拐彎鋼波紋涵在山區(qū)公路中的應(yīng)用

于 博

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

鋼波紋管作為一種柔性結(jié)構(gòu)物，其在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)M向位移進(jìn)行補(bǔ)償，能夠高效發(fā)揮鋼材的抗彎拉性能，具有較強(qiáng)的抵抗變形和抵抗沉降的特性，且在現(xiàn)場施工過程中具有運(yùn)輸存放方便、施工工藝便捷、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。文中以京昆國家高速公路太原繞城西北段改線工程案例作為研究對象，對其施工工藝、受力特性、造價(jià)、工期等方面進(jìn)行對比分析探討，發(fā)現(xiàn)用鋼波紋管涵代替?zhèn)鹘y(tǒng)涵洞，有很大的優(yōu)越性，可為鋼波紋管涵在山區(qū)公路建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供實(shí)踐參考。

1 鋼波紋管涵的構(gòu)造及特性

鋼波紋管涵構(gòu)造形式涵蓋混凝土涵洞的所有常規(guī)類型，連接多采用栓接、鉚接和套接形式，公路建設(shè)中采用管涵形式較為常見。其較混凝土涵洞具有變形能力強(qiáng)、地形適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡單周期短、對周邊環(huán)境破壞少更環(huán)保等特性。

2 波紋鋼管（板）涵洞的適用范圍

2.1 適用波紋管的情況

a）一般公路工程 在滿足過水、通行等基本要求的情況下，波紋鋼管（板）結(jié)構(gòu)在受力性能、施工工期、行車舒適性、養(yǎng)護(hù)成本、綜合造價(jià)等方面與同等跨度的傳統(tǒng)鋼筋混凝土涵洞相比具有優(yōu)勢。

b）不良地質(zhì)條件 膨脹土、軟土等特殊地區(qū)，地基不均勻沉降可能對剛性涵洞造成破壞時(shí)。

c）高填方路段 采用拱涵、蓋板涵地基承載力不滿足要求、基礎(chǔ)處理費(fèi)用較高時(shí)。

d）山區(qū)公路 鋼筋混凝土涵洞使用的材料如鋼筋、水泥、砂石料、淡水等缺乏的地區(qū)；山區(qū)便道修建較困難的地段、鋼筋混凝土涵洞原材料運(yùn)輸困難時(shí)。

e）快修工程 應(yīng)急搶險(xiǎn)、救災(zāi)等對工期要求較緊的工程時(shí)。

f）加固工程 舊橋或涵洞有病害，采用內(nèi)套方式加固時(shí)。

2.2 下列情況下一般不建議采用波紋鋼管（板）涵洞

a）長期（每年2個(gè)月以上）積水的涵洞結(jié)構(gòu)。

b）易于淤塞且與潮濕性材料長期（每年2個(gè)月以上）接觸的涵洞結(jié)構(gòu)。

c）近?；蛑?、強(qiáng)腐蝕環(huán)境（pH小于5.5，電阻率小于50 ohm-m）。

3 鋼波紋管應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程背景

京昆國家高速公路太原繞城西北段改線工程K23+430—K31+720段路線位于黃土丘陵區(qū)，路線跨越多處黃土沖溝，K26+020處地面經(jīng)年累月受雨水侵蝕，形成如掌紋般縱橫捭闔相互交織的復(fù)雜V型沖溝，溝壁陡峭，地表起伏較大，溝底沉積物為淤泥質(zhì)軟土，匯水面積不大，孔徑建議采用1-2 m涵洞，現(xiàn)場調(diào)查和內(nèi)業(yè)比對后發(fā)現(xiàn)，此處主線填土高度達(dá)30 m，沖溝輾轉(zhuǎn)徘徊，若采取直線布設(shè)，涵洞軸線無法擬合到自然沖溝范圍，對此處山體破壞巨大，采用傳統(tǒng)的蓋板涵和拱涵難以滿足地形要求，另由于路基填土高，會造成結(jié)構(gòu)自重過大，增加對地基承載力的要求，混凝土結(jié)構(gòu)施工期長，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，需要的水泥砂石和鋼筋量較大，且地形狹窄，不利于施工。根據(jù)地形地貌地質(zhì)情況，經(jīng)多方案比選，選用直徑為1-2 m的整體鋼波管涵，更適合施工，后期維護(hù)費(fèi)用較低。涵洞立面見圖1。

圖1 涵洞立面布置圖

3.2 鋼波紋管技術(shù)指標(biāo)

該項(xiàng)目所采用的波紋管的主要技術(shù)指標(biāo)有以下幾條：

a）設(shè)計(jì)安全等級 二級；

b）設(shè)計(jì)使用年限 100年；

c）設(shè)計(jì)汽車荷載 公路-I級；

d）地震動峰值加速度為0.05g，抗震設(shè)防烈度為6度；0.1g及以上可參考使用，并需進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)算；

e）填土容重 γ=20kN/m3，填土彈性模量12 MPa；

f）涵洞孔徑 1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m；

g）涵洞交角（涵洞軸線與路線法線之夾角）0°～45°，每5°一級?？讖?.0 m、6.0 m涵洞最大斜交角度為30°；

h）涵頂填土高度 見表1。

表1 涵洞孔徑及對應(yīng)的填土高度 m

i）涵洞洞口的類型 跌水井、八字墻＋急流槽；

j）環(huán)境類別 I類。

3.3 主要材料

該鋼波紋管斷面結(jié)構(gòu)尺寸管身采用Q345熱軋鋼板制作。鋼板滿足《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591－2008）和《熱軋鋼板和鋼帶尺寸、外形、重量及允許偏差》（GB/T709－2006）的要求，屈服強(qiáng)度不小于350 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于470 MPa；采用熱浸鍍鋅對鋼板表面進(jìn)行處理，鍍鋅M20螺栓緊固，密封膠及EVA泡沫板密封。

3.4 涵身主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1 設(shè)計(jì)計(jì)算采用的規(guī)范

參照美國鋼鐵協(xié)會的設(shè)計(jì)計(jì)算方法（AISI法）、美國規(guī)范《AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，4th Edition》、加拿大規(guī)范 Canadian Highway Bridge Design Code(CAN/CSA-S6-06)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，具體采用規(guī)范和算法如表2。

表2 計(jì)算校核方法及對應(yīng)跨徑

3.4.2 荷載計(jì)算

a）永久作用 涵頂填土按土柱重理論計(jì)算，容重 γ=20 kN/m3，內(nèi)摩擦角 φ=30°。

b）可變作用 按汽車荷載公路-I級計(jì)算，不考慮涵洞頂土柱和周圍填土的摩擦力，考慮車道折減，采用角度分布法計(jì)算，半無限彈性體理論核算。

c）偶然作用 地震作用按加拿大規(guī)范計(jì)算時(shí)，僅取地震動峰值加速度值為0.05g；大于0.05g時(shí)需另行計(jì)算。

3.5 構(gòu)造措施和方法

為了保證管體的整體性、強(qiáng)度、密封性及后期維護(hù)的便捷性，管體拼裝完成后的周向接縫及軸向接縫數(shù)量以最少為原則。

3.5.1 涵底縱坡

涵底縱坡不大于5%。涵洞根據(jù)填土高度和地基情況設(shè)預(yù)拋高；涵洞預(yù)拋高峰值放在與路線中心交點(diǎn)處，往涵洞兩端按二次拋物線過渡，預(yù)拋值需根據(jù)變形計(jì)算擬定。地基沉降較大時(shí)，應(yīng)采用反開挖工藝施工涵洞。

原地面高差較大采用在進(jìn)水口設(shè)置跌水井、出水口設(shè)置急流槽的方式，以降低涵洞流水面坡度。

3.5.2 涵洞預(yù)變形

涵洞頂部填土按規(guī)范完成后，豎直方向產(chǎn)生向下的壓力，涵洞會出現(xiàn)向兩側(cè)突出，從而引起閉合結(jié)構(gòu)從“圓”變?yōu)椤八綑E圓”的趨勢[1]；該問題可以采用通過在圓管中心張拉水平拉桿強(qiáng)迫波紋鋼管周向預(yù)變形約1%～2%（具體通過計(jì)算確定）的方法解決。

3.5.3 連接件

整體式波紋管的連接法蘭采用角鋼、鋼板制作。采用性能指標(biāo)符合《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》（GB/T 1231—2006）要求的高強(qiáng)度熱鍍鋅六角螺栓、螺母和墊圈來進(jìn)行現(xiàn)場裝配。墊片和緊固件相匹配。墊片一面是平面，一面為曲面，注意墊片形狀與波紋鋼管（板）的弧形匹配。

3.5.4 密封材料

采用耐久性較好的密封材料；可選用橡膠墊片,應(yīng)滿足《管法蘭用非金屬平墊片技術(shù)條件》（GB/T 9129—2003）規(guī)范的要求；也可選用硅酮耐候密封膠，應(yīng)滿足《硅酮建筑密封膠》（GB/T 14683—2003）規(guī)范的要求。

3.6 耐久性設(shè)計(jì)

3.6.1 金屬構(gòu)件防腐體系（見表3）

表3 金屬構(gòu)件防腐體系一覽表

3.6.2 熱浸鍍鋅

螺栓、螺母、法蘭等熱浸鍍鋅量不小于600 g/m2。

波紋鋼管（板）內(nèi)、外表面均需進(jìn)行熱浸鍍鋅，鍍鋅層（單面）的平均厚度大于84μm，鍍鋅量（單面）不小于600 g/m2。

熱浸鍍鋅采用GB/T 470規(guī)定的1號或0號鋅，鋼板表面處理的最低等級為Sa2.5。

3.6.3 瀝青涂層

波紋鋼管（板）現(xiàn)場安裝完畢后，在管道外壁及螺栓周邊均勻噴涂瀝青漆或乳化瀝青兩道，涂層厚度不小于0.5 mm。涂層應(yīng)均勻光滑、連續(xù)，無肉眼可分辨的空隙、裂縫、脫皮及其他缺陷。瀝青晾干后方可施工臺背回填。瀝青涂層應(yīng)滿足《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》（JT/T 722—2008）規(guī)范的要求。

3.7 基礎(chǔ)施工和涵身回填

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為兩層的結(jié)構(gòu)形式，下層為要求高度壓實(shí)的礫石、碎石，以提供地基承載力；上層松鋪粗砂，以保證波紋鋼管（板）與基礎(chǔ)密貼，起到弱化基礎(chǔ)剛度以減載的目的。上層基礎(chǔ)（過渡層）材料的粒徑不得大于12 mm且不得大于波紋鋼管（板）波峰、波谷曲率半徑的1/3。結(jié)構(gòu)性回填區(qū)的填土結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)性回填區(qū)的填土結(jié)構(gòu)

施工安裝注意基礎(chǔ)放樣時(shí)應(yīng)在涵底砂礫基礎(chǔ)頂部沿涵洞軸線設(shè)一定的預(yù)拱度，一般在0.6%～1.0%之間。波紋管涵洞安裝完畢后，應(yīng)進(jìn)行檢測，檢測合格后，再次進(jìn)行熱涂瀝青防腐處理，防腐措施驗(yàn)收合格后，管身兩側(cè)土方回填嚴(yán)格按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》完成。

3.8 設(shè)計(jì)成果及造價(jià)對比

本涵位于彎曲的沖溝內(nèi)，根據(jù)所處溝內(nèi)地形，將波紋管進(jìn)行了兩次角度的變換。見圖3。經(jīng)拐彎設(shè)計(jì)后減少了開挖，節(jié)約了造價(jià)。

圖3 平面設(shè)計(jì)圖

經(jīng)過測算在同等滿足凈空要求的條件下，1-2 m混凝土蓋板涵每延米約17 000元左右，鋼波紋管每延米8 000元，蓋板涵造價(jià)是鋼波紋管涵的2倍，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語

通過本次對比研究發(fā)現(xiàn)，波紋管除在特殊環(huán)境（中、強(qiáng)腐蝕環(huán)境）外，其顯著的優(yōu)越性成為行業(yè)中倍受歡迎的涵洞類型。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

a）從涵洞軸線的布設(shè)考慮，鋼波紋管涵能最大幅度地依山形地勢布置，不破壞就是最大的保護(hù)，減少對周邊山體的擾動，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)對路基整體質(zhì)量的提升提供了保障。

b）出于材質(zhì)方面考慮，鋼波紋管涵較普通混凝土蓋板涵抗變形能力更好，且承載力要求不高，降低了施工單位地基處理難度。

c）從安裝施工上考慮，剛波紋管管節(jié)均是工廠統(tǒng)一設(shè)計(jì)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，拼裝施工簡單，節(jié)約勞動力，大幅縮減施工周期。