鐵路小橋涵勘察淺析

陳澤宇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

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鐵路小橋涵勘察淺析

陳澤宇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

【摘要】高鐵在建設(shè)周期極其緊迫的前提下，為了控制沉降，減少通車后的維護(hù)工作量，高鐵線路中出現(xiàn)大量以橋代路的情況。但是在車站范圍，或是其他線路標(biāo)高受限區(qū)域，由于線下凈空的要求以及縱坡受控等因素的影響，必須采用結(jié)構(gòu)高度小的構(gòu)造物跨越控制點(diǎn)，小橋涵在這種情況下被普遍采用。小橋涵結(jié)構(gòu)雖小，但由于數(shù)量龐大，在施工過程中出現(xiàn)問題的幾率也比大中橋大，因此小橋涵設(shè)置的位置及孔徑尺寸的擬定需反復(fù)斟酌。

【關(guān)鍵詞】涵位；孔徑；排洪；灌溉；交通

鐵路線路上為了滿足排洪、灌溉或是交通、保護(hù)管線等功能，同時(shí)滿足線路標(biāo)高的限制和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的要求，大量采用小橋涵結(jié)構(gòu)。主要的小橋涵結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架涵、鋼筋混凝土蓋板涵，還有預(yù)制拼裝的小孔徑圓涵、矩形涵，拱涵則多出現(xiàn)在石材豐富而水資源匱乏的既有線上，如今新建鐵路已較少采用。此外，用于路塹地段的灌溉功能結(jié)構(gòu)物還有倒虹吸和渡槽。

小橋涵雖然結(jié)構(gòu)不大，但在勘測和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)比大中橋相對瑣碎，每個(gè)工點(diǎn)的附屬結(jié)構(gòu)形式難以統(tǒng)一，均需要在現(xiàn)場現(xiàn)澆完成，對于施工工藝的要求較高。從勘測階段的現(xiàn)場定位到設(shè)計(jì)階段的出入口及鋪砌設(shè)計(jì)，以及不良地質(zhì)區(qū)間涵洞的地基處理，小橋涵結(jié)構(gòu)的整個(gè)勘察設(shè)計(jì)流程的要點(diǎn)頗多。在外業(yè)勘測階段，主要的工作集中在涵洞位置的選擇和孔徑尺寸的擬定上。

1涵位的選定

涵洞的定位是勘察的第一步，不同功能的涵洞在涵位選擇上有所區(qū)別，側(cè)重點(diǎn)也不盡相同，但是所有的小橋涵在完成圖上初步定位后，都必須在現(xiàn)場進(jìn)行核對和準(zhǔn)確定位，包括涵洞里程和涵軸方向都以現(xiàn)場實(shí)際情況為準(zhǔn)。涵洞定位不準(zhǔn)是施工過程產(chǎn)生變更的主要原因之一。

1.1排洪涵洞的選位

排洪涵洞的涵位選擇首先需要在地形圖(比例一般為1:2000)上圈定匯水面積，該匯水面積所處山洼匯水線與線位的交點(diǎn)處即為涵洞的初步里程，同時(shí)對照線路縱斷面，在這個(gè)里程附近查找是否有標(biāo)高更低的位置，以標(biāo)高低處為圖定涵位(圖1)。以圖定涵位為定位里程，在現(xiàn)場核對此里程處是否有明顯的沖溝，沿線位方向前后查看，最終定位于沖溝的溝底位置。排洪涵原則上均順溝設(shè)置涵軸，夾角以5°為一級(jí)，同時(shí)應(yīng)保證涵洞軸線與線路法線的夾角不大于45°，以保證大流量洪水能順暢通過。

圖1　圈定匯水面積確定涵位

1.1.1共用排洪涵

由于兩涵洞之間的凈距不得小于30m，對于距離很近的幾個(gè)沖溝，可以幾個(gè)溝共用一個(gè)涵洞，通過線路邊坡匯水至涵洞處排出，排洪涵一般設(shè)置于線路縱坡較低處的沖溝處。但是對于溝深相差太大的幾個(gè)沖溝，共用的涵洞一般置于溝的最深處，若其不是縱坡最低處的溝，可通過局部的側(cè)溝改坡，將兩側(cè)沖溝的水匯至此涵洞排出。

由于鐵路一般只有在路塹段設(shè)置側(cè)溝，考慮利用側(cè)溝將多條沖溝匯水連通的時(shí)候，要看溝與溝之間有沒有連續(xù)側(cè)溝拉通。路堤部分不設(shè)置側(cè)溝，水直接沿放坡排走，路堤與路塹交接處因?yàn)闆]有側(cè)溝連接，往往會(huì)積水，需要將側(cè)溝延伸至涵位處，或在此處加設(shè)涵洞排水。

1.1.2既有水利設(shè)施附近排洪涵

在丘陵地區(qū)，水塘往往是正對山洼，靠天然降水補(bǔ)充水塘水量，而線路穿越水塘?xí)r，在山洼范圍需要設(shè)置排洪涵，但涵洞不能設(shè)置在水塘中間，若此水塘不填埋廢棄，則涵洞起不到排水作用甚至?xí)a(chǎn)生倒灌，對涵洞結(jié)構(gòu)不利。若水塘規(guī)模不大，在鐵路建設(shè)時(shí)需要填埋廢棄，則地表覆蓋層有大量淤泥，涵洞若設(shè)置于此，基礎(chǔ)處理工程量巨大，不僅不經(jīng)濟(jì)，也很難保證工程質(zhì)量，容易在后期產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致涵洞結(jié)構(gòu)開裂甚至產(chǎn)生病害。因此對于水塘區(qū)域的排洪涵洞，須設(shè)于水塘兩側(cè)，保證基礎(chǔ)不能落于水塘中。若水塘兩側(cè)已經(jīng)在山洼范圍之外，可以人工開挖，將山洼兩側(cè)開放，通過導(dǎo)流溝將匯水引至涵位處排出(圖2)。

圖2　水塘處涵洞確定位置

而在水庫淹沒范圍的涵洞，出口流水面一定要保證高于水庫正常蓄水位，必要時(shí)改橋通過。

1.1.3洪積扇地形的排洪涵

洪積扇是戈壁地區(qū)常見的地形，其特點(diǎn)就是在小范圍區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)放射狀的多條沖溝，這種地形下設(shè)置排洪涵洞，需根據(jù)區(qū)域流量在洪積扇中部(一般此處并無明顯溝型，但暴雨時(shí)急流并不順溝流，往往直對埡口沖出)布置較大孔徑涵洞，兩側(cè)有明顯溝型處設(shè)置小孔徑涵洞，中部的大工點(diǎn)根據(jù)線路標(biāo)高應(yīng)盡量避免下挖原始地面設(shè)置涵洞，可以通過加大孔徑壓低凈高來保證過水面積(圖3)。

圖3　洪積扇地形涵洞設(shè)置

1.1.4漫流區(qū)的排洪涵

漫流區(qū)是荒漠戈壁地區(qū)的另一種常見地形，其面積一般比洪積扇大很多，成片分布，這種情況需根據(jù)區(qū)域流量較為均勻的布置排洪涵洞，并依據(jù)地形、線位情況設(shè)置導(dǎo)流堤束水，線路橫截漫流時(shí)采用封閉導(dǎo)流堤。由于漫流區(qū)相鄰沖溝存在溝內(nèi)水流交叉匯水的情況，還應(yīng)在圈出的匯水基礎(chǔ)上提高20 %。對于貫通溝(從埡口分出，非支溝)，必須設(shè)涵，若貫通溝附近有距離很近的非貫通溝，非貫通溝處可以不設(shè)涵洞，此處匯水通過導(dǎo)流堤引入貫通溝處涵洞排出。

1.2灌溉涵洞的選位

灌溉涵洞的涵位選擇與排洪涵洞不同，控制因素往往不是流量，而是既有溝渠的位置和截面尺寸。由于灌溉溝在路堤和路塹段都有分布，因此灌溉功能結(jié)構(gòu)形式也不局限于涵洞，在路塹區(qū)間還以渡槽或倒虹吸形式通過線位，在選位上也相應(yīng)有更多的方式。

丘陵地帶的灌溉溝渠往往非常明顯，且有完整的鋪砌，定位容易。但在平原地帶，線位兩側(cè)都是田地，灌溉溝往往是土質(zhì)結(jié)構(gòu)，不明顯，甚至不具備完整的溝渠結(jié)構(gòu)，在這種情況下，一般沿著線位方向200～300m均勻設(shè)置一個(gè)孔徑1m的灌溉結(jié)構(gòu)，可以是灌溉涵、倒虹吸或是渡槽，具體灌溉結(jié)構(gòu)類型還要根據(jù)線位是在路塹還是路堤區(qū)間確定，并參照線路縱斷面核定。

由于灌溉涵洞的設(shè)置需要征得地方同意并簽訂協(xié)議，所以既有灌溉溝渠位置原則上不改移位置，盡量在滿足條件的情況下原址設(shè)置灌溉構(gòu)造物穿越線位。在路塹區(qū)間優(yōu)先考慮渡槽結(jié)構(gòu)，但需要保證新建渡槽下凈空滿足相應(yīng)等級(jí)鐵路凈空要求。若線路標(biāo)高難以滿足凈空要求，則只能選擇倒虹吸從鐵路下方通過(圖4)。倒虹吸是有壓管，利用兩頭的水頭差將灌溉水輸送通過鐵路，但由于倒虹吸的孔徑很小，一般在1～1.5m，且兩段出入口特別容易堵塞，往往使用不久即出現(xiàn)病害，甚至喪失結(jié)構(gòu)功能，故在高速鐵路建設(shè)中已較少采用，工程中多與地方協(xié)調(diào)改移此類灌溉用渠道到橋下或是相近的涵洞處通過線路。

1.3交通涵洞的選位

交通涵洞的定位與灌溉涵洞類似，只是控制因素為道路。對于等級(jí)道路(高速公路、國道、省道)，一般均以梁式橋或框架小橋、剛構(gòu)橋、剛架橋等結(jié)構(gòu)跨越，對于路幅寬度較小、等級(jí)低且凈寬、凈高要求不高的道路，多選用小橋涵結(jié)構(gòu)。

圖4　路塹區(qū)間倒虹吸

在地形圖上進(jìn)行初步定位時(shí)，對于所有與線位相交的道路均應(yīng)定出里程，并在線路縱斷面圖上進(jìn)行核對，確定是否具有足夠的填土高度以設(shè)置涵洞，對于填土不足甚至是路塹部分的道路，應(yīng)改做公跨鐵或直接改移至相鄰橋、涵洞處通過。

地形圖上有些小路無法反映或是道路標(biāo)記不明顯，但只要線位兩側(cè)有村莊，一定要在附近合適位置預(yù)留交通涵洞，避免因?yàn)殍F路的修建阻隔村莊間的交通流。

同樣，若線位兩側(cè)是大片農(nóng)田，且沒有可見的道路通過線位，則需要人為在合適位置設(shè)置交通涵洞，方便農(nóng)用車的往來通行。

對于既有道路寬度在3m以上，或是材質(zhì)為混凝土、瀝青路面，盡量避免改移道路。斜交角無法滿足小于45°時(shí)，需要對既有道路進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)和順接，但前提是保證道路總體順直，不要在鐵路涵洞附近出現(xiàn)小半徑的曲線，避免因?yàn)榧扔械缆芬暰嗖蛔?，出現(xiàn)交通隱患，必要時(shí)可以增加改路長度，以滿足夾角和視距的要求。

1.4多用途涵洞的選位

由于兩涵洞之間凈距需保證30m以上，有的時(shí)候不同功能的涵洞會(huì)因?yàn)榫嚯x不夠而合建，還有前文提及的某個(gè)位置因?yàn)樘钔粮叨炔蛔銦o法設(shè)置涵洞，主要功能遷改至相鄰涵洞，形成合建通道，亦有因?yàn)橥顿Y控制導(dǎo)致的合建涵洞。常見的合建涵洞有交通兼排洪、交通兼灌溉、排洪灌溉、交通兼護(hù)管，或是交通、排洪和灌溉三者合建。

一般情況下，有交通功能的合建涵洞，應(yīng)該以交通功能為主，不宜與流量太大的排洪涵洞合建。設(shè)計(jì)孔徑應(yīng)滿足交通規(guī)劃凈寬，流水面需高于一般流水面標(biāo)高。常見的交通、排洪、灌溉合建涵洞，在涵洞正斷面上會(huì)在線路大、小里程方向各留一個(gè)或在單側(cè)留一個(gè)0.3m×0.3m或0.5m×0.5m的側(cè)溝，專門用于排水，使其與交通功能部分形成物理分隔，上鋪預(yù)制混凝土板，并一直沿著道路順溝到涵洞出入口鋪砌以外(圖5)。

圖5　單孔側(cè)溝排水合建涵

對于有完整溝渠的灌溉通道，一般不與其他功能涵洞合建，因客觀條件所限而必須合建時(shí)，可考慮使用雙孔框架結(jié)構(gòu)，一孔用于交通，另一孔用于灌溉溝渠通過(圖6)。此形式還多用于灌溉溝渠順既有公路布置的情況，由于公路和灌溉水渠標(biāo)高相差很大，有時(shí)候甚至高差能達(dá)到0.8m，必須分為雙孔。但合建涵洞一定要注意由于排水功能的加入而對交通凈空、凈寬的壓縮，涵洞正截面布置必須首先滿足交通的凈寬、凈高要求。

圖6　雙孔交通、排水合建涵

灌溉涵和排洪涵在不影響灌溉功能的情況下，可以結(jié)合地形進(jìn)行合建，節(jié)約投資。

1.5既有線及站場涵洞的選位

既有線涵洞設(shè)置一般出現(xiàn)于樞紐、站場、既有線改造以及增建復(fù)線、新線與老線并線等情況。相對于新建線路的涵洞，與既有線發(fā)生關(guān)系的涵洞要考慮的因素多，勘測、定位也尤為復(fù)雜。

與既有線發(fā)生關(guān)系的新線進(jìn)行小橋涵的選位，關(guān)鍵在于與既有線上原有涵洞很好的順接，保證新線建成后既有涵洞的功能完整，與新設(shè)涵洞共同發(fā)生作用。因此，對既有涵洞的定位是有別于其他類型涵洞選位的一道工序，也是首要工序。既有線往往修建年代久遠(yuǎn)，線位周圍雜草叢生，為了避免既有涵調(diào)查的遺漏，在現(xiàn)場調(diào)查前，需到該區(qū)間所屬車站工務(wù)段搜集既有線涵洞的竣工資料(即“臺(tái)賬”)，根據(jù)臺(tái)賬記錄的準(zhǔn)確里程，逐一核對，測量其孔徑、凈高與臺(tái)賬是否一致，并檢查涵洞病害情況、淤積情況，準(zhǔn)確測量既有涵位于新建線路一側(cè)的流水面標(biāo)高以及流水方向，以便新建涵洞準(zhǔn)確對接，避免兩線間由于涵洞口標(biāo)高錯(cuò)位造成積水，對路基形成水害。

對于已經(jīng)損壞失去功能且難以恢復(fù)的既有涵洞，可以考慮廢棄。既有涵洞若孔徑小于1.0m，可以考慮拆除，與新線側(cè)涵洞同時(shí)重建。由于現(xiàn)行排洪涵洞孔徑最小不能小于1.25m，灌溉涵洞也不得小于1.0m，對于既有線上小孔徑的涵洞，新線接長涵洞可以采用大孔徑進(jìn)行接長，但要特別注意流水面的順接以及接口上的防水處理。

新建涵洞的位置，應(yīng)由既有線涵洞涵軸延長線與新線交點(diǎn)確定，一般情況下角度與既有線涵軸一致，以保證順接。然而在站場范圍內(nèi)，股道并不是互相平行的，由于站場范圍路基寬度很大，涵洞長度也非常長，同一個(gè)里程處同一個(gè)涵洞可能會(huì)出現(xiàn)折角(為了在穿越股道的時(shí)候盡量正交通過，而讓涵洞拐彎)，因此每一個(gè)節(jié)間，涵洞斜交角度是不同的，這在勘測的時(shí)候要尤為注意。定好里程后，要測多個(gè)斜交角方向的涵軸斷面。

對于一些交通涵工點(diǎn)，既有線的涵洞設(shè)置限制了其道路的拓寬，在確有需求的情況下，會(huì)對既有涵洞進(jìn)行拆除，并借助新線修建，更換大孔徑結(jié)構(gòu)，與新建涵洞同時(shí)施工。既有線部分會(huì)利用鋼便梁進(jìn)行架空，并頂推現(xiàn)場澆筑好的框架進(jìn)行替換既有涵，頂進(jìn)涵洞的設(shè)計(jì)是特殊涵洞設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，下文會(huì)進(jìn)行具體的介紹。

2孔徑的擬定

對于不同功能的小橋涵，孔徑確定的控制條件各不相同，排洪涵洞控制條件是通過涵洞的流量，交通涵洞則是受控于道路凈寬及凈高要求，灌溉涵洞多是由既有溝渠的尺寸控制其截面大小，護(hù)管涵只需能容納受保護(hù)管線即可。

2.1過水涵洞的孔徑

過水涵洞包括排洪涵洞和灌溉涵洞，根據(jù)水力學(xué)計(jì)算以及國內(nèi)多條長大干線的成果總結(jié)，筆者得出重現(xiàn)頻率為1%的框架結(jié)構(gòu)尺寸與過水流量速查表，在擬定涵洞尺寸時(shí)可參照執(zhí)行。表1中每一級(jí)孔徑都對應(yīng)有低、中、高邊墻，在條件允許的情況下，盡量選擇高邊墻，以提高涵洞的利用效率以及方便后期的檢修維護(hù)。若填土高度及線路標(biāo)高控制，可適量的選擇中、低邊墻。

表1　涵洞尺寸與流量對照

排洪涵洞的孔徑不得小于1.25m，目前新建鐵路的涵洞最小孔徑一般為1.5m。

2.2交通涵洞的孔徑

交通涵洞的孔徑不得小于2.5m，孔徑主要確定依據(jù)應(yīng)該是道路實(shí)際寬度以及地方的規(guī)劃，并通過與地方相關(guān)部門的協(xié)議加以確定。若凈寬大于6m則應(yīng)按框架小橋進(jìn)行設(shè)計(jì)，框架小橋的跨度最大可以達(dá)到16m。

交通涵凈高主要分為3m、3.5m、4m、4.7m、5.3m幾檔。如果道路是土路，凈高一般按照3m或3.5m來預(yù)留；如果是不太重要的水泥路，一般按3.5m或4m預(yù)留，有條件的地方且當(dāng)?shù)匾髲?qiáng)烈，也可預(yù)留4.7m；比較重要的水泥路，一般預(yù)留4m或4.5m，有條件的地方且當(dāng)?shù)匾髲?qiáng)烈，也可預(yù)留5.3m。

2.3需要加大孔徑的涵洞

根據(jù)以上原則，可以基本確定涵洞的孔徑尺寸。但以下幾種情況，孔徑應(yīng)在確定的尺寸基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟蟆?/p>

(1)車站內(nèi)的長涵洞，孔徑應(yīng)加大一級(jí)，且涵長大于30m時(shí)孔徑不得小于2m，涵長大于50m時(shí)孔徑不得小于3m。

(2)山區(qū)鐵路所采用的陡坡錯(cuò)臺(tái)形式涵洞，孔徑應(yīng)加大一級(jí)，以保證錯(cuò)臺(tái)后凈空滿足使用和維修的要求高度。

(3)位于沖溝中，且溝內(nèi)水中含有泥沙、小石塊等容易造成涵洞淤積，影響正常使用的涵洞，孔徑應(yīng)在計(jì)算孔徑基礎(chǔ)上加大一級(jí)。

(4)涵洞入口地勢平坦，且涵前不允許積水或積水高度受限制，經(jīng)涵洞與小橋比較仍需設(shè)置涵洞時(shí)，應(yīng)考慮加大孔徑。

(5)排洪兼交通的涵洞也需要將孔徑加大一級(jí)。

3結(jié)束語

本文通過對小橋涵結(jié)構(gòu)的勘察過程，如從結(jié)構(gòu)類型選擇到位置確定以及孔徑的擬定方法進(jìn)行的介紹，將工程實(shí)際中出現(xiàn)的瑣碎的小橋涵結(jié)構(gòu)分門別類進(jìn)行總結(jié)，按不同的使用范圍進(jìn)行羅列，希望對從事小橋涵勘察及設(shè)計(jì)的工程師有所幫助。

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[作者簡介]陳澤宇(1985～)，男，碩士，工程師，從事高鐵橋梁設(shè)計(jì)與研究、海外鐵路項(xiàng)目、城市軌道交通設(shè)計(jì)。

【中圖分類號(hào)】U442.5

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-01-14