高填方鋼波紋管涵洞通道施工技術(shù)研究

許宇明

(湖南省武靖高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 邵陽(yáng)　422400)

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高填方鋼波紋管涵洞通道施工技術(shù)研究

許宇明

(湖南省武靖高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 邵陽(yáng)422400)

摘要：相比較傳統(tǒng)混凝土通道涵洞，鋼波紋管結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，國(guó)外已廣泛應(yīng)用。鋼波紋管結(jié)構(gòu)為典型的柔性結(jié)構(gòu)，管壁與管周填土耦合受力，目前施工工藝無(wú)系統(tǒng)規(guī)范可依，工程人員對(duì)其技術(shù)和受力特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不清，施工具有一定盲目性，施工不當(dāng)易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形過(guò)大甚至破壞，致使該技術(shù)在應(yīng)用中受到較大限制，以武靖高速K47+150一孔直徑5 m鋼波紋管涵洞為工程依托，論述了鋼波紋管回填過(guò)程中的施工工藝、技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)踐結(jié)果表明：波紋鋼板工后受力性能良好，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼波紋管； 涵洞； 施工工藝

高速公路建設(shè)中需要設(shè)置大量的通道、涵洞等構(gòu)造物[1]，在我國(guó)高速公路上，平均每公里約有3～4座過(guò)水涵洞或交通通道，現(xiàn)有涵洞以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，而我國(guó)公路工程中約70%的混凝土通涵存在病害，最主要的表征是混凝土開(kāi)裂，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，不少專家和學(xué)者提出推廣應(yīng)用鋼波紋管通涵，鋼波紋管是鋼板由特制專用設(shè)備經(jīng)成波、卷圓、拼裝等工藝加工而成的，并經(jīng)熱浸鍍鋅、耐腐蝕處理的鋼管狀結(jié)構(gòu)物。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為砼涵管的1.5～3倍，而質(zhì)量?jī)H是砼涵管的1/15～1/5，采取鍍鋅、覆塑等耐久性好的防腐措施，施工周期可縮小一半，具有造價(jià)低，適用范圍廣等顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)徹底解決了混凝土開(kāi)裂問(wèn)題。目前，鋼波紋管涵洞在國(guó)外已應(yīng)用廣泛，標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范齊全，技術(shù)已非常成熟，而且其使用壽命已超過(guò)了設(shè)計(jì)壽命。我國(guó)于20世紀(jì)50年代搶修青藏公路不凍泉段時(shí)，成功應(yīng)用鋼波紋管涵洞，70年代開(kāi)挖出時(shí)發(fā)現(xiàn)其使用狀況良好，解放后由于諸多因素，波紋管涵洞未能廣泛得到使用。近年來(lái)，隨著對(duì)鋼波紋管結(jié)構(gòu)的研究不斷深入，其應(yīng)用越來(lái)越多，在湖南地區(qū)已成功應(yīng)用在武靖、龍永、益婁、大瀏、洞新等高速公路[2]。

為規(guī)范鋼波紋板結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，交通部于2008年發(fā)布了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵用波形鋼板》(JT/T 710-2008)[3]，并在2010年頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路涵洞通道用波紋鋼管(板)》(JT/T 791-2010)。在設(shè)計(jì)與施工方面，2011年頒布的《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》簡(jiǎn)要描述了鋼波紋管的施工技術(shù)[4]；2013年，內(nèi)蒙古頒布了地方標(biāo)準(zhǔn)《公路波紋鋼管(板)橋涵設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(DB15/T 654-2013)[5]，但到目前為止仍然沒(méi)有系統(tǒng)的施工技術(shù)規(guī)范可依[6]，不少地區(qū)在應(yīng)用時(shí)缺乏系統(tǒng)技術(shù)支持，工程人員對(duì)其技術(shù)和受力特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不清，施工不當(dāng)易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形過(guò)大甚至破壞，致使該技術(shù)在工程應(yīng)用中受到較大的限制。本文以武靖高速K47+150 1-5 m鋼波紋管涵洞為工程依托，根據(jù)施工情況，重點(diǎn)分析應(yīng)用情況、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、回填料選取、施工工藝以及注意事項(xiàng)，以期為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1武靖高速鋼波紋管應(yīng)用情況

武岡至靖州(城步)高速公路位于湖南省西南部，地處邵陽(yáng)市境內(nèi)(終點(diǎn)局部路段在懷化市通道縣境內(nèi))，路線呈東西走向，是湖南省西南地區(qū)與邵陽(yáng)市、省會(huì)城市長(zhǎng)沙市之間聯(lián)系的快速通道。沿線地形復(fù)雜，涵洞通道251道，其中鋼波紋管23道，跨徑主要為4 m、5 m和6 m，填方14.5～36.3 m，均為高填方。K47+150 1-5 m鋼波紋管涵洞填方高度約為19.5 m，正交布置，波形采用380×140 mm，壁厚6 mm，采用拼裝式波紋鋼板，材料為Q345，鋼板采用熱浸鍍鋅，鍍鋅量不小于600 g/m2，厚度不小于84 μm，接縫采用M24高強(qiáng)螺栓拼接，數(shù)量為6個(gè)/波長(zhǎng)。該波紋管涵洞具有高填方鋼波紋管的典型特性，本文以此為例進(jìn)行研究論證。

2受力特性及材料選取

鋼波紋管結(jié)構(gòu)是典型的柔性結(jié)構(gòu)，在豎向荷載作用下，管頂產(chǎn)生軸向壓力和彎矩，并產(chǎn)生豎向變形和橫向變形，具有橫向補(bǔ)償位移的優(yōu)良特性[7]。橫向變形使得管側(cè)壁受到抵抗土壓力，限制管壁外移，從而提高鋼波紋管的承載能力，因此，管壁與周邊填土共同受力，理想的受力狀態(tài)是將更多的荷載傳遞給管周填土。

管側(cè)填土的壓實(shí)度、彈性模量對(duì)鋼波紋管涵洞的承載能力影響很大，施工時(shí)應(yīng)選擇易于壓實(shí)、受力性能良好、透水性好的填土材料。為避免管壁局部受力過(guò)大，管壁外側(cè)30 cm范圍內(nèi)，最大粒徑應(yīng)不大于波紋管波長(zhǎng)的1/3，且不大于7.5 cm的石塊、混凝土塊、凍土塊、高塑性粘土塊或其他有害物質(zhì)。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，填料優(yōu)劣依次是：

1) 級(jí)配良好、帶棱角的粗砂或砂礫。

2) 均勻砂或礫石。

3) 混合土(不宜用于大跨結(jié)構(gòu))。

4) 較穩(wěn)定土。

一般不宜采用黏土，因?yàn)轲ね磷罴押糠秶?，施工時(shí)受雨雪天氣影響濕度難以控制，從而難以夯實(shí)。本項(xiàng)目遵循就地取材的原則，采用透水性好、彈性模量較高、性能穩(wěn)定的碎石、石渣、山砂等。

3回填施工工藝

主要施工流程如下：基礎(chǔ)開(kāi)挖→施工放樣→基礎(chǔ)墊層施工→管身安裝→洞口施工→涵背結(jié)構(gòu)性回填。其中基礎(chǔ)開(kāi)挖、施工放樣為常規(guī)施工，本文不再贅述，重點(diǎn)闡述基礎(chǔ)墊層施工、管身安裝和結(jié)構(gòu)性回填等三部分核心內(nèi)容。

3.1結(jié)構(gòu)性回填區(qū)域

圖1　結(jié)構(gòu)性回填區(qū)域

3.2基礎(chǔ)施工

鋼波紋管涵洞通過(guò)兩側(cè)填土和基礎(chǔ)傳遞荷載，其適應(yīng)變形能力強(qiáng)，對(duì)基礎(chǔ)材料要求相對(duì)較低。合理的基礎(chǔ)形式應(yīng)為波紋管提供可靠的豎向和側(cè)向支撐，可減少不均勻沉降，減少結(jié)構(gòu)變形和不均勻荷載作用下管壁應(yīng)力集中。本項(xiàng)目為一般性土質(zhì)地基，清除表土后設(shè)置一定厚度的換填基礎(chǔ)，也可以將原狀土經(jīng)嚴(yán)格夯實(shí)以后直接置于地基上。

接觸波紋管結(jié)構(gòu)底部的基礎(chǔ)部分稱為墊層，根據(jù)結(jié)構(gòu)的大小和類型，墊層可設(shè)計(jì)為平的或有一定形狀的。墊層可壓縮性應(yīng)大于管側(cè)填土，以利土拱效應(yīng)的形成，減少管壁受力。對(duì)于整管預(yù)制吊裝的小孔徑鋼波紋管，采用水平墊層，上部5～15 cm采用相對(duì)松散的材料，以便鋼波紋管結(jié)構(gòu)就位，與管壁接觸的填土應(yīng)不含冰塊、高塑性土塊、有機(jī)物或其他有害雜質(zhì)。墊層應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成與結(jié)構(gòu)底部形狀一致(如V形)，以提供相對(duì)均勻的支撐。

3.3波紋管安裝

波紋管必須在工廠進(jìn)行預(yù)拼裝，合格后方可運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，鋼板應(yīng)錯(cuò)縫安裝，管頂附近不能設(shè)置接縫，波紋板片嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸預(yù)制、安裝。流水上游板片應(yīng)疊在下游板片之上。鋼板間夾縫防水是通過(guò)粘貼密封膠墊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在鋼板吊裝前，將密封條粘在鋼板外邊上，可以使鋼板在安好螺栓后鋼板間不滲水。波紋鋼板拼裝采用高強(qiáng)螺栓，安裝完后需要檢測(cè)扭矩，不合格的需要進(jìn)行補(bǔ)扭。墊圈采用凸凹型，高強(qiáng)螺栓擰緊時(shí)，注意固定螺栓位置，不得偏位，以免影響高強(qiáng)螺栓的受力性能。螺栓扭矩符合要求后，可用專用密封膠或環(huán)氧樹(shù)脂砂漿封填，以防波紋板連接處滲水。此外，應(yīng)嚴(yán)格控制3片板疊加處板片間隙，采用密封膠灌注密封。

對(duì)于表面防腐層損傷點(diǎn)進(jìn)行清理除銹后采用噴鋅的方式補(bǔ)救處理。再將波紋管內(nèi)外側(cè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噴涂環(huán)氧樹(shù)脂2遍，安裝完畢后，所有鋼波紋管外側(cè)(填土側(cè))需要再涂涮2遍瀝青。對(duì)于波紋管內(nèi)側(cè)，噴涂環(huán)氧樹(shù)脂或環(huán)氧富鋅2～3遍，為了采光需要，不應(yīng)涂涮瀝青，涂料環(huán)保性能滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求。

3.4管周填土施工

管周填土包括楔形部填土、管側(cè)填土和管頂填土。

楔形部施工時(shí)一般采用鐵鏟取土、人工夯實(shí)工藝，由于空間的限制，其施工質(zhì)量難以控制，是整個(gè)施工過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，施工時(shí)應(yīng)選擇受力性能好且與鋼波紋管底部管壁接觸緊密的材料，以避免楔形部存在空洞或壓實(shí)不到位，影響結(jié)構(gòu)的整體受力性能。對(duì)于楔形部位波谷處等一些狹小區(qū)域，可采用鐵桿或截面尺寸為50 mm×100 mm木棒。采用手夯錘夯實(shí)水平填土層時(shí)，其重量不小于9 kg，且夯實(shí)面不大于150 mm×150 mm[10]。

管側(cè)施工時(shí)一般采用機(jī)械攤鋪、機(jī)械夯實(shí)工藝，回填分層夯實(shí)厚度為150～300 mm，具體厚度可根據(jù)回填材料、夯實(shí)設(shè)備或夯實(shí)方法確定。每一層應(yīng)夯實(shí)到位，波紋管兩側(cè)應(yīng)對(duì)稱施工，并保持高度基本一致，最大高差不大于1倍夯實(shí)厚度。就壓實(shí)設(shè)備而言，對(duì)于滾筒式夯實(shí)機(jī)，羊蹄式、輪胎式等類似的夯實(shí)設(shè)備均可使用，但夯實(shí)設(shè)備與鋼波紋管結(jié)構(gòu)的距離有一定要求，以防止?jié)L筒式夯實(shí)設(shè)備撞擊波紋管結(jié)構(gòu)，重型夯實(shí)設(shè)備應(yīng)在鋼波紋管結(jié)構(gòu)1 m以外，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形結(jié)果來(lái)予以確定。鋼波紋管外側(cè)波谷和鄰近鋼波紋管結(jié)構(gòu)的區(qū)域采用人工輕型夯實(shí)方法(如采用手提式夯實(shí)設(shè)備)。對(duì)于振動(dòng)式夯實(shí)設(shè)備，適用于采用顆粒狀回填土的夯實(shí)，但不能用于黏土等塑性土。具體采用何種夯實(shí)設(shè)備須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件確定。

為了確?；靥畈牧系暮粚?shí)到位，而又使填土對(duì)鋼波紋管管壁的壓力最小，須遵循的規(guī)則如下：在回填土高度達(dá)到3/4倍涵洞高度之前，壓實(shí)方向與鋼波紋管涵洞方向平行。當(dāng)填土高度接近鋼波紋管結(jié)構(gòu)頂面時(shí)，要求填土攤鋪厚度合理，夯實(shí)仔細(xì)，且填土連續(xù)，使用輕型夯實(shí)設(shè)備，夯實(shí)時(shí)垂直涵洞長(zhǎng)度方向碾壓。

鋼波紋管涵洞的最不利受力狀態(tài)可能并不是在成橋運(yùn)營(yíng)后，而是在施工過(guò)程中。管頂填土厚度小于50 cm時(shí)，不得使用大于6 t的壓路機(jī)械碾壓，也不允許施工機(jī)械通行或在管體上方堆放重物。管頂填土第1層厚度以30 cm為宜，采用小型機(jī)具夯實(shí)或8 t以下的手扶壓路機(jī)壓實(shí)，以上各層以20 cm厚度壓實(shí)，直至達(dá)到管體直徑或跨徑要求的最小填土厚度后采用振動(dòng)式壓路機(jī)碾壓，可允許施工機(jī)械通行。

4變形控制

就鋼波紋管涵變形形態(tài)來(lái)看，分為縱向變形和橫向變形兩種。

縱向變形：由于鋼波紋管涵洞在縱向中心帶附近路基填方一般要高于兩側(cè)，一般情形下，中部沉降要大于兩端，基礎(chǔ)在涵管縱向預(yù)拱度一般為涵長(zhǎng)的0.2%～1%，以保證涵洞中部不出現(xiàn)凹陷或逆坡。

橫向變形：鋼波紋管在豎向荷載作用下，一般會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移，同時(shí)涵頂產(chǎn)生豎向位移。水平側(cè)向位移使得側(cè)面填料產(chǎn)生被動(dòng)土壓力。采用合理的回填方案，變形一般不會(huì)超過(guò)涵洞豎向高度的2%。如果管側(cè)填料壓實(shí)不達(dá)標(biāo)，側(cè)向位移過(guò)大，可能導(dǎo)致豎向變形超過(guò)限值，波紋管可能發(fā)生屈曲破壞。當(dāng)填土高度大于管徑時(shí)會(huì)產(chǎn)生土拱效應(yīng)，如果涵頂土柱的壓實(shí)度相對(duì)小于兩側(cè)填土，使?jié)撛诨瑒?dòng)面上產(chǎn)生豎直向上的剪應(yīng)力，可有效轉(zhuǎn)換涵頂荷載，是一種有效的涵洞減荷措施。為控制變形，本項(xiàng)目采用對(duì)拉桿的方式，即在鋼波紋管完成安裝后，在其水平中心線位置設(shè)置對(duì)拉桿，使涵洞由近

似圓形變形為豎向橢圓，反拱值為5 cm。

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)鋼波紋管涵洞的受力性能和施工特點(diǎn)，本文以武靖K47+150 1-5 m涵洞為工程依托，從填土材料的選取、結(jié)構(gòu)性回填區(qū)域的范圍、壓實(shí)設(shè)備的選取、基礎(chǔ)的施工工藝、管周填土的施工工藝、變形控制和施工荷載等方面詳細(xì)闡述了鋼波紋管涵洞的施工難點(diǎn)和要點(diǎn)，為類似工程提供了工程經(jīng)驗(yàn)。目前，該涵洞的變形、受力情況良好。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0214-03

收稿日期:2016-02-02

基金項(xiàng)目:湖南省交通科技項(xiàng)目( 201324) : 湖南省鋼波紋管涵洞通道設(shè)計(jì)通用圖

作者簡(jiǎn)介:許宇明( 1982-) ，男，碩士研究生，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

中圖分類號(hào)：U 449

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A