波紋鋼管涵填埋技術(shù)分析

汪 永 奇

(安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031)

1 概述

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土涵洞在運(yùn)營(yíng)后期，常因結(jié)構(gòu)剛度較大，不能適應(yīng)地層的變形而帶來(lái)一系列問(wèn)題，如管涵結(jié)構(gòu)開(kāi)裂與破損、涵頂路面開(kāi)裂、路面平整度不達(dá)標(biāo)、路面剛度突變導(dǎo)致車輛通過(guò)時(shí)的不平穩(wěn)等[1，2]。然而，波紋鋼管涵在合理設(shè)計(jì)與施工的情況下，理論上更容易避免上述工程病害。由于波紋鋼管涵的波紋的存在，使管涵在橫向具有比無(wú)波紋時(shí)更大的剛度，同時(shí)在管涵縱向具有良好的柔性，其變形性能良好，可充分發(fā)揮鋼材的力學(xué)與變形性能，從而達(dá)到了管涵在縱向上良好地適應(yīng)地層的不均勻沉降，因此尤其適用于老路拓寬的公路工程。波紋鋼管涵相比傳統(tǒng)的圬工橋涵、鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵、拱涵等而言具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如工程實(shí)際造價(jià)比同類跨徑的橋、涵洞低；現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工，施工工期短[3-6]。

波紋鋼管涵在國(guó)內(nèi)使用十余年，從一開(kāi)始的在青藏鐵路和公路的應(yīng)用研究，為后期使用推廣奠定了良好的基礎(chǔ)，目前已在很多地質(zhì)地形情況下應(yīng)用，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，先后在多年凍土區(qū)、濕陷性黃土區(qū)、軟土區(qū)、沿海區(qū)、沼澤區(qū)、山區(qū)高填方、平原淺填方區(qū)、膨脹土區(qū)等地形特征中應(yīng)用。在國(guó)外同樣也得到了較好的應(yīng)用，涉及行業(yè)包括公路、鐵路、礦區(qū)、市政管線[7]。然而，基于波紋鋼管涵的力學(xué)特性，在填埋過(guò)程中也將面臨特殊的問(wèn)題，且波紋鋼管涵的填埋質(zhì)量問(wèn)題直接關(guān)系到路面質(zhì)量。本文先對(duì)波紋鋼管涵施工面臨的問(wèn)題及對(duì)路面的影響進(jìn)行了調(diào)研，在此基礎(chǔ)上提出了波紋鋼管涵填埋方法及填埋過(guò)程中的相關(guān)注意事項(xiàng)。論文成果對(duì)推廣波紋鋼管涵的應(yīng)用具有重要作用。

2 波紋鋼管涵的工程應(yīng)用及面臨的工程問(wèn)題

2.1 波紋鋼管涵工程應(yīng)用概述

波紋鋼管涵在我國(guó)工程中應(yīng)用主要是在20世紀(jì)末，由于波紋鋼管涵的波紋的存在，使管涵的橫向剛度比同等用鋼量的鋼管涵具有更大的剛度，同時(shí)在波紋鋼管涵縱向具有良好的柔性，其變形性能良好，可充分地發(fā)揮鋼材的力學(xué)與變形性能，從而達(dá)到了管涵在縱向上良好地適應(yīng)地層的變異性，因此尤其適用于老路拓寬的公路工程。結(jié)合相關(guān)研究與工程應(yīng)用的調(diào)研與分析表明，波紋鋼管主要適用范圍有：

1)高填方路段。

采用拱涵或蓋板涵地基承載力不滿足要求，或施工質(zhì)量難以保證且費(fèi)用較高時(shí)；

2)山區(qū)公路。

澆筑混凝土使用的原材料缺乏，施工用水困難，或水泥、鋼材等材料運(yùn)輸不便時(shí)；

3)不良地質(zhì)條件。

常年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等特殊地區(qū)，地基不均勻沉降可能對(duì)剛性涵洞造成破壞時(shí)；

4)北方地區(qū)。

受工期影響或季節(jié)氣候制約，采用混凝土結(jié)構(gòu)難以滿足質(zhì)量及工期要求時(shí)；

5)快修工程。

應(yīng)急搶險(xiǎn)、救災(zāi)等對(duì)工期要求較緊的涵洞；

6)一般公路工程。

與同等跨度的常規(guī)混凝土管涵、蓋板涵和箱涵相比，波紋鋼管涵洞在受力性能、施工工期、使用壽命、行車舒適度、養(yǎng)護(hù)成本、綜合造價(jià)等綜合因素具有可比性時(shí)；

7)公路拓寬工程。

新建公路基礎(chǔ)與既有公路基礎(chǔ)易發(fā)生差異沉降，而波紋鋼管涵因波紋的存在，可良好地適應(yīng)地基的不均勻沉降。

2.2 波紋鋼管涵面臨的問(wèn)題分析

波紋鋼管涵應(yīng)用主要面臨兩大問(wèn)題：一是不便施工；二是對(duì)路面的不利影響。對(duì)已有研究調(diào)研表明，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，波紋鋼管涵在填埋過(guò)程中環(huán)縫接頭易發(fā)生破壞；施工過(guò)程中局部荷載作用易導(dǎo)致波紋鋼管涵發(fā)生局部?jī)?nèi)凹；不對(duì)稱填土或施工設(shè)備直接作用在波紋鋼管上可能導(dǎo)致波紋鋼管發(fā)生失穩(wěn)破壞，如圖1所示。

從已有的波紋鋼管涵頂部路面調(diào)研來(lái)看，當(dāng)管涵直徑較大，且上覆土厚度較小時(shí)，管涵頂部路面易發(fā)生路面開(kāi)裂，如圖2所示，由于管涵結(jié)構(gòu)與土層無(wú)法達(dá)到協(xié)調(diào)變形，由此將導(dǎo)致管涵上覆土層出現(xiàn)不均勻沉降，如圖3所示。

3 波紋鋼管涵填埋施工

3.1 波紋鋼管涵填埋施工方法

現(xiàn)有的上埋式波紋鋼管涵填埋施工過(guò)程中，一般先放置波紋鋼管涵，再逐層填土并碾壓。現(xiàn)有的施工方式中，在波紋鋼管涵下半部分的側(cè)部不便于碾壓操作；而在波紋鋼管涵上半部分的側(cè)部及波紋鋼管涵頂部填筑施工時(shí)，因波紋鋼管涵剛度過(guò)小，填土與碾壓過(guò)程中易導(dǎo)致波紋鋼管涵發(fā)生局部變形，因而不利于填土碾壓施工。波紋鋼管涵周圍碾壓不密實(shí)，在波紋鋼管涵上部填土過(guò)程中，波紋鋼管涵發(fā)生橫橢圓變形時(shí)其水平地層抗力增加并不多，由此導(dǎo)致波紋鋼管涵的最終橫橢圓變形過(guò)大，甚至發(fā)生失穩(wěn)而坍塌。不便碾壓區(qū)如圖4所示。

為了確保波紋鋼管涵填埋質(zhì)量，在此提出采用部分溝埋式填埋方法，同時(shí)采用臨時(shí)內(nèi)支撐防止填埋過(guò)程中導(dǎo)致波紋鋼管涵發(fā)生過(guò)大變形，具體包括：

1)填土并碾壓到管涵一半高度；2)開(kāi)挖形狀與波紋鋼管下半部形狀匹配的溝槽(如圖5a)所示)；3)溝槽整理后管涵放置或拼裝(如圖5b)所示)；4)管涵內(nèi)部設(shè)置內(nèi)支撐(如圖5c)所示)；5)上部填土；6)填土到管涵頂部1 m～2 m，或水穩(wěn)層以下后，內(nèi)支撐拆除；7)在內(nèi)支撐拆除后再填筑過(guò)程中，注意觀測(cè)，對(duì)變形不穩(wěn)定的波紋鋼管涵，考慮進(jìn)行內(nèi)加形狀匹配的圓鋼管加固。

通過(guò)上述施工方法與措施，在波紋鋼管涵填埋時(shí)，方便將波紋鋼管周圍的填土壓實(shí)，且在填土施工時(shí)，防止管涵發(fā)生過(guò)大變形，甚至坍塌，最大限度地使管涵保持設(shè)計(jì)形狀，防止道路運(yùn)營(yíng)后因管涵變形導(dǎo)致路面發(fā)生不均勻沉降。

3.2 波紋鋼管涵填埋注意事項(xiàng)

根據(jù)上述調(diào)研與分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，提出如下波紋鋼管涵填埋建議：

1)管涵基底處理應(yīng)盡量與兩側(cè)同深度位置的路基基底相同；

2)挖至標(biāo)高的土質(zhì)基礎(chǔ)不得長(zhǎng)期暴露，擾動(dòng)或浸泡，并應(yīng)及時(shí)檢查基礎(chǔ)高程，基底承載力等；

3)波紋鋼管涵的基礎(chǔ)必須有足夠強(qiáng)度、穩(wěn)定性和均勻性，但不必比管涵結(jié)構(gòu)周圍承受回填材料的原狀土體更強(qiáng)；

4)對(duì)預(yù)計(jì)地基有一定沉降的情況，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(yù)拱度，基礎(chǔ)在涵管縱向預(yù)拱度一般為0.5%～1%；

5)回填材料應(yīng)符合填料的基本要求，尤其要注意管涵側(cè)部的填土。回填料應(yīng)傾倒在結(jié)構(gòu)兩側(cè)1.0倍直徑以外，再采用推土機(jī)或挖掘機(jī)移至管涵側(cè)部或上部；

6)波紋鋼管涵兩側(cè)回填應(yīng)對(duì)稱施工，分層回填，每層厚度為25 cm～30 cm；

7)緊挨波紋鋼管涵位置用機(jī)械夯實(shí)，管底下方楔形部要特別注意，防止壓實(shí)不足影響路基路面的穩(wěn)定性與耐久性；

8)涵洞兩側(cè)回填應(yīng)采用振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)，但不宜離管涵太近；

9)涵管上方當(dāng)回填厚度小于50 cm時(shí)采用手扶振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)或采用小于6 t的靜碾壓路機(jī)壓實(shí)，壓實(shí)度應(yīng)介于93%～95%之間。當(dāng)涵管頂填土大于50 cm～100 cm后，方可采用輕型壓路機(jī)碾壓施工，每層厚度25 cm～30 cm，壓實(shí)度應(yīng)介于93%～95%之間；

10)管涵填筑施工過(guò)程中做好結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)，以便調(diào)整填埋施工方案。

4 結(jié)論

1)施工過(guò)程中局部荷載作用易導(dǎo)致波紋鋼管涵發(fā)生局部?jī)?nèi)凹；不對(duì)稱填土或施工設(shè)備直接作用在波紋鋼管上可能導(dǎo)致波紋鋼管發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，波紋鋼管涵上部路面易發(fā)生沉陷與開(kāi)裂破損。

3)提出了采用部分溝埋式填埋方法，同時(shí)采用臨時(shí)內(nèi)支撐防止填埋過(guò)程中導(dǎo)致波紋鋼管涵發(fā)生變形。

4)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，提出了波紋鋼管涵填埋建議與注意事項(xiàng)。