黃土地區(qū)高速公路涵洞病害調(diào)查及分析

趙建斌， 李萬(wàn)樂(lè)， 申俊敏， 董立山

(1.山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006；2.榮盛房地產(chǎn)發(fā)展股份有限公司， 河北 廊坊 065001)

涵洞作為高速公路跨越溝谷、河流、人工渠道以及排除路基內(nèi)側(cè)邊溝水流的構(gòu)造物，是公路的重要組成部分。但由于黃土地區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，黃土物理力學(xué)性質(zhì)特殊，造成了涵洞選址、洞身結(jié)構(gòu)和地基設(shè)計(jì)的困難，其中任何一項(xiàng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)引起各種不同程度的涵洞病害。這些病害輕則引起涵洞開裂、滲漏或積水，重則使涵洞結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重影響高速公路正常運(yùn)營(yíng)。同時(shí)由于涵洞屬于隱蔽工程，且沿線數(shù)量較多，在高速公路的日常檢查維護(hù)中經(jīng)常被忽略，病害不易被發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)時(shí)問(wèn)題已較為嚴(yán)重，再進(jìn)行維護(hù)修補(bǔ)需要花費(fèi)更多的人力物力[1，2]。

目前，有學(xué)者針對(duì)高速公路涵洞病害開展了大量而細(xì)致的調(diào)查工作。顧安全在對(duì)303座涵洞調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生開裂的涵洞數(shù)量達(dá)到了63.5%；李彥武對(duì)黃土地區(qū)公路病害進(jìn)行了全面調(diào)研，結(jié)合黃土地區(qū)氣候地質(zhì)條件分析認(rèn)為，黃土地區(qū)涵洞的主要病害是基礎(chǔ)下沉、沖刷，涵洞淤積、沖毀及溯源侵蝕等[3]；趙立巖對(duì)三級(jí)及三級(jí)以下各類公路的混凝土圓管涵進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)涵洞在公路運(yùn)營(yíng)后不久便發(fā)生各種不同程度的病害，其中約有8%的涵洞需要修復(fù)[4]；戴鐵丁針對(duì)高速公路涵洞常發(fā)生的開裂、錯(cuò)位、滲漏水等病害，對(duì)四川、陜西、甘肅、云南的代表性高等級(jí)公路涵洞病害開展了調(diào)查研究工作，歸納了涵洞病害類型，并提出相應(yīng)處置對(duì)策[5]。雖然上述文獻(xiàn)對(duì)公路涵洞病害進(jìn)行了全面調(diào)研和分析，但都未針對(duì)黃土地區(qū)特殊地質(zhì)條件，從涵洞設(shè)計(jì)、施工等方面對(duì)涵洞病害進(jìn)行詳盡分析并形成系統(tǒng)結(jié)論。

山西省山區(qū)面積約占全省總面積的80%以上，是典型的黃土廣泛覆蓋的山地高原，境內(nèi)高速公路橋涵數(shù)量眾多，分布廣泛。本文對(duì)山西省內(nèi)已建的數(shù)條高速公路涵洞病害開展了詳細(xì)的調(diào)研工作，主要路線包含太舊高速、大運(yùn)高速、太佳高速、汾離高速、離軍高速和平陽(yáng)高速，其中太舊高速為山西省內(nèi)建成通車的第一條高速公路，也是中國(guó)第一條山嶺高速公路，路線所經(jīng)山西東部的黃土高原與太行山脈兩大地貌地帶，而新近建成通車的平陽(yáng)高速也位于晉東地區(qū)；大運(yùn)高速由北至南貫穿山西省全境，全線約1/4的里程處在山嶺重丘區(qū)；汾離高速、離軍高速、太佳高速則位于山西省西部，該地區(qū)屬于典型黃土高原地形。本次調(diào)研樣本基本覆蓋山西省全境，調(diào)研成果可為黃土地區(qū)高速公路涵洞設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 調(diào)研概況

黃土高原溝壑縱橫，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，相比一般山區(qū)高速公路每公里平均4～6座的分布密度，黃土地區(qū)涵洞數(shù)量可以達(dá)到每公里6座以上，且高填方涵洞占很大一部分比例；同時(shí)黃土地區(qū)為典型的半干旱大陸季風(fēng)氣候，降水集中且強(qiáng)度大，黃土的抗沖蝕性差，涵洞及其附屬設(shè)施水毀現(xiàn)象極為嚴(yán)重。因此涵洞的選型選址以及結(jié)構(gòu)地基設(shè)計(jì)都對(duì)涵洞耐久性有很大影響，處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致各種涵洞病害的發(fā)生。

本次調(diào)研采用實(shí)地踏勘方式對(duì)山西省數(shù)條高速公路的86個(gè)涵洞進(jìn)行了調(diào)查，涵洞類型包括拱涵、蓋板涵和箱涵，其中發(fā)現(xiàn)有31座涵洞存在不同程度的病害，涵洞病害較為普遍。其中高填方涵洞多采用拱涵、箱涵形式，而填方高度較低且有車輛通行要求時(shí)一般采用蓋板涵，因此涵洞類型以及受力形式的差異造成了涵洞病害也呈多樣性特點(diǎn)，表1給出了歸納整理后的涵洞病害調(diào)研結(jié)果。

表1 病害調(diào)查匯總

2 病害特點(diǎn)及分析

2.1 洞身開裂

黃土沖溝多狹而深，因此高速公路采用填方路堤形式跨越?jīng)_溝時(shí)填方高度一般都較大，此時(shí)在路堤下方設(shè)置涵洞時(shí)多采用混凝土拱涵，涵洞主要承受上部填土荷載作用，并與路堤填土、地基構(gòu)成一個(gè)相互協(xié)調(diào)、相互影響的作用體系。在現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中，涵頂垂直土壓力采用線性土壓力計(jì)算方法，而由于一般涵洞都屬于剛性結(jié)構(gòu)，其剛度遠(yuǎn)大于兩側(cè)填土剛度，因此涵洞上方填土在涵頂平面形成沉降差，并造成涵頂土應(yīng)力集中(圖1)。因此現(xiàn)行規(guī)范的土壓力計(jì)算方法不能準(zhǔn)確反映涵頂實(shí)際受力情況，從而異致高速公路中很多高填方涵洞都出現(xiàn)了開裂問(wèn)題。

圖1 填方路堤下拱涵受力分布

圖2為填方路堤下的混凝土拱涵，涵洞高5.5 m，寬5 m，路堤坡面采取了全封閉防護(hù)。雖然該涵洞填土高度只有8 m，遠(yuǎn)未達(dá)到高填方路堤標(biāo)準(zhǔn)，但仍出現(xiàn)了沿拱圈的環(huán)向裂縫及拱腳部位的縱向裂縫(圖3)。這是由于涵洞自身高度較大，從而產(chǎn)生更大的填土土層在涵頂平面的沉降差，致使涵頂土壓力集中現(xiàn)象更加明顯，并可能超出涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，導(dǎo)致拱圈開裂。

圖2 高速公路混凝土拱涵

同時(shí)當(dāng)涵洞上方填土高度較大時(shí)，涵洞側(cè)墻及翼墻需要承受較大的側(cè)向土壓力荷載，并導(dǎo)致涵洞側(cè)墻及翼墻出現(xiàn)沿涵洞軸線方向的水平向裂縫；而當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時(shí)，特別是在涵洞洞口處，會(huì)使涵洞側(cè)墻發(fā)生剪切破壞，并且裂縫與水平方向呈一定角度(圖3)。

圖3 涵洞不同部位裂縫情況

在一些填土高度較低的平坦地區(qū)，多采用混凝土蓋板涵或箱涵作為過(guò)水或行人通道，此時(shí)涵洞主要承受上部車輛荷載。黃土地區(qū)是我國(guó)重要的煤炭能源基地，且煤炭外運(yùn)以公路為主，因此高速公路通行車輛中重載運(yùn)煤車輛所占比例較高。由于在涵洞設(shè)計(jì)時(shí)未能充分考慮重載車輛作用，致使涵洞蓋板出現(xiàn)開裂。

圖4 蓋板開裂

從圖4可以看出，對(duì)應(yīng)大型車道下方的蓋板出現(xiàn)了數(shù)條橫向裂縫；同時(shí)蓋板跨中撓度過(guò)大則會(huì)造成涵洞上方瀝青混凝土路面產(chǎn)生龜裂、坑槽(圖5)，浸水后會(huì)加重路面破損狀況，降低路面使用壽命。

圖5 涵洞上方路面破損

2.2 臺(tái)背處不均勻沉降

涵洞洞身與兩側(cè)臺(tái)背填土之間存在剛度差異，因此會(huì)在其交界處產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致其上方路面形成一條或數(shù)條橫向裂縫(圖6)，并會(huì)伴隨跳車現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖6 涵洞臺(tái)背交界處的路面裂縫

雖然在目前高速公路涵洞設(shè)計(jì)過(guò)程中都要求對(duì)臺(tái)背填土進(jìn)行處理，有的甚至加鋪了土工格柵，但依然無(wú)法避免此類病害的發(fā)生。在經(jīng)調(diào)研的高速公路中，幾乎所有涵洞臺(tái)背交接處都存在這樣的裂縫，并且有些裂縫經(jīng)擴(kuò)展后形成大面積的破損面(圖7)，經(jīng)多次修補(bǔ)后仍不能完全修復(fù)，嚴(yán)重影響高速公路行車質(zhì)量。

圖7 經(jīng)修補(bǔ)后的路面破損面

2.3 涵洞淤塞積水

由于涵洞地基處理不當(dāng)引起的涵洞地基下沉、錯(cuò)臺(tái)和洞口壅水，都會(huì)造成涵洞內(nèi)部積水(圖8(a))，積水沿涵洞基礎(chǔ)施工縫滲入地基，進(jìn)一步降低地基強(qiáng)度，使涵洞的不均勻沉降更為嚴(yán)重，并有可能造成涵洞破壞。

同時(shí)由于黃土高原地表徑流夾帶大量泥沙，特別是在暴雨集中季節(jié)，這些泥沙在涵洞內(nèi)部沉積造成淤堵(圖8(b))，減小了涵洞過(guò)水面積，降低了排水效率，如不及時(shí)清理，甚至?xí)购词ヅ潘δ堋?/p>

圖8 涵洞淤塞積水

2.4 涵洞滲漏水

涵洞特別是蓋板涵在墻板搭接處連接不緊密，未用瀝青麻絮填塞，在路堤填方高度較低的情況下，雨水能直接從縫隙中滲入涵洞，侵蝕混凝土墻面，降低涵洞洞身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，留下安全隱患。

圖9 涵洞蓋板下漏水

2.5 護(hù)坡破壞

當(dāng)涵洞尺寸較大且兩側(cè)填土高度較高時(shí)多采用漿砌片石錐形護(hù)坡，但在護(hù)坡設(shè)計(jì)以及施工時(shí)，往往忽略了護(hù)坡坡腳以及護(hù)坡與邊坡交界處的處理，如護(hù)坡接縫處封閉不嚴(yán)留有縫隙，護(hù)坡基礎(chǔ)不按最大沖刷和最大凍深確定其埋置深度，涵洞洞口鋪砌面短，隔水墻外的溝渠底部未有效加固等，

圖10 涵洞護(hù)坡破壞

都可能造成涵洞護(hù)坡及排水溝水毀破壞。而黃土抗沖刷性較差，涵洞護(hù)坡一旦出現(xiàn)局部破壞，往往會(huì)在該部位迅速擴(kuò)展，較為嚴(yán)重時(shí)甚至可能影響到整個(gè)填方路堤的穩(wěn)定性。

3 病害原因匯總

從以上調(diào)研結(jié)果可以看出，涵洞病害在黃土地區(qū)高速公路中普遍存在，且類別較多，對(duì)高速公路的正常運(yùn)營(yíng)造成極大影響。但通過(guò)匯總分析，可將涵洞病害原因歸結(jié)為以下幾個(gè)方面。

3.1 涵洞選址設(shè)計(jì)

黃土地區(qū)溝壑縱橫，地勢(shì)起伏，高速公路往往采用填方方案跨越數(shù)量眾多的黃土沖溝。這些沖溝是黃土高原的匯水排水通道，同時(shí)由于黃土的水敏性，在雨季時(shí)仍會(huì)不斷發(fā)育。因此在涵洞選址時(shí)既要盡量保持沖溝的天然水流狀態(tài)，還要考慮到其未來(lái)的發(fā)育情況，如若選址不當(dāng)，無(wú)法發(fā)揮出涵洞應(yīng)有的排水作用，極有可能造成涵洞洞外排水，導(dǎo)致路基土強(qiáng)度下降，路面下沉，更有甚者在水流侵蝕作用下造成路面結(jié)構(gòu)下部脫空，并可能引發(fā)路基塌陷。而在高速公路設(shè)計(jì)過(guò)程中由于沿線涵洞數(shù)量眾多，且并非一些關(guān)鍵性的控制工程，因此涵洞設(shè)計(jì)往往難以引起重視。設(shè)計(jì)人員對(duì)地勘資料研究不夠透徹，涵洞布設(shè)位置、排水路徑、砌護(hù)方式設(shè)計(jì)不合理，造成涵洞無(wú)法發(fā)揮出應(yīng)有的排水作用，并最終導(dǎo)致涵洞病害的發(fā)生。

3.2 涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速公路涵洞設(shè)計(jì)時(shí)采用的部頒標(biāo)準(zhǔn)圖填土高度適用范圍只有7 m，當(dāng)填土高度超過(guò)7 m后則采用現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中的線性土壓力計(jì)算方法計(jì)算涵洞填土荷載，但該算法忽略了由于涵洞與周圍填土存在剛度差異造成的涵管頂部的垂直土壓力集中，導(dǎo)致涵洞設(shè)計(jì)荷載小于其實(shí)際受到的真實(shí)荷載[6]；同時(shí)為滿足高填方涵洞的地基承載力要求而提高涵洞地基強(qiáng)度，反而會(huì)加劇涵頂土壓力集中現(xiàn)象，并可能造成涵洞結(jié)構(gòu)破壞。因此在涵洞填土荷載計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮涵洞洞身、路堤填土以及涵洞地基構(gòu)成的相互協(xié)調(diào)、相互影響的作用體系，使計(jì)算結(jié)果更加精確合理，從而保證涵洞結(jié)構(gòu)安全及正常使用。

而當(dāng)填土高度較低時(shí)，涵洞主要承受車輛荷載作用，山西省作為產(chǎn)煤大省，運(yùn)煤車輛重載甚至超載現(xiàn)象嚴(yán)重，一些地區(qū)10 t以上重型貨車的超載比例在40%以上，某些路段更是達(dá)到80%，而部頒標(biāo)準(zhǔn)圖只是按照一般車輛荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，因此涵洞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)法滿足車輛荷載要求，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生。

3.3 施工因素

在涵洞施工過(guò)程中由于地形、材料、工期限制等經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)違規(guī)操作情況，如涵洞施工過(guò)程中接縫未用瀝青麻絮填塞，混凝土澆筑時(shí)未充分振搗密實(shí)，為趕工期在混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)就開始填土，臺(tái)背兩側(cè)非對(duì)稱填土導(dǎo)致涵洞偏壓等，這些因素可能在涵洞施工期便導(dǎo)致病害的發(fā)生，有些則在涵洞今后的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中留下安全隱患。

3.4 其他因素

黃土具有強(qiáng)烈的水敏性，特別是在暴雨季節(jié)從梁峁頂流向溝底的徑流夾帶大量泥沙能夠形成能量巨大的溝道洪水，引起更加強(qiáng)烈的土壤侵蝕，溝底地形條件也因此變化劇烈，如果涵洞防護(hù)措施不夠完善，極易造成涵洞及其附屬設(shè)施的水毀破壞；同時(shí)由于涵洞屬于隱蔽工程，涵洞病害發(fā)生后往往無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)過(guò)了最佳的修補(bǔ)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，導(dǎo)致病害進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié) 論

此次調(diào)研活動(dòng)對(duì)山西省內(nèi)多條高速公路的涵洞病害狀況進(jìn)行了歸納和分析，探討了病害產(chǎn)生原因，并得出以下主要結(jié)論：

(1)在黃土地區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中，涵洞是最為重要的排水構(gòu)造物，且數(shù)量巨大。由于設(shè)計(jì)施工等方面原因?qū)е碌暮撮_裂、地基沉降、滲漏水等病害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了高速公路的正常運(yùn)營(yíng)；

(2)涵洞病害產(chǎn)生的原因是多方面的，為減少病害的發(fā)生，在涵洞選址時(shí)要充分分析周邊地形地貌條件的影響，涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則要考慮其真實(shí)受力狀況，使涵洞選型、選址以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理；在施工過(guò)程中則要嚴(yán)格控制工序，確保施工質(zhì)量；

(3)由于資料收集不夠完整，再加上地形條件的限制，使得無(wú)法對(duì)調(diào)研高速公路上的每座涵洞都進(jìn)行病害調(diào)查，因此調(diào)研工作具有一定的隨機(jī)性，調(diào)研過(guò)程中可能存在遺漏。

[1] Chen Baoguo,Zheng Junjie,Lu Yan’er. Study on soil-structure interaction of unsymmetrical trench installation culvert[J]. Journal of Southeast University (English Edition), 2009,25(1):94-99.

[2] 馬 強(qiáng), 鄭俊杰, 張 軍. 山區(qū)涵洞受力影響因素的數(shù)值模擬分析[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009, 32(10):1514-1517.

[3] 顧安全. 上埋式管道及洞室垂直土壓力的研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1981, 3(1): 3-15.

[4] 趙立巖. 混凝土圓涵洞的病害分析及預(yù)防[J].公路,2001,(11):60-62.

[5] 戴鐵丁. 公路涵洞病害處治技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué), 2005.

[6] JTG D60-2004， 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].