紋管涵洞由波紋管生產(chǎn)廠家配備專業(yè)人員進(jìn)行施工安裝。

a.安裝前準(zhǔn)備。備齊安裝工具及所需配件:梅花扳手(16—18和22—24)、活口扳手、小撬棍(φ16 mm長(zhǎng)度50 cm左右的圓鋼)、撬杠(φ50 mm長(zhǎng)度1.8 m左右的鋼管)、手錘、鑿子、螺絲刀(一字形)、千斤頂、高強(qiáng)螺栓及橡膠石棉墊、綁絲0.5 kg。

b.金屬波紋管安裝前，檢查底部基礎(chǔ)軸線偏位、中心點(diǎn)位、平整度、標(biāo)高、預(yù)拱度等技術(shù)指標(biāo)，合格后進(jìn)行管身安裝。

c.連接安裝波紋管:涵管安裝時(shí)從一側(cè)排放第一根管節(jié)，使其管子中心和基礎(chǔ)縱向中心線平行，支墊牢固后放置第二根管節(jié)，相鄰兩管節(jié)法蘭間相距3 cm～5 cm的縫隙時(shí)，用小撬棍對(duì)準(zhǔn)法蘭上的螺栓孔，使其兩根管法蘭上的螺栓孔對(duì)正，這時(shí)從第二節(jié)管的另一端用撬杠撬動(dòng)管節(jié)，使其縱向平移，使兩法蘭間距在2 cm左右，然后全部穿上高強(qiáng)螺栓，擰上螺帽，鑲嵌石棉墊，高強(qiáng)螺栓緊固至法蘭間縫隙不大于5 mm。依此方式逐節(jié)安裝。

d.鑲石棉墊:由于現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)等原因，有時(shí)相鄰兩法蘭之間間距較小，這時(shí)用手錘、鑿子把兩法蘭之間鑿開大約1 cm的縫隙，用螺絲刀把石棉墊鑲在兩法蘭之間，有時(shí)管子頂部?jī)煞ㄌm間距較大，石棉墊鑲嵌困難，用綁絲把石棉墊綁在螺栓上固定，然后工人開始對(duì)稱鎖緊螺絲，直至兩法蘭之間只有2 mm～5 mm的縫隙即可。

e.管壁內(nèi)外涂瀝青:乳化瀝青或熱瀝青兩道，一般瀝青涂層的厚度要達(dá)到1 mm，從外觀看管壁內(nèi)外均勻的涂成了黑管。

f.管涵施工應(yīng)符合表7要求。

表7 管涵施工要求

7)附屬工程施工。

波紋管管涵洞口形式采用直管延長(zhǎng)式等。對(duì)于有流水沖刷的涵洞，進(jìn)出口處溝床和涵洞兩端處，按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)水口設(shè)混凝土滴井，連接路基側(cè)溝以及隧道洞口排水，有效的將高差比較大的溝壑流水引至涵洞內(nèi)。施工中應(yīng)注意:a.砂漿要嚴(yán)格按配合比拌和，標(biāo)號(hào)M7.5，拌和時(shí)間不少于2 min，拌和均勻。b.砌筑時(shí)砌塊錯(cuò)縫，坐漿擠密，嵌緊后砂漿飽滿無空洞現(xiàn)象。c.外圈定位和轉(zhuǎn)角處，選擇形狀方正、較大的片石，并長(zhǎng)短相向與里層片石咬接。d.較大的片石用于下層，砌筑時(shí)選擇形狀和尺寸較為合適的片石，敲除尖銳凸出部分，不得用高于砂漿砌縫的小石塊在下面支墊。

8)涵背回填。

a.涵背回填料采用級(jí)配砂礫回填。

b.管涵兩側(cè)回填應(yīng)對(duì)稱施工，分層回填，每層厚度不大于20 cm。

c.管涵兩側(cè)50 cm范圍內(nèi)采用小型機(jī)械夯實(shí)，50 cm范圍內(nèi)采用壓路機(jī)壓實(shí)，管底下方粗砂用“水密法”振蕩器振實(shí)或采用截面15 cm×15 cm的木棒夯實(shí)。

d.管涵上方填土?xí)r，管內(nèi)設(shè)置一排豎向和橫向十字臨時(shí)支撐，防止其在填土過程中產(chǎn)生變形。管內(nèi)臨時(shí)支撐應(yīng)在填土不再下沉后方可拆除。

2.4 沉降變形觀測(cè)

為有效跟蹤研究鋼波紋管涵洞在施工過程中及工后隨路基沉降而發(fā)生發(fā)展的變形過程，現(xiàn)場(chǎng)聘請(qǐng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)已施工4座鋼波紋管涵洞均進(jìn)行了沉降變形觀測(cè)。每個(gè)涵洞分別在進(jìn)口、涵中心及出口設(shè)計(jì)1個(gè)觀測(cè)斷面。觀測(cè)頻率為涵背回填期間1次/d，通過觀測(cè)，管內(nèi)十字臨時(shí)支撐對(duì)控制管體自身變形有很好的作用，鋼波紋管管體變形極小，不影響涵管防滲水功能。

涵洞回填完成后，涵管沉降主要為隨路基整體沉降和局部不均勻沉降而發(fā)生的彎曲變形。觀測(cè)頻率為涵背回填期間1次/7 d，通過現(xiàn)場(chǎng)涵洞施工完成后7月～12月底共計(jì)約6個(gè)月的沉降觀測(cè)，涵洞最大沉降為2.6 cm。此時(shí)涵身管節(jié)法蘭連接處最大縫隙為5 mm，與沉降觀測(cè)初期相比未發(fā)生明顯變化，分析原因?yàn)椴y管的軸向位移大于普通圓管，表現(xiàn)出波紋管具有軸向補(bǔ)償位移的功能，保證了管節(jié)法蘭連接處可以滿足防水要求。具體沉降觀測(cè)結(jié)果見表8。

表8 沉降觀測(cè)結(jié)果

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.1 縮短施工工期

根據(jù)霍永高速公路西段工程進(jìn)度報(bào)表分析，在不同的設(shè)計(jì)孔徑、相似的施工條件、同樣的施工班組施工的情況下，不同混凝土板涵與鋼波紋管涵施工工期比較結(jié)果見表9。

表9 不同混凝土板涵與鋼波紋管涵施工工期比較結(jié)果

通過比較，由于鋼筋混凝土蓋板涵因混凝土養(yǎng)護(hù)并形成強(qiáng)度需要一定時(shí)間，而采用鋼波紋管涵則不需要等待涵身形成強(qiáng)度。且部分鋼筋混凝土蓋板涵可能因蓋板預(yù)制不及時(shí)等因素在一定程度上影響到涵洞施工工期。因此，通常情況下，采用鋼波紋管涵比采用鋼筋混凝土涵洞約可以縮短近一半的施工工期是可能的。

3.2 工程造價(jià)適宜

根據(jù)霍永高速公路西段工程造價(jià)分析，在同樣的填高、同樣的施工班組施工的情況下，不同混凝土板涵與鋼波紋管涵施工造價(jià)比較結(jié)果見表10。

表10 不同混凝土板涵與鋼波紋管涵施工造價(jià)比較結(jié)果

根據(jù)霍永高速公路西段6座混凝土蓋板/箱涵變更為鋼波紋管涵的設(shè)計(jì)變更批復(fù)結(jié)果對(duì)比分析，同樣孔徑的鋼波紋管涵洞每延米造價(jià)與鋼筋混凝土蓋板涵工程造價(jià)相近。

3.3 地基適應(yīng)能力強(qiáng)

霍永高速公路西段混凝土蓋板施工地基基礎(chǔ)承載力要求不低于250 kPa，對(duì)于霍永高速公路西段全線濕陷性黃土分布較廣的現(xiàn)狀而言，意味著許多涵洞不得不采用強(qiáng)夯、重夯，換填碎石甚至樁基處理等方式進(jìn)行地基加固處理。而采用鋼波紋管涵洞對(duì)地基承載力等要求則相對(duì)較低。

3.4 提高行車舒適性

一般鋼筋混凝土涵洞的基礎(chǔ)為混凝土或片石混凝土等剛性基礎(chǔ)，其沉降量和路基的沉降量存在差異，而波紋管的基礎(chǔ)采用柔性材料沙礫或碎石土，其屬于無基礎(chǔ)涵洞，建成后和路基的沉降是一致的，且鋼波紋管涵是一種柔性結(jié)構(gòu)，波紋管在結(jié)構(gòu)上具有橫向補(bǔ)償位移的優(yōu)良特性，可充分發(fā)揮鋼材抗拉性能強(qiáng)、變形性能優(yōu)越的特點(diǎn)，具有較大的抗變形和抗沉降能力，能有效解決由于鋼筋混凝土涵洞的沉降與路基的沉降不一致的問題，因而避免了橋臺(tái)跳車現(xiàn)象，提高了行車的舒適度與安全性。

3.5 生態(tài)環(huán)保效果好

鋼波紋管涵主體全部用鋼材制成，只是構(gòu)造物的洞口部分使用一些片石等建材，采用鋼波紋管減少或根本舍棄了常規(guī)建材，如水泥、黃砂、石子、木材的使用，對(duì)周圍施工環(huán)境的破壞少，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

4 結(jié)語

鋼波紋管涵具有卓越的路用性能，尤其是對(duì)地基要求低、施工簡(jiǎn)易、能快速安裝、大大縮短工期是普通涵管無法相比的。相信隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快發(fā)展和交通工程的需要，波紋鋼管涵洞將在中國的公路工程建設(shè)中得到更廣泛的推廣運(yùn)用。

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