金屬鋼波紋管涵在山區(qū)旅游公路中的應(yīng)用

中鐵十二局集團第四工程有限公司 陜西西安 710000

摘要：金屬鋼波紋管涵是一種柔性結(jié)構(gòu)，波紋管在結(jié)構(gòu)上具有橫向補償位移的優(yōu)良特性，可充分發(fā)揮金屬抗拉性能，具有較大的抗沉降能力，設(shè)計簡單、重量輕、運輸方便、施工簡單、施工工期短、造價低、荷載分布均勻等優(yōu)良特性，因此，金屬波紋管涵在現(xiàn)代公路建設(shè)中受到了青睞。該文以某旅游公路工程實例為研究對象，對金屬波紋管涵的施工工藝、工程造價等方面進行對比研究，發(fā)現(xiàn)該類管涵具有傳統(tǒng)涵洞無可比擬的優(yōu)越性，可為金屬波紋管涵在公路建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：橋涵工程；金屬鋼波紋管涵；受力特性

1 前言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，改革開放的不斷深入，交通運輸事業(yè)的快速發(fā)展，公路工程的建設(shè)速度不斷加快，在建設(shè)過程中，涵洞作為一種重要的和常見結(jié)構(gòu)設(shè)施，通常為滿足排水、通道的要求，多年以來一直采用鋼筋混凝土或圬工結(jié)構(gòu)的涵洞，但該類涵洞存在設(shè)計繁瑣、施工周期長、易出現(xiàn)沉陷及跳車現(xiàn)象等缺點，即使采用鋼筋混凝土管涵也存在管節(jié)組合體及連接部位強度不夠等缺陷；此外，在多年凍土、季節(jié)性凍土、膨脹土、軟土等特殊地區(qū)，鋼筋混凝土涵洞在使用過程中通常出現(xiàn)不同程度的損壞，更為嚴重的是當?shù)鼗蚧A(chǔ)不均勻沉降將導(dǎo)致涵洞的整體破壞，造成路基大范圍的沉陷，給公路行車帶來極為嚴重的安全隱患。亟待出現(xiàn)新的涵洞結(jié)構(gòu)形式解決傳統(tǒng)涵洞所面臨的缺陷。

近年來，新材料、新工藝及新結(jié)構(gòu)的不斷應(yīng)用于公路建設(shè)中，金屬波紋管涵作為新材料及新結(jié)構(gòu)，具有延性好、變形能力強、抗震性能好、能適應(yīng)不同的復(fù)雜地形等優(yōu)點，此外還具有重量輕、設(shè)計簡單、施工技術(shù)難度低及周期短等特點，解決了傳統(tǒng)涵洞所不能解決的問題。

2 金屬鋼波紋管的構(gòu)造及特性

2.1 構(gòu)造形式

金屬鋼波紋管涵一般具有管涵、拱涵及管拱涵三種基本形式，工程應(yīng)用過程中一般以管涵的形式居多；當波紋管涵直徑為30～150cm時，多采用直徑相同的兩片半圓拼裝而成，若直徑大于150cm時多采用多片拼裝而成，連接的形式常為栓接。

2.2 受力特性

2.2.1 變形能力強

金屬鋼波紋管涵是一種柔性結(jié)構(gòu)，波紋管在結(jié)構(gòu)上具有橫向補償位移的優(yōu)良特性，可充分發(fā)揮鋼材抗拉性能強、變形性能優(yōu)越的特點，具有較大的抗變形和抗沉降能力，能夠較大程度地避免上部構(gòu)造物破壞的問題，進而較好地避免了橋臺跳車現(xiàn)象，提高了行車的舒適度與安全性，解決了圬工涵洞的沉降與路基的沉降不一致的問題。

2.2.2 耐久性

金屬鋼波紋管涵一般采用工廠加工制作，出廠前涵管及配套附件均經(jīng)過熱浸鍍鋅處理，每一道工序都有嚴格的質(zhì)量檢查把關(guān)，運至施工現(xiàn)場后，在工地現(xiàn)場對其涂刷瀝青，進一步加強對其外觀的保護防腐，以增加其設(shè)計使用年限，后期運營過程中還可根據(jù)具體情況在管內(nèi)壁增涂瀝青涂層對其加強養(yǎng)護，相比傳統(tǒng)圬工涵洞具有耐久性好、養(yǎng)護費用低、重建幾率低等優(yōu)點。

2.2.3 施工簡單、周期短

采用金屬鋼波紋管施工工期短，土建與型材安裝可分開實施，然后進行整體拼裝。此外，采用金屬波紋管現(xiàn)場安裝方便，一般采用高強螺栓連接，安裝只需簡單的安裝工具，可以全部采用人工安裝，不需要使用大型設(shè)備。

2.2.4 生態(tài)破壞少、環(huán)保

金屬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，采用金屬鋼波紋管減少或根本上舍棄了常規(guī)建材，如水泥、黃砂、石子、木材的使用，對周圍施工環(huán)境的破壞少，利于環(huán)保。

3 工程實例

3.1 工程概況

某旅游公路總長125.893km。該路段按照三級公路標準建設(shè)，路面寬度為8.5m（連接線為7.5m），橋梁設(shè)計荷載為公路-Ⅱ級?？紤]到線路的重要性和地質(zhì)地形的復(fù)雜性，更為重要的是該工程工期緊任務(wù)重，4月份進場，10月1日要求路面交工，因此，K9+088.05處原1-3x3m鋼筋混凝土拱涵變更為金屬鋼波紋管涵，減少了施工工期的壓力。該管涵為圓形整體管，采用分片拼裝管，高強螺栓連接，全長173m，線型由兩個不同半徑的圓曲線組成，管內(nèi)流水面坡度為5.3%。

3.2 金屬鋼波紋管技術(shù)參數(shù)

該工程所用的波紋管涵的主要技術(shù)參數(shù)見表一及圖一所示：

表一 主要技術(shù)參數(shù)

金屬波紋

管直徑/m壁厚

/mm波形

/mm波高

/mm波距

/mm波谷半

距/mm波峰半

距/mm

355V形5520027.527.5

波紋管所用材質(zhì)用Q235-A或SS400熱軋鋼板加工成型，表面為熱浸鍍鋅防腐處理，鍍鋅不小于600g/m2，平均厚度不小于84μm。連接方式：波紋板搭接、高強螺栓緊固，密封膠密封。

（圖中：δ為壁厚，R為波峰（谷）半徑）

圖一 金屬鋼波紋管截面及波形示意圖

3.3 施工工藝

金屬鋼波紋管涵施工主要包括施工放樣、基礎(chǔ)墊層填筑、管身安裝、涵背回填、洞口鋪砌、護坡防護施工等工藝流程。工藝流程圖見圖二

圖二 金屬鋼波紋管施工流程圖

3.3.1 施工放樣

對施工場地進行平整，布置各種材料堆放場地，組織所需機械設(shè)備。施工前組織測量人員根據(jù)設(shè)計文件放出圓管軸線，打好中邊樁，在涵管基礎(chǔ)范圍邊緣撒上白灰線，測出原地面高程。

3.3.2 基礎(chǔ)墊層填筑

基礎(chǔ)材料采用砂礫填筑，頂層設(shè)置一層厚10cm的粗砂，最大粒徑為12mm。填筑寬度底部為4.8m，兩邊按照1：1的坡度進行，基礎(chǔ)厚度：（1）當基礎(chǔ)為卵石、礫石、粗砂、中砂及整體巖層的情況時，厚度為80cm；（2）當基礎(chǔ)為輕亞粘土、粘土及破碎巖層時，及當在干燥地區(qū)為粘土、亞粘土、輕亞粘土、細砂時，厚度為60cm。分兩層攤鋪，碾壓密實，進行沉降量觀測，沉降量不大于2mm。

3.3.3 管節(jié)安裝

3.3.3.1 施工前準備

（1）備齊安裝工具：梅花扳手（22～24mm）、活口扳手、小撬棍（φ12～16mm、長度50cm左右的圓鋼）、撬棍（φ50mm長度1.8m的鋼管）、手錘、鑿子、螺絲刀（一字形）、千斤頂；（2）備齊涵管安裝所需配件：螺絲及橡膠石棉墊；（3）檢查波紋管各管節(jié)的長度、直徑是否與該處涵洞相吻合；（4）設(shè)涵管安裝指揮員一名，負責指揮起吊及施工人員現(xiàn)場操作。

3.3.3.2 安裝操作方法

（1）安裝前工作：檢查涵管底部基礎(chǔ)平整度、水平、標高，核對土建基準，確定涵洞位置、中心軸線、中點；（2）連接安裝波紋管：根據(jù)涵洞實際情況，排放涵管。如果涵洞兩側(cè)進出水口是與路基同坡度的斜口形式，安裝時先安裝中間管節(jié)，在基礎(chǔ)長度方向留出進出水口的位置。中間管節(jié)安裝完畢，校正就位后再安裝兩側(cè)進出水口。安裝時從一側(cè)排放第一根管節(jié)，使管中心與基礎(chǔ)縱線中心線平行，同樣把第二根管放置就位，當兩根管相鄰法蘭間相距3～5cm縫隙時，用小撬棍對準法蘭上的螺栓孔，使其兩根管法蘭上的螺栓孔對正，這時從第二節(jié)管的另一端用撬杠撬動管節(jié)，使其縱向平移，使兩法蘭間距在2cm左右，然后全部穿上螺栓，擰上螺絲，帶平扣即可。此后以此方式逐節(jié)依次連接，每道涵洞中間管節(jié)無先后次序，可以隨意連接；（3）鑲石棉墊：由于現(xiàn)場地勢等原因，有時相鄰兩法蘭之間間距較小，這時用手錘、鑿子把兩法蘭之間鑿開大約1cm的縫隙，用螺絲刀把石棉墊鑲在兩法蘭之間，有時管子頂部兩法蘭間距較大，石棉墊鑲嵌困難，用綁絲把石棉墊綁在螺栓上固定，然后對稱鎖緊螺絲。直至從外觀看兩法蘭之間只有2～5mm的縫隙即可；（4）管壁內(nèi)外涂乳化瀝青或熱熱瀝青兩遍，從外觀看管壁內(nèi)外均勻地涂成了黑管即可。一般瀝青涂層的厚度要達到0.3～0.5mm；（5）用千斤頂校正涵管位置，使其中心在所規(guī)定的中心上。

表二 波紋鋼板涵安裝實測項目表

項次檢查項目規(guī)定值或允許偏差檢查方法

1管涵底土基

壓實度（%）≥96波紋板管涵軸線：投影下的土基每6m測一處，但不少于2處

2管涵軸線偏位

（mm）≤20經(jīng)緯儀或拉線：每6m測一處，但不少于2處

3管涵內(nèi)底高程

（mm）±10水準儀：每6m測一處，但不少于2處

4安裝管涵內(nèi)徑（mm）±1%尺量：每6m測水平，垂直各一處，但不少于2處

3.3.4 涵背回填

（1）為保證管底的回填質(zhì)量，涵底楔形塊處的填筑材料采用級配良好的天然砂礫或粗砂（含水量要求為最佳含水量2%左右），人工用小型打夯機在管身外向內(nèi)側(cè)進行夯實，打夯作用點必須緊貼管身，每個凹槽部位都必須夯實到位，確保管底的回填質(zhì)量。

（2）涵背兩側(cè)的部位回填采用級配良好的天然砂礫或粗砂，使用小型夯實機械夯實。

（3）填筑時應(yīng)分層填筑、分層壓實，松鋪厚度為15cm，壓實度要求達到96%方可進行下層填筑。填筑前在管節(jié)兩側(cè)用紅色油漆按每15cm高度標注，填筑時按標注線控制。

（4）填筑必須在涵管兩側(cè)同時對稱、均衡地分層進行。

（5）涵洞上方回填厚度小于50cm時采用手扶振動壓路機壓實或用小于6t的靜碾壓路機壓實，壓實度不小于96%。

（6）當通道頂填土大于50cm后，方可采用YZ20壓路機施工，每層20cm，壓實度大于等于96%。

3.3.5 護坡防護

洞口設(shè)計采用端墻形式。洞口鋪砌及護砌防護M7.5漿砌片石，應(yīng)選擇幾何尺寸相對長和短的石塊交錯在同一層使之形成錯索結(jié)構(gòu)，保證錯縫砌筑，不得豎縫、通縫。外露面應(yīng)選擇石塊質(zhì)地適當，細致色澤均勻，無風化剝落無裂紋的大石塊進行鑿面鑿紋，以確保工程外露面的平整和準確的幾何尺寸，輪廓要求清晰，線條直順優(yōu)美，并勾凹縫。

3.3.6 檢驗評定

通過對已建成的金屬鋼波紋管涵進行質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)漿砌片石管座墊層砂漿強度，墊層寬度及厚度滿足設(shè)計要求，相鄰管節(jié)底面錯臺也均滿足要求；外觀管壁豎直，接縫平整，填縫飽滿，施工質(zhì)量合格。

3.4 經(jīng)濟比較

經(jīng)該旅游公路相同直徑的涵洞清單單價比較：金屬鋼波紋管涵每延米的造價是鋼筋混凝土拱涵的0.7倍左右，是鋼筋混凝土圓管涵的1.3倍左右。金屬鋼波紋管涵與鋼筋混凝土拱涵、鋼筋混凝土圓管涵的造價比較如表三：

表三 綜合造價比較

直徑

/m波紋管總費用

/元·m鋼筋砼拱涵

/元·m鋼筋砼圓管涵

/元·m

3147002250011500

對比表三各項數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，鋼波紋管涵的造價比鋼筋混凝土拱涵的造價低出26%左右，且波紋管涵施工周期短，安裝簡單；鋼波紋管涵的造價比鋼筋混凝土圓管涵的造價高出28%左右，但前者施工周期短、受力性能好，其所產(chǎn)生的社會經(jīng)濟效益，要大于其工程造價所高出的部分，加之其后期養(yǎng)護費用低，重建幾率小，從長遠來看，其經(jīng)濟成本更低。

因此，金屬鋼波紋管的應(yīng)用價值遠大于傳統(tǒng)涵洞，值得在山區(qū)旅游公路建設(shè)中推廣。

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⑧ GBF管安裝完成后須進行隱蔽驗收，合格后方可轉(zhuǎn)入下道工序，并做好GBF管質(zhì)量驗收記錄。

⑶ 現(xiàn)澆砼空心樓蓋砼澆筑

① 現(xiàn)澆混凝土塌落度要求為：14-16cm，石子粒徑為5-30mm。

② 泵管或其他施工工具不可直接放置在GBF管上，可以墊腳手板或在GBF管間縫隙處安放支撐，施工人員要注意保護GBF管，避免硬質(zhì)物體直接沖擊GBF管。

③ 砼下料時不宜過猛，也不可太多，當GBF板厚超過25cm時應(yīng)分為兩層澆筑砼，但間隔時間不得超過砼初凝時間。

④ 混凝土的澆筑，應(yīng)沿平行于薄壁管方向進行：若沿垂直薄壁管方向下料時，必須順管方向振搗，不可多點圍合式澆筑。

⑤ 澆筑混凝土時，應(yīng)安排安裝GBF管工人隨澆筑作業(yè)及時修補、調(diào)整薄壁管。

⑥ 澆筑混凝土空心樓蓋時，暗梁或大梁處可用普通振動棒，管與管間肋處應(yīng)嚴格采用插入式振動棒（直徑35毫米）進行振搗。

⑦ 澆筑混凝土時要注意觀察GBF管是否有上浮現(xiàn)象，特別是靠近梁邊的GBF管，一旦有上浮，應(yīng)立即停止砼澆筑，待采取加固抗浮的措施后再繼續(xù)作業(yè)。

3、質(zhì)量要求和保證措施

⑴ GBF管材料質(zhì)量要求

a、線荷載>1000N/m；b、單根局部集中荷載>750N（受壓長度25cm）；c、自然吸水率≤18%（48h）；d、管壁材料容重<1000kg/m3；e、管徑誤差：±3mm；長度誤差：0，-20mm。

⑵ 施工質(zhì)量保證措施

① 加強施工人員質(zhì)量意識教育，認真做好各工種的協(xié)調(diào)配合，共同做好成品保護工作。

② 嚴格執(zhí)行GBF管安裝操作規(guī)程，在GBF管安裝過程中，應(yīng)派專人監(jiān)督和提醒施工人員，，防止踩踏和其他物體重壓GBF管，避免GBF管損壞。

③ 嚴格執(zhí)行質(zhì)量檢查驗收制度，重點要驗收GBF管安裝抗浮固定是否可靠，確保萬無一失。

④ 重視和加強空心樓蓋砼澆筑過程控制，按照規(guī)范要求進行振搗，杜絕樓板出現(xiàn)蜂窩、麻面現(xiàn)象。

四、GBF現(xiàn)澆砼空心無梁樓蓋優(yōu)勢

采用GBF現(xiàn)澆砼空心無梁樓蓋能解決鋼筋砼構(gòu)件對大跨度大柱網(wǎng)的制約，為了公共建筑提供了開闊的活動空間，與肋梁樓板設(shè)計相比，層高可降低或室內(nèi)凈空可提高。以10×10米的柱網(wǎng)，荷載3.5KN/㎡，凈空需3m為例，如采用普通肋梁樓蓋，梁高800─900mm，則層高需3.8─3.9米，采用GBF板厚400mm，層高只需要3.4米，降低層高達400mm─500mm.

GBF現(xiàn)澆砼空心無梁樓蓋比一般實心樓蓋的隔音效果更好，在空氣中隔音效果可以提高10─20db，撞擊隔音效果提高12─22db。

GBF現(xiàn)澆砼空心無梁樓蓋具有良好的隔熱保溫效果，砼空心板導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.39，砼實心板導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.74。

GBF現(xiàn)澆砼空心無梁樓蓋自重比一般實心現(xiàn)澆板的自重降低50～200kg/㎡。

施工中采用GBF現(xiàn)澆砼空心無梁樓蓋能加快施工進度、縮短施工周期、提高模板周轉(zhuǎn)次數(shù)。

五、結(jié)語

GBF管混凝土無梁樓板由于其良好的力學性能和較顯著的經(jīng)濟效益將會越來越廣泛的得到采用。在施工和管理實踐中會出現(xiàn)更多、更好的經(jīng)驗和方法，建造出一批優(yōu)良的工程項目。