大跨徑波形鋼管涵在高填石路堤中的應(yīng)用探討

劉敬霜 黃華顯

文章通過(guò)介紹波形鋼管涵的設(shè)計(jì)原理、技術(shù)要求、施工工藝、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合廣西某高速公路高填方填石路堤中大跨徑波形鋼管涵的應(yīng)用案例，闡述了波形鋼管涵的應(yīng)用效果和推廣價(jià)值。

高速公路;大跨徑;波形鋼管涵;應(yīng)用

0?引言

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，波形鋼管涵是一種采用螺栓將多片波形鋼板片拼接而成的管涵。由于波形鋼板片厚度較薄、重量較輕，且便于運(yùn)輸存放，使得波形鋼管涵也具有了現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、拼裝進(jìn)度快、施工工藝簡(jiǎn)單、工程工期短、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，波形鋼管涵屬于一種柔性結(jié)構(gòu)，拼接完成后與周?chē)馏w形成一種組合結(jié)構(gòu)，分散荷載的應(yīng)力集中，共同受力。本文結(jié)合廣西某高速公路建設(shè)工程實(shí)例，詳細(xì)說(shuō)明了波形鋼管涵的使用優(yōu)勢(shì)、工作原理、施工工藝及取得的效果。

1?工程概述

廣西某高速公路K29+687段原設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土蓋板涵，涵長(zhǎng)102.462 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的水文調(diào)研，該蓋板涵并不能滿(mǎn)足該處雨季的最大過(guò)水量，且施工蓋板涵并不能滿(mǎn)足此處高填方路基填筑進(jìn)度要求。經(jīng)設(shè)計(jì)單位研究，將原設(shè)計(jì)k29+687段的鋼筋混凝土蓋板涵變更為k29+650段的波形鋼管涵。

2?波形鋼管涵的優(yōu)勢(shì)

2.1?不均勻沉降可能性低

從材料與結(jié)構(gòu)、功能的本質(zhì)關(guān)系來(lái)分析，不均勻沉降是破壞高速公路涵洞、通道的主要形式之一。波形鋼管涵作為一種高強(qiáng)度材料的柔性結(jié)構(gòu)，不僅具有適應(yīng)地基與基礎(chǔ)變形的能力，而且由于波形鋼管涵布設(shè)有軸向波紋，可以在更大程度上分散荷載的應(yīng)力集中，更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，具有解決因地基、基礎(chǔ)不均勻變形導(dǎo)致涵洞破壞問(wèn)題的能力。

2.2?地基承載力要求低

一般的鋼筋混凝土蓋板涵要求地基承載力應(yīng)≥0.25 MPa，而波形鋼管涵一般

要求為0.15 MPa，從而大大減少了清除不適合材料、軟基換填等地基處理的工程量。

2.3?工藝簡(jiǎn)單，施工進(jìn)度快

k29+687段鋼筋混凝土蓋板涵若按原設(shè)計(jì)圖施工，由于基礎(chǔ)處理工作量大、涵洞長(zhǎng)度較長(zhǎng)等原因，該涵洞工期約為40 d;而采用波形鋼管涵施工，由于具有自重輕、運(yùn)輸方便、拼裝工藝簡(jiǎn)單、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，在增加人員及機(jī)械等資源的情況下，僅用4 d就可完成管涵拼裝部分的施工。

2.4?有利于環(huán)保

采用波形鋼管涵施工時(shí)，由于地基承載力要求低，減少了基礎(chǔ)處理時(shí)棄土、借土（石）的工程量，同時(shí)也減少了原設(shè)計(jì)鋼筋混凝土蓋板涵的鋼筋、水泥、砂石等材料，具有較好的節(jié)能環(huán)保效應(yīng)。

2.5?經(jīng)濟(jì)效益明顯

直徑5 000 mm、波形380 mm×140 mm、壁厚5 mm的鋼波紋管造價(jià)為13 500元/m（含安裝費(fèi)、運(yùn)費(fèi)），而對(duì)應(yīng)尺寸的鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵每延米的造價(jià)基本在2萬(wàn)元左右。由此可見(jiàn)，采用鋼波紋管涵有利于施工成本的控制，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3?波形鋼管涵的設(shè)計(jì)方案

3.1?主要設(shè)計(jì)方案

該波形鋼管涵設(shè)計(jì)為2孔5 m的過(guò)水涵洞，與路線(xiàn)交角90°，涵長(zhǎng)90 m，進(jìn)出口形式為八字墻。主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）波形鋼管涵的波形尺寸為380 mm×140 mm，壁厚5 mm。波紋管為環(huán)向4片拼裝，成型后單塊板寬度為1 620 mm（4個(gè)完整波紋）。鋼板材質(zhì)選用Q345，表面為熱浸鍍鋅，鍍鋅量≥900 g/m2（雙面合計(jì)），熱浸鍍鋅后波紋鋼板表面做熱熔覆塑。

（2）波形鋼管拼接成型后各接縫處及螺栓接口處用耐候密封膠密封。

（3）為保證波形鋼管涵的強(qiáng)度及剛度，減少接縫強(qiáng)度衰減，波紋鋼管上的接縫以最少為原則。

（4）波紋鋼板上不允許有任何焊接。

（5）地基承載力≥0.15 MPa，否則應(yīng)采取換填或其他加固措施。

3.2?波形鋼管涵結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

本項(xiàng)目采用的鋼波紋管涵波形尺寸為380 mm×140 mm，直徑D=5 m，厚度t=5 mm，填石高度H=18.17 m，鋼材材質(zhì)為Q345。

（1）荷載計(jì)算：設(shè)計(jì)荷載主要考慮管頂以上填土高度恒載和行車(chē)荷載的綜合作用，總荷載為：Pv=274.5 kN/m2。

（2）環(huán)向壓力：為適應(yīng)管材管壁受到徑向壓力而產(chǎn)生的變形，管涵結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度。作用于管面的波紋管環(huán)向壓力C=686.25 kN/m。

（3）極限應(yīng)力計(jì)算：當(dāng)取安全系數(shù)為2時(shí)，極限應(yīng)力的計(jì)算值為1 550 kg/ cm2。

（4）波紋管涵強(qiáng)度校核：PC=C/A=686.25/0.713=962.5 kg/ cm2<1 550 kg/cm2。

（5）施工剛度：根據(jù)柔度系數(shù)FF=D2/EI=0.010 19，<設(shè)計(jì)值0.114。本工程中波紋管符合施工的剛度要求。

4?波形鋼管涵的施工工藝

拼裝波紋涵管主要施工工藝及程序?yàn)椋夯娱_(kāi)挖→基礎(chǔ)墊層→拼裝波形鋼管管涵→密封膠密封接縫→涂刷瀝青防水層→管底楔形部位填壓→兩側(cè)和管頂部位回填→壓實(shí)→洞口處理。

4.1?基坑開(kāi)挖

基坑開(kāi)挖應(yīng)嚴(yán)格按施工圖要求進(jìn)行，當(dāng)基底土為淤泥等不良土層時(shí)，應(yīng)采取換填碎石等加固處理措施，保證基底承載力≥0.15 MPa。開(kāi)挖完成后，不得出現(xiàn)長(zhǎng)期暴露、擾動(dòng)、浸泡等安全隱患，應(yīng)在檢測(cè)基坑尺寸、基底標(biāo)高、基底承載力等指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后，立即進(jìn)行基礎(chǔ)施工。

4.2?基礎(chǔ)墊層

波形鋼管涵的地基必須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力要求，并應(yīng)做成與管身弧度密貼的弧形管座。管座基礎(chǔ)墊層應(yīng)采用材質(zhì)均勻、無(wú)大石塊硬物等滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的材料。當(dāng)管涵地基為巖石或混凝土?xí)r，應(yīng)在管節(jié)與地基之間設(shè)置砂礫墊層或其他適宜材料，避免管節(jié)受損變形。基礎(chǔ)砂礫墊層根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求的寬度、厚度進(jìn)行施工，每層壓實(shí)層厚應(yīng)≤20 cm，壓實(shí)度≥96%。

4.3?波形鋼管管涵拼裝及安裝

波形鋼板片運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，一般在涵洞基坑施工完成的基礎(chǔ)墊層上進(jìn)行拼裝。拼裝的主要流程為：（1）拼裝底板，以涵洞中心軸線(xiàn)和中點(diǎn)為基準(zhǔn)定位第一塊波形鋼板片，然后向兩端延伸至管涵進(jìn)出口;（2）拼裝環(huán)向板，從已經(jīng)確定的基準(zhǔn)底板開(kāi)始拼裝，由下向上環(huán)向依次進(jìn)行，并向兩端延伸至管涵進(jìn)出口。

拼裝應(yīng)注意的事項(xiàng)為：（1）相鄰節(jié)段的周向搭接縫必須錯(cuò)位布置，嚴(yán)禁接搭處有4層或4層以上的重疊;（2）管節(jié)拼裝時(shí)，上游管節(jié)的端頭應(yīng)置于下游管節(jié)的內(nèi)側(cè)，不得反置;（3）采用法蘭盤(pán)或管箍環(huán)向拼裝時(shí)，應(yīng)將螺栓孔的位置對(duì)準(zhǔn)，并應(yīng)按產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)定的扭矩值進(jìn)行螺栓的施擰;（4）應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，通常可為管長(zhǎng)的0.6%～1.0%，最大≤2.0%，以保證管道中部不出現(xiàn)凹陷或逆坡為準(zhǔn);（5）波形鋼板上不允許有任何焊縫。

4.4?密封膠密封接縫

在波形鋼管涵鋼片拼裝完成后，應(yīng)立即開(kāi)展管涵密封防腐處理工作。通過(guò)采用膠槍等專(zhuān)用工具，在鋼管結(jié)構(gòu)鋼片搭接、端部搭接、連接螺栓等空隙較大的位置裝填封孔耐候膠，進(jìn)一步提高波形鋼管涵的整體密封性。

4.5?涂刷瀝青防水層

波形鋼管板片運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求檢測(cè)其鍍鋅層厚度、鍍鋅量等指標(biāo)，不滿(mǎn)足要求的應(yīng)堅(jiān)決退場(chǎng)。如果管節(jié)內(nèi)、外管壁均進(jìn)行了噴塑，則須在外管壁上增加涂刷瀝青防水層工藝;如果管節(jié)內(nèi)、外管壁均沒(méi)有噴塑，則均須在內(nèi)、外管壁上增加涂刷瀝青防水層工藝。瀝青防水涂層可以采用含有石棉纖維的厚瀝青涂料或含有瀝青煤油的拌合物涂料，厚度須達(dá)0.4～0.5 mm。瀝青防水涂層晾干后方可進(jìn)行下一步的回填工作。

4.6?管底楔形部位回填砂礫

該部位砂礫的回填碾壓質(zhì)量是整個(gè)工程回填質(zhì)量控制的關(guān)鍵，本項(xiàng)目采用了粗砂（天然砂、機(jī)制砂）“水密法”進(jìn)行振搗密實(shí)。主要施工流程為：在管涵結(jié)構(gòu)最大直徑兩側(cè)20 cm范圍內(nèi)，人工配合機(jī)械攤鋪粗砂，每層松鋪厚度為30 cm。在粗砂攤鋪邊緣處采用黏土袋堆碼包邊，并布設(shè)過(guò)濾層及直徑≥10 cm的排水PVC管。每層攤鋪粗砂均需在注水的同時(shí)進(jìn)行振搗，振搗棒移動(dòng)方向應(yīng)與順坡排水方向一致，由高向低移動(dòng)。每層攤鋪粗砂完成注水振搗后，應(yīng)進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，壓實(shí)度≥96%。

4.7?兩側(cè)和管頂部位回填

在波形鋼管涵結(jié)構(gòu)兩側(cè)1倍直徑及頂部2 m范圍內(nèi)，應(yīng)根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)中涵背回填的材料、粒徑、級(jí)配等具體要求進(jìn)行施工。回填的先后順序?yàn)椋汗芎撞績(jī)蓚?cè)楔形位置→管涵兩側(cè)1倍直徑范圍內(nèi)→管涵頂部2 m范圍內(nèi)?；靥钸^(guò)程中應(yīng)確保在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)且均衡的狀態(tài)下作業(yè)。

4.8?壓實(shí)

涵洞兩側(cè)回填時(shí)，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用相適應(yīng)的碾壓、夯實(shí)機(jī)具，在確保波形鋼管涵結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，應(yīng)保證涵背回填土的壓實(shí)度≥96%。由于該段路基為填石路堤，在管涵結(jié)構(gòu)兩側(cè)20 cm至1倍直徑范圍內(nèi)，應(yīng)選擇透水性好、易壓實(shí)、固結(jié)完成快、壓縮變形小的砂性土、砂礫土、碎石土等符合路基施工要求的填料及采用級(jí)配碎石填料，其中級(jí)配碎石最大粒徑≤37.5 mm，壓碎值≤30%，4.75 mm以下石屑摻量控制在40%左右。管涵結(jié)構(gòu)兩側(cè)1倍直徑范圍以外，應(yīng)采用22 t羊足碾按照填石路堤的工藝要求進(jìn)行碾壓，填石路堤壓實(shí)層厚≤50 cm，填石粒徑≤30 cm。涵管頂部回填土（石）厚度<50 cm時(shí)，應(yīng)采用<6 t的壓路機(jī)靜壓壓實(shí)，層厚<20 cm，壓實(shí)度≥96%。涵管頂部回填土（石）厚度>50 cm時(shí)，方可采用12 t以上壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，層厚<20 cm，壓實(shí)度≥96%。涵管頂部回填土（石）厚度>300 cm時(shí)，方可按照填石路堤的方式進(jìn)行正常碾壓。

4.9?洞口處理

在涵洞兩側(cè)回填過(guò)程中，波形鋼管涵管壁可能會(huì)產(chǎn)生一定范圍的變形現(xiàn)象。為避免該變形現(xiàn)象對(duì)洞口混凝土八字墻的影響，應(yīng)采取如下處理方式：在波形鋼管涵拼裝完成后，八字墻墻身僅施工至管涵頂標(biāo)高，暫不施工帽石，并采用兩排沙（土）袋進(jìn)行臨時(shí)擋土;待完成涵洞兩側(cè)填土及涵頂路基土石方施工15 d后，再清理臨時(shí)擋土的沙（土）袋，并繼續(xù)施工涵洞八字墻剩余工程。

5?施工效果

該波形鋼管涵施工后，利用原布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)定期觀測(cè)了約1.5年。經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：（1）該段路基穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)明顯下沉、沉降等現(xiàn)象;（2）波形鋼管涵內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、凹陷、脫空、腐蝕等現(xiàn)象;（3）內(nèi)部未見(jiàn)積淤、堵塞現(xiàn)象，管涵排水順暢;（4）波形鋼管涵端頭與八字墻混凝土銜接處未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。工程整體施工情況較好。

6?結(jié)語(yǔ)

高速公路的涵洞除了實(shí)現(xiàn)基本的排水功能以外，還需綜合考慮環(huán)境保護(hù)、工程造價(jià)、施工進(jìn)度、施工環(huán)境等因素。波形鋼管涵在技術(shù)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，特別是施工進(jìn)度、工程造價(jià)方面均有較大優(yōu)勢(shì)，在高速公路施工中具有較大的推廣價(jià)值。

[1]池坤敏.鋼波紋管涵在南方山區(qū)高速公路中的應(yīng)用[J].公路與汽運(yùn)，2012（4）：242-244.

[2]金繼偉.高速公路鋼波紋管涵的研究及應(yīng)用[J].河南科學(xué)，2012，30（5）：630-634.

[3]陳建民.大跨徑鋼波紋管涵在高速公路的應(yīng)用[J].山西建筑，2012，38（15）：189-190.

[4]郭新春，梁養(yǎng)輝，胡?濱，等.鋼波紋管在公路涵洞工程中的應(yīng)用研究[J].公路交通科技，2013（4）：113-115.