多孔大直徑鋼波紋管涵施工工藝研究

姜永昌，張 鵬，李凌宜

（1.邯鄲市交通運輸局，河北 邯鄲 056000；2.北京市政路橋股份有限公司，北京 100068）

多孔大直徑鋼波紋管涵施工工藝研究

姜永昌1，張 鵬2，李凌宜2

（1.邯鄲市交通運輸局，河北 邯鄲 056000；2.北京市政路橋股份有限公司，北京 100068）

針對涵洞施工較繁瑣，工期較長，以及涵身結(jié)構(gòu)易破壞、工后涵頭變形、跳車等問題，通過結(jié)合武安市營玉公路涵洞工程，以鋼波紋管替換鋼筋混凝土，從拼裝工藝、管周回填、施工機械荷載控制及洞口擋墻等方面出發(fā)，總結(jié)了多孔大直徑鋼波紋管涵的施工工藝，同時對各類施工工藝進行分析，為今后類似工程提供了參考依據(jù)。

鋼波紋管；涵洞；施工工藝；多孔大直徑

0 引 言

涵洞工程一般采用鋼筋混凝土和圬工砌體涵洞，其缺點在于設(shè)計、施工較繁瑣，且從基坑開挖到通車所需工期較長，同時高填方涵洞還存在涵身結(jié)構(gòu)易破壞、工后涵頭變形跳車等問題。采用鋼波紋管代替鋼筋混凝土進行涵洞施工在國內(nèi)是一項新技術(shù)，鋼波紋管涵洞以性能穩(wěn)定、安裝方便、有利環(huán)保、造價低等優(yōu)點在公路施工中可代替鋼筋混凝土涵洞。尤其在山區(qū)施工時，路線經(jīng)過溝谷多，采用混凝土施工工期長、難度大，而采用鋼波紋管結(jié)構(gòu)則可以解決此難題。

中國的鋼波紋管涵的設(shè)計與應(yīng)用尚處于起步階段。改革開放后，深圳及大同煤礦均進口過成品波紋管用于涵洞工程［1］，至20世紀90年代末國內(nèi)才逐步開展公路鋼波紋管涵洞的應(yīng)用及研究、生產(chǎn)。2007年公路涵洞設(shè)計細則已將鋼波紋管納入其中，鋼波紋管涵適用于地基承載力較低或有較大沉降與變形的路基［2］；2008年交通運輸部公路司已制定了公路橋涵用波形鋼板國家標準，鋼波紋管正面臨標準化、規(guī)范化的發(fā)展趨勢。國內(nèi)鋼波紋管直徑一般小于2m，雖然有接近4m的應(yīng)用經(jīng)驗，但是對于不同埋深、不同布設(shè)下大型鋼波紋管涵的結(jié)構(gòu)受力分析與工程應(yīng)用有待于進一步研究。中交一勘院李祝龍等雖提出了基于有限元計算的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法，但主要是針對直徑小于2m的波紋管涵進行的研究［3］。因此本文結(jié)合武安市營玉公路工程項目，通過對大直徑波紋管的研究，總結(jié)了大直徑鋼波紋管施工工藝，對于今后類似工程的施工有所幫助。

1 工程概況

武安市營玉一級公路采用雙向四車道標準建設(shè)，設(shè)計時速為80km，路基采用整體式斷面，寬度為27.5m，行車道寬度為3.75m，中間帶寬度為2m，全線采用瀝青混凝土路面面層。全線設(shè)大、中橋，橋面凈寬與路面相同，涵洞與路基同寬，設(shè)計洪水頻率為1／100，汽車荷載為公路I級。工程共有17道鋼波紋管，最小孔徑為1m，最大孔徑為6m。其中崇義中橋段則是以直徑6m的三孔鋼波紋管涵并排代替了原有公路橋梁，如圖1所示。本涵洞為拼裝鋼波紋管涵洞，波紋管波高55mm，波長200mm，采用Q235A熱軋鋼板制成。

圖1 三孔6m鋼波紋管斷面

2 波紋管拼裝工藝

以崇義橋為例，根據(jù)施工進度提前將波紋板運至施工現(xiàn)場，拼裝前，準備好安裝工具，包括起吊設(shè)備、套筒扳手、定制呆板、定扭電動扳手、定扭扳手，并備足腳手架、跳板及電源。

波紋管拼裝過程如下。

（1）安裝前工作。檢查鋼質(zhì)波紋板涵洞底部平整度、水平、標高；核對土建基準，確定涵管的位置、中心軸線、中點。

（2）拼裝底板。以中心軸線、中點為基準，定位第一張波紋板，以此為起點向兩側(cè)延伸，直至兩端；圓周向搭接長度為50mm，第二張板疊在（搭接部分）第一張板上面，對正連接孔；在螺栓的螺紋上涂抹潤滑劑，套上墊圈由內(nèi)向外插入孔位，對面套上墊圈旋上螺母，用套筒扳手預緊螺母。

（3）拼裝環(huán)形圈。由下向上順次拼裝，軸向搭接寬度為120mm，搭接部分上板覆蓋下板，圓周向連接采用階梯形，即上面二塊板的連接疊縫與下面二塊板的疊縫錯位；連接孔對正后，用涂上潤滑劑的螺栓，套上墊圈（遇谷用凸墊，遇峰用凹墊，不得裝反）由內(nèi)向外插入孔位，用套筒扳手預緊螺母（圖2）。

圖2 波紋管拼裝施工

（4）圓周向拼裝波紋管時，要測量一次截面形狀，達到標準再繼續(xù)拼裝，達不到標準應(yīng)及時調(diào)整。圓周向拼裝到環(huán)形圈合攏時，測定截面形狀，采用定位位桿固定，調(diào)整預緊螺栓，拼裝頂部第一塊波紋板。

（5）涵管拼裝全部完成后，用定扭電動扳手按預緊力扭矩340±70N·m依次序緊固所有螺栓，不得遺漏，緊固后底螺栓用紅漆標示。所有螺栓（包括縱向和環(huán)向接縫）應(yīng)在回填之前擰緊，保證波紋的重疊部分緊密地嵌套在一起。

（6）為了保證螺栓扭矩達到要求值，在回填之前隨機抽取波紋管縱向接縫上2%的螺栓，用定扭扳手，定預緊力扭矩340±70N·m，進行抽檢試驗。如果有任一試驗值超過了給定的扭矩范圍，則應(yīng)抽檢縱向和環(huán)向接縫所有螺栓數(shù)量的5%。如果上述試驗90%以上滿足要求，則認為安裝是合格的，否則應(yīng)重新復核設(shè)計，以確定得到的扭矩值是否滿足要求。

（7）鋼制波紋板涵管外圈搭接處預緊力扭矩符合要求后，可用環(huán)氧樹脂砂漿封填，以防止波紋板連接處滲水。

（8）涂刷瀝青。一般情況下，可在內(nèi)外管壁噴涂一道含有石棉纖維的厚瀝青或涂涮2遍瀝青與煤油的拌和物，以加強防腐蝕作用，如圖3所示。其中兩種涂涮劑的配合比和涂刷方法如下。

圖3 波紋管涂刷瀝青防腐處理效果

第一種是含有石棉纖維的厚瀝青涂料。涂料的溶劑是高質(zhì)量的瀝青，石棉粉的含量不小于30%。噴涂方法：可用氣壓噴涂或毛刷涂刷，每次噴涂層厚7～8mm，噴涂用量為l kg·m－2左右。被噴涂物表面應(yīng)特別干爽，無油污。涂刷在廢水浸泡或常水位以下部分的涵管。

第二種是瀝青與煤油的拌和物涂料。涂料瀝青與煤油之配合比為54∶46，使用此涂料時應(yīng)涂刷2遍，使涂刷層總厚度達到0.4～0.5mm，涂刷用量為0.6kg·m－2。有條件時用噴槍噴涂效果更好，涂刷部位與上述相同。

3 波紋管周回填技術(shù)

3.1 基礎(chǔ)材料選用

由于鋼制波紋涵管為金屬結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)變形能力較強，因此其對基礎(chǔ)材料的要求相對不高，宜采用砂礫換填，不宜采用混凝土等剛性基礎(chǔ)，而在膨脹土濕陷性黃土等地區(qū)應(yīng)根據(jù)需要做好基礎(chǔ)隔水處理。基礎(chǔ)材料最好采用有一定級配的天然砂礫，最大粒徑不宜超過50mm，0.074mm以下的粉黏粒含量不得超過30%，同時還應(yīng)滿足施工壓實要求、填料最小強度要求、最大粒徑要求和地基基礎(chǔ)的抗凍要求。

3.2 填土材料

選擇填料一般既要考慮到對波紋管的應(yīng)力、變形協(xié)調(diào)性和沉降變形量的影響，還要考慮其施工方便性與經(jīng)濟合理性。隨著填料的增強（剛度增加），其對內(nèi)部波紋管的應(yīng)力分擔性也明顯增加，波紋管的應(yīng)力水平也相應(yīng)降低。特別是當填料增強到混凝土水平時，剛波紋管的內(nèi)力被極大地減弱，應(yīng)力也得到很好的優(yōu)化。由此，從波紋管受力優(yōu)化的角度上說，管側(cè)填料以強剛度為佳。但是從管的變形協(xié)調(diào)性的角度上看，剛度越大，其變形協(xié)調(diào)性就越差。不過波紋管應(yīng)力和變形協(xié)調(diào)只是填料選擇需要考慮的個別因素，最要的是填料的施工和易性與經(jīng)濟性。在考慮施工和經(jīng)濟等因素的基礎(chǔ)上，推薦選用沉降量較小和變形協(xié)調(diào)性較好的材料，如砂礫、碎石等。

鋼波紋管涵洞拼裝并鋪設(shè)完成后，管身楔形部分應(yīng)采用砂類土、礫類土回填，涵管頂部與兩側(cè)填土采用現(xiàn)場可利用的土質(zhì)即可，但砂類土、礫類土是回填最理想的填土材料，也可采用碎石或礫、卵石與細粒土的混合料。當細粒土為粘性土或粉土時，所摻入的石料體積應(yīng)占總體積2／3以上。距鋼波紋管30cm范圍內(nèi)的填料，不得有尺寸超過8cm的石塊或混凝土塊、凍土塊、高塑性粘土塊或其他有害物質(zhì)。

3.3 波紋管涵基礎(chǔ)預拱度及墊層

基礎(chǔ)砂墊層必須有足夠的穩(wěn)定性和均勻性，應(yīng)采用級配良好的砂礫；基礎(chǔ)表面還應(yīng)設(shè)置一層10cm厚的均勻墊層，其最大粒徑為12mm。回填基礎(chǔ)砂礫時，應(yīng)分層壓實至基礎(chǔ)設(shè)計頂面高程，壓實度不小于97%。若涵洞經(jīng)過不良地質(zhì)，還需進行必要的換填處理，換填厚度不能小于30cm。當遇到凍脹、軟弱土層時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，加大換填深度或整體換填，換填材料中粘性土或粉土含量不能大于5%。

埋設(shè)于一般土質(zhì)地基上的波紋管，經(jīng)過一段時間后，常會出現(xiàn)一定的下沉，而且往往是管道中部下沉量大于兩端。因此，考慮到水流的要求和結(jié)構(gòu)的整體性，應(yīng)該設(shè)置基礎(chǔ)的縱向預拱。預拱度大小根據(jù)地基土可能出現(xiàn)的下沉量、涵底縱坡和填土高度等因素綜合考慮，一般為管長的0.5%。根據(jù)設(shè)計和規(guī)范要求，涵洞進出口應(yīng)采取相應(yīng)的基礎(chǔ)處理措施。

3.4 管底兩側(cè)楔形部位

管底兩側(cè)楔形部位的填筑可采用以下5種方案。（1）采用粗沙“水密法”振蕩器密實。

（2）采用級配良好的天然砂礫（含水量要求比最佳含水量大2%左右），人工采用截面大小為15cm×15cm的木棒在管身外向內(nèi)側(cè)進行夯實，單次沖擊力要達到9kg，木棒作用點必須緊貼管身，每個凹槽部位都必須夯實到位。

（3）采用液態(tài)粉煤灰回填。（4）采用輕型混凝土回填。

（5）采用最大粒徑不超過3cm的級配碎石回填。然后用小型夯實機械斜向夯實，確保管底的回填質(zhì)量。

3.5 管體兩側(cè)回填及頂部回填要求

在對鋼波紋管進行數(shù)值模擬分析可知，回填施工順序與結(jié)構(gòu)受力密切相關(guān)，不合理且不平衡的施工很容易造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)較大的內(nèi)力，該內(nèi)力即使在管側(cè)填平后也不容易分散，所以管側(cè)回填要重點關(guān)注平衡的分層施工。如果不能保證完全的平衡施工時，需要在現(xiàn)場監(jiān)測和理論分析允許的基礎(chǔ)上，考慮采用不對稱施工或交叉施工。另外，結(jié)構(gòu)分析中也可注意到施工荷載對結(jié)構(gòu)的受力影響較大，特別是在覆土層較薄的時候。

通過對高填方路基下波紋管和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果分析，可知：隨著填土厚度增加，管身所受應(yīng)力逐漸增加，但達到一定厚度（直徑5m的波紋管，填土厚達到13m）后，管身所受的應(yīng)力基本不再變或略有增加；管身最大應(yīng)力位于管體兩側(cè)3／4管身高度處，同時填土對波紋管的受力影響范圍在管頂上方60°范圍內(nèi)。所以建議在管頂60°范圍內(nèi)謹慎使用重型壓路機，小型壓路機的推薦最小覆土層厚為1m。

回填時還有以下一些要注意的方面。

（1）填筑前在管節(jié)兩側(cè)用紅色油漆按每20cm高度標注，填筑時按標注線控制。

（2）涵管兩側(cè)部位的回填采用級配良好的天然砂礫或級配碎石。

（3）管身最大直徑兩側(cè)，50cm外使用小型壓路機碾壓，50cm范圍內(nèi)使用小型夯實機械夯實，以避免壓路機等大型機械設(shè)備對管涵的撞擊，也避免壓路機對管涵產(chǎn)生過大的土壓力（圖4）。

圖4 管間填料夯實作業(yè)

（4）填筑時應(yīng)分層填筑、分層壓實，每層壓實后的厚度為20cm，壓實度要求達到95%方可進行下層填筑。

（5）填筑必須在涵管兩側(cè)同步對稱進行，兩側(cè)的回填土高差不得大于30cm。

（6）管體兩側(cè)及頂部20m范圍內(nèi)不允許使用強夯機械。

4 施工機械荷載控制

當進行管頂填土時，施工荷載（壓路機施加）對于填土層下的波紋管有較明顯的影響，該影響越到底層越明顯。當該壓路機直接作用在側(cè)邊管管頂時，在作用點處呈現(xiàn)了極大的剪應(yīng)力，極易引起管頂?shù)那?。壓路機荷載對管周的影響主要呈現(xiàn)出以作用點（或投影點）為中心，向兩邊遞減的特點。較為集中的影響范圍為管頂60°（左右30°）范圍內(nèi)，而其他部分的影響較為均勻。當填土層達到2m時，壓路機荷載的最大影響已經(jīng)降到原應(yīng)力水平的50%以下。由此可見，壓路機荷載對于波紋管影響較大。

基礎(chǔ)應(yīng)采用振動壓實機械進行分層碾壓，且必須保證最小覆土層厚度在1m以上，覆土層越薄，壓實機械需越輕，直到2m以上才可以使用重型壓路機械。每種管徑達到最小覆土厚度后，采用振動式壓路機碾壓。碾壓時應(yīng)根據(jù)回填材料的含水量及擊實曲線進行灑水碾壓，壓實度不得小于規(guī)范要求；構(gòu)造物或路基填土高度較高時（如路基填土高度大于10.0m），需要針對具體情況對基礎(chǔ)承載力做具體要求。涵管兩側(cè)及頂部壓實度與統(tǒng)一標高路基壓實度要求相同。

5 波紋管管口擋墻

鋼制波紋涵管的洞口形式有八字墻式、端墻式、錐坡式、走廊式、傾斜式及直管延長式和簸箕式。應(yīng)根據(jù)河溝水流特點和地形及路基斷面形式，因地制宜地選擇好形式，做好進出口處理，這對于確保涵洞及路基穩(wěn)定水流的暢通有著重要作用。其中八字墻式、傾斜式和直管延長式在波紋管涵洞設(shè)計與施工中最為常用。

八字墻洞口為重力式墻式結(jié)構(gòu)，其特點是：構(gòu)造簡單、建筑結(jié)構(gòu)比較美觀；水力性能較好、施工簡單、工程量較少。常用于平坦順直、縱斷面高差不大的河溝。當墻身較高時（大于5m），圬工體積增加較大，因此不夠經(jīng)濟，此時可以考慮采用傾斜式或直管延長式。

當管徑較大或河溝較寬時，可以將涵管適當延長伸出路基邊坡以外，形成直管延長式洞口。這種洞口不需要對邊坡進行處理，只需要在進出口一定范圍內(nèi)進行鋪砌。涵管兩側(cè)及頂部一定范圍內(nèi)，邊坡回填材料宜采用塊、片石，以預防水流沖刷危及路基。

簸箕式洞口適用于流速較快、流量較大的寬淺河溝，結(jié)構(gòu)相對復雜，水力性能差，其應(yīng)用于特殊的地形。其他形式如端墻式、錐坡式和走廊式構(gòu)造也較為簡單，應(yīng)根據(jù)工程的實際需要進行選擇。

6 結(jié) 語

（1）波紋管填料的選擇一般要考慮到其對波紋管的應(yīng)力、變形協(xié)調(diào)性和沉降變形量的影響，更為重要的是要考慮其施工方便性與經(jīng)濟合理性。在考慮施工和經(jīng)濟等因素基礎(chǔ)上，推薦選用沉降量較小和變形協(xié)調(diào)性較好的材料，如砂礫碎石等。

（2）管側(cè)回填要重點關(guān)注平衡的分層施工。如果不能保證完全的平衡施工時，需要在現(xiàn)場監(jiān)測和理論分析允許的基礎(chǔ)上，采用不對稱施工或交叉施工。

（3）施工荷載對結(jié)構(gòu)的受力影響較大，建議在管頂60°范圍內(nèi)謹慎使用重型壓路機。

（4）管頂填土厚度在2m以下時，盡量不要用重型壓路機（12t以上）；管頂填土厚度在1m以下時，要盡量使用輕型壓路機（6t以下）。

［1］李騰云.黃土地區(qū)高速公路鋼波紋管涵應(yīng)用技術(shù)研究［J］.山西建筑，2013，39（5）：118－120.

［2］李祝龍.鋼波紋管涵設(shè)計與施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］李祝龍，劉百來.薄殼理論在鋼波紋管涵洞力學性能分析中的應(yīng)用［M］.第三屆全國公路科技創(chuàng)新高層論壇論文集（下冊），北京：人民交通出版社，2006.

Research on Construction Technology of Porous Large－diameter Corrugated Steel Pipe Culvert

JIANG Yong－chang1，ZHANG Peng2，LI Ling－yi2
（1.Handan Transportation Bureau，Handan 056000，Hebei，China；2.Beijing Municipal Road ＆Bridge Group Co.Ltd.，Beijing 100068，China）

Aimed at the problems of culvert construction such as long construction period，vulnerable culvert structure，deformation of the culvert front after construction and the bump，corrugated steel pipe was applied to replace the reinforced concrete in the culvert project of Yingyu Highway in Wu'an City.The construction technology of porous large－diameter corrugated steel pipe culvert was summarized in aspects of piecing up，backfill of the perimeter of pipes，load control of construction equipment and the retaining wall at the entrance，which provides reference for similar projects.

corrugated steel pipe；culvert；construction technology；porous and large－diameter

U449.38

B

1000－033X（2015）08－0078－04

2015－01－29

［責任編輯：杜敏浩］