鋼波紋管涵在農(nóng)村公路中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉慧

（甘肅省天水公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅 天水 741500）

0 引言

涵洞作為公路新改建工程中常用的排水結(jié)構(gòu)，必要時(shí)也可做通道、臨時(shí)渡河工程使用，其應(yīng)用范圍極其廣泛[1]。目前，在農(nóng)村公路建設(shè)中，涵洞結(jié)構(gòu)多采用鋼筋混凝土及圬工材料構(gòu)筑的箱涵、蓋板涵、圓管涵、拱涵等幾種形式。涵洞存在設(shè)計(jì)施工復(fù)雜、施工工期長的特點(diǎn)。此外，在不良地質(zhì)以及高填、深埋等條件下，涵洞易在運(yùn)營期間產(chǎn)生較大的損壞，為公路行車安全帶來較大的隱患，且其養(yǎng)護(hù)、維修投入成本巨大。隨著鋼波紋管涵在常年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等不良地質(zhì)條件及高填路段中的成功應(yīng)用，使其成為替代圓管涵、蓋板涵、拱涵、小橋的極佳選擇。鋼波紋管涵尤其適用于公路涵洞，其簡(jiǎn)潔的施工工藝使其在工期要求較短的農(nóng)村公路建設(shè)中，發(fā)揮了巨大作用。

1 鋼波紋管涵的概念

鋼波紋管涵又稱波紋管涵,是一種在管壁上形成波紋斷面,在管面上進(jìn)行防腐處理的金屬管狀結(jié)構(gòu),由碳鋼板冷成形而成，在一些公路和鐵路工程中代替混凝土涵洞和小橋，是一種具有一定柔性的高強(qiáng)度鋼波紋管。鋼波紋管涵不僅對(duì)基礎(chǔ)和基礎(chǔ)變形的適應(yīng)能力強(qiáng),還能有效解決基礎(chǔ)不均勻沉降所引起的涵洞破壞問題。由于軸向波紋的存在,使其具有優(yōu)良的應(yīng)力特性,承受軸向和徑向荷載引起的應(yīng)力和應(yīng)變,能更大程度地分散荷載的作用,更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

作為最常用和最經(jīng)濟(jì)的涵洞形式，鋼筋混凝土蓋板涵、拱涵的優(yōu)點(diǎn)很多，對(duì)底座承載能力要求較高，是其主要缺點(diǎn)。以1孔2×2m鋼筋混凝土板涵洞為例，當(dāng)涵洞頂部填充高度為12m時(shí),要求整體基礎(chǔ)（加固）的基礎(chǔ)承載力約為250kPa;當(dāng)涵洞頂填高為20m時(shí),要求整體基礎(chǔ)（加固）的基礎(chǔ)承載力約為400kPa;當(dāng)涵洞頂填高為32m時(shí),要求整體基礎(chǔ)（加固）的基礎(chǔ)承載力約為620kPa。如果蓋板涵距增大,對(duì)基礎(chǔ)承載力的要求也會(huì)隨之增加。如果是相同跨度的拱涵,其基礎(chǔ)承載力要高于板式涵洞。對(duì)于圓管涵洞和箱形涵洞來說,當(dāng)涵洞填充高度超過8m時(shí),隨著結(jié)構(gòu)尺寸的增大,已經(jīng)變得非常不經(jīng)濟(jì),這里不做討論。

2 農(nóng)村公路涵洞設(shè)計(jì)的基本要求——涵洞布設(shè)的要求

其一，應(yīng)在設(shè)計(jì)中盡可能完整地收集相關(guān)資料。對(duì)改、擴(kuò)建工程，還應(yīng)收集既有涵洞的相關(guān)資料，詳細(xì)了解涵洞的使用、養(yǎng)護(hù)、水毀等情況，并進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。

其二，進(jìn)行涵洞測(cè)設(shè)時(shí)，可以繪制簡(jiǎn)單的涵洞平面示意圖[2]。如果涵址地形及水文條件復(fù)雜，還應(yīng)繪制詳細(xì)的涵址地形圖。圖上應(yīng)標(biāo)示出涵洞的位置、改溝的位置及其附屬設(shè)施；改、擴(kuò)建工程還應(yīng)對(duì)既有涵洞的墩臺(tái)、進(jìn)出口構(gòu)造及鋪砌的位置和高程等進(jìn)行標(biāo)示。

其三，涵洞布設(shè)是指如果遇到溝形復(fù)雜、洞口布設(shè)難度大的情況時(shí)，可以不采用沿路線方向的涵址中線溝渠斷面進(jìn)行布設(shè)，而是選擇上、下游洞口附近的補(bǔ)充斷面。

其四，在農(nóng)村公路的涵洞設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用挖探或其他較為簡(jiǎn)單的方式對(duì)地質(zhì)進(jìn)行探查，如果遇到不良地質(zhì)的涵址，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)勘探，探明其地基的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖土承載力等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

其五，涵洞的布設(shè)應(yīng)與水流方向保持一致，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少斜交正做的使用。

其六，在農(nóng)村公路的涵洞設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮后期養(yǎng)護(hù)等情況，并充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，選用無壓力式涵洞。

3 鋼波紋管涵洞的通病

其一，由于基礎(chǔ)的不均勻沉降，會(huì)導(dǎo)致管體變形甚至開裂。因此，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件和施工環(huán)境對(duì)地基進(jìn)行處理,選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和地基處理方法。其二，管體回填材料的某些部位存在較大的石塊,導(dǎo)致管體的某些部位出現(xiàn)硬割傷或凸起，因此,必須嚴(yán)格篩選管體特殊壓實(shí)區(qū)的回填材料,填料的粒徑不得大于30mm。其三，兩側(cè)回填不對(duì)稱,嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)塌陷。因此,涵管兩側(cè)應(yīng)同步對(duì)稱充填,兩側(cè)回填高差不得大于30cm。其四，兩側(cè)填土不密實(shí)，會(huì)導(dǎo)致變形過大的問題，因此，填筑時(shí)應(yīng)按標(biāo)注線，每20cm進(jìn)行一次分層填筑、分層碾壓，壓實(shí)度達(dá)到95%后，方可進(jìn)行下層填筑。

4 鋼波紋管涵的結(jié)構(gòu)及挑選

4.1 鋼波紋管涵結(jié)構(gòu)

鋼波紋管涵按其截面形式可分為閉口截面結(jié)構(gòu)、開口截面結(jié)構(gòu)兩種，具體應(yīng)根據(jù)工點(diǎn)條件及使用功能進(jìn)行選擇。在農(nóng)村公路的涵洞設(shè)計(jì)中，多選用閉口截面結(jié)構(gòu)，小跨徑橋涵可選用開口截面結(jié)構(gòu)。

4.1.1 閉口截面結(jié)構(gòu)：橫截面是封閉的結(jié)構(gòu)物，如圓形、橢圓形、梨形等。閉口截面又分為整體式和拼裝式兩種。整體式宜采用鋼波紋管節(jié)，使用加強(qiáng)螺栓進(jìn)行拼裝。拼裝式則是由波紋鋼板件拼裝而成的管形結(jié)構(gòu)物。

4.1.2 開口截面結(jié)構(gòu)：橫截面不封閉的結(jié)構(gòu)物，一般指拱式結(jié)構(gòu)，腳處與基礎(chǔ)相連，如圓弧拱、多圓弧拱等。開口截面結(jié)構(gòu)物由波紋板件拼接而成。

4.2 鋼波紋管涵的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.2.1 鋼波紋管（板）涵為金屬結(jié)構(gòu)，其底部不得與巖石地基以及混凝土基礎(chǔ)直接接觸，應(yīng)先設(shè)置柔性墊層進(jìn)行過渡，其材料多使用砂礫或其他適宜材料，使其緊密相貼。

4.2.2 開口截面結(jié)構(gòu)為波形鋼板拼裝板，其多為拱式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)多采用鋼筋混凝土等圬工材料，拱腳處采用錨釘、槽鋼墊板與基礎(chǔ)相連接。基礎(chǔ)的設(shè)置應(yīng)在可靠的持力層中，并設(shè)置砂礫墊層以滿足基地應(yīng)力的要求。

5 鋼波紋管涵結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)和要點(diǎn)

5.1 基槽開挖

根據(jù)管涵分布情況和實(shí)際的地質(zhì)條件,采用機(jī)械開挖和人工配合進(jìn)行施工。機(jī)械開挖采用10.5～11的放坡系數(shù)。開挖棄土保留一部分符合填土要求的土方，其余土方外運(yùn)；在基坑開挖的過程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)中線和邊坡穩(wěn)定標(biāo)高的監(jiān)測(cè),防止超挖和中線位移的情況。機(jī)械開挖至設(shè)計(jì)管底標(biāo)高上部0.2m時(shí),停止機(jī)械作業(yè),改用人工開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高處?；邮┕ね瓿珊?應(yīng)對(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行檢查：基坑開挖尺寸、基底標(biāo)高、放坡系數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求;基坑底部土體狀況是否符合設(shè)計(jì)要求;槽底排水條件是否符合要求等。開挖時(shí)，要控制好基礎(chǔ)標(biāo)高,清除多余土方和雜物。有些過度挖掘的地方不能用松散土方直接回填，而要等基底墊層施工時(shí)統(tǒng)一調(diào)平并夯實(shí)。波紋管涵洞屬于開挖斷面時(shí),其基礎(chǔ)承載力應(yīng)達(dá)到0.18MPa及以上?；A(chǔ)填充的密實(shí)度應(yīng)達(dá)到92%以上。

5.2 兩側(cè)及頂部回填

按地基置換方法,在0.5～2m處進(jìn)行回填,頂部采用路基填筑材料。在對(duì)楔形處進(jìn)行回填時(shí)，應(yīng)確保密實(shí)度合格，也可將C15混凝土澆筑成管座。為方便填充，每隔15cm做一次標(biāo)記;密實(shí)度應(yīng)≥96%,每層單面不大于2m。只有在緊實(shí)度合格后才能填充下一層建筑。

兩側(cè)同步對(duì)稱回填時(shí),兩側(cè)高差應(yīng)≤30cm;管涵兩側(cè)至少25m的范圍內(nèi)不得有強(qiáng)夯作業(yè)。仔細(xì)檢查管涵兩端,清理涵洞內(nèi)的積水及雜物。如果板材之間有空隙,應(yīng)填塞緊密，并在內(nèi)部涂抹脫模劑。混凝土澆筑過程中,為了不造成離析，自由落體的高度應(yīng)控制在2m以內(nèi)。為防止管涵受到大型機(jī)械的沖擊，距離管體0.5m內(nèi),禁用超過50mm的石塊或其他硬物。該項(xiàng)目鋼波紋管涵洞由中心向兩端回填,不設(shè)擋土墻。最終的截面尺寸與裝配尺寸相差應(yīng)≤2%。如發(fā)生嚴(yán)重變形,應(yīng)立即停止所有工序,查明原因并采取有效措施進(jìn)行處理。

5.3 涵管拼裝連接的控制要點(diǎn)

5.3.1 在將波紋鋼板運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后,應(yīng)逐塊檢查其完整性。安裝時(shí)，拼接處必須清理干凈，確保拼縫、搭接緊密。

5.3.2 為保證施工安全,波紋管組裝平臺(tái)應(yīng)采用搭設(shè)盤扣支架。

5.3.3 由于管涵所受土壓力中間大、兩端小，因而洞中間的沉降往往大于兩邊,造成在管道內(nèi)積水,甚至無法排水的情況。因此,將管體的預(yù)拱度設(shè)置為管長的0.8%,可以確保管道中部不出現(xiàn)凹陷或逆坡。

5.3.4 將外圈搭接處的螺栓擰緊并符合要求后，在鋼板連接處和螺栓孔處采用專用密封材料進(jìn)行密封，以防止波形鋼板板縫、螺栓孔處和防波紋板連接處滲水。

5.3.5 安裝完畢后,在管道內(nèi)、外均勻涂上兩層熱瀝青,瀝青涂層的總厚度為1mm。

5.4 鋼波紋管（板）的防腐處理

5.4.1 鋼波紋管（板）出廠前一般會(huì)做鍍鋅防腐處理，防腐材料及工藝亦可采用其他新材料、新工藝。甘肅省天水公路事業(yè)發(fā)展中心于實(shí)踐中總結(jié)出了在鍍鋅處理的基礎(chǔ)上增設(shè)防腐瀝青的處理方法。

5.4.2 當(dāng)鋼波紋管（板）涵處于較強(qiáng)腐蝕或磨蝕條件下時(shí)，應(yīng)做內(nèi)襯設(shè)計(jì)。一般可在鋼波紋管（板）涵底部的一定范圍內(nèi)澆筑混凝土或使用其他內(nèi)襯材料。

5.5 回填設(shè)計(jì)

5.5.1 回填寬度應(yīng)不小于有效跨度的2倍，且當(dāng)涵洞跨徑小于1m時(shí)，涵洞兩側(cè)最小的回填寬度不小于0.5m。

5.5.2 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合工點(diǎn)供料情況選用經(jīng)濟(jì)、合理的材料作為回填土?；靥畈牧蠎?yīng)選用天然級(jí)配砂礫或水穩(wěn)性好的材料，如礫類土、砂類土，或者礫、卵石與細(xì)粒土的混合料。

5.5.3 回填土不得采用大型機(jī)械進(jìn)行填筑、壓實(shí)。閉口截面結(jié)構(gòu)管底下的方楔形部填料，可采用水密法，并用振蕩器振實(shí)。

5.5.4 回填土應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求，兩側(cè)保持對(duì)稱、均勻，分層攤鋪，逐層壓實(shí)。如因偏土壓導(dǎo)致鋼波紋管截面變形，則應(yīng)對(duì)截面形狀進(jìn)行校正，校正后再重新夯實(shí)。

5.5.5 在回填的施工過程中，從鋼波紋管（板）涵外邊緣向外2m以內(nèi)，應(yīng)嚴(yán)格控制重型機(jī)械的運(yùn)行。側(cè)面進(jìn)行夯實(shí)時(shí)，機(jī)械應(yīng)與鋼波紋管（板）涵的軸向平行行駛；夯實(shí)鋼波紋管（板）涵上方回填土?xí)r，應(yīng)沿路向行駛。

5.6 驗(yàn)算

5.6.1 進(jìn)行鋼波紋管（板）涵設(shè)計(jì)時(shí)，可不考慮涵身自重產(chǎn)生的等效荷載的作用效應(yīng)，對(duì)于跨徑較大和填土高度較大的鋼波紋管（板）涵，應(yīng)進(jìn)行柔度計(jì)算或施工階段的強(qiáng)度驗(yàn)算。

5.6.2 驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)按承載能力的極限狀態(tài)和正常使用的極限狀態(tài)對(duì)鋼波紋管（板）涵的覆土高度、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、連接強(qiáng)度和變形等分別進(jìn)行驗(yàn)算。

5.6.3 若工點(diǎn)存在腐蝕性水體、土體，或存在對(duì)涵洞有沖刷、磨蝕等損害其結(jié)構(gòu)耐久性的安全隱患時(shí)，應(yīng)按現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)橋梁耐久性處理措施，進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。

5.6.4 鋼波紋管涵洞施工技術(shù)是近年來引進(jìn)的新技術(shù)[3]，施工單位在實(shí)際施工過程中加強(qiáng)了對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用,從而促進(jìn)了我國工程施工的效率和質(zhì)量。隨著該技術(shù)的有效實(shí)施及進(jìn)一步發(fā)展,將更有力地推動(dòng)我國工程建設(shè)的發(fā)展。鋼波紋管結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟(jì)、耐用、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。目前,小跨度涵洞已在我國得到了廣泛應(yīng)用,初步形成了一套小直徑鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)施工模式。如果在此技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和應(yīng)用,針對(duì)我國多變且復(fù)雜的地形，鋼波紋管結(jié)構(gòu)將獲得更廣闊的應(yīng)用前景。

隨著我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)也經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。對(duì)鋼波紋管、特別是大跨度波紋鋼管結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并將其研究成果應(yīng)用到公路建設(shè)的過程中,將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

與普通的橋涵相比，鋼波紋管涵洞具有柔韌性好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以較好地適應(yīng)地基與基礎(chǔ)變形，亦能較好地解決寒冷地區(qū)由于溫度低、地基基礎(chǔ)不均勻沉降而產(chǎn)生的涵洞破壞問題。此外，鋼波紋管涵洞對(duì)地基的要求低,不需要大型施工設(shè)備,安裝迅速,施工周期短,工程造價(jià)比橋梁和其他普通涵洞的造價(jià)低。

6 鋼波紋管涵的施工應(yīng)用

6.1 挖基

6.1.1 溝渠開挖需要按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，當(dāng)基底土為淤泥等一系列不良土層時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行換填處理。

6.1.2 需要防止出現(xiàn)超挖的情況。

6.2 基礎(chǔ)砂墊層

6.2.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一定要有足夠的強(qiáng)度，其穩(wěn)定性及均勻性都應(yīng)得到提升?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)通常可使用30～80cm厚的砂礫，可使用級(jí)配理想的粗砂，使其能夠在基礎(chǔ)表面建立一層厚度為10cm的墊層，其中粒徑比較大的是12mm的砂礫。

6.2.2 當(dāng)前基礎(chǔ)砂礫層的壓實(shí)度不可低于96%。

6.3 回填

6.3.1 回填料可以用砂礫或應(yīng)用與路基填料相同的材料。

6.3.2 管涵兩邊的回填需要對(duì)稱進(jìn)行，每層的厚度需保持在20cm。

6.3.3 當(dāng)管涵上方回填的土厚度超過30cm時(shí)，應(yīng)采用扎路機(jī)對(duì)其完成靜壓；如果填土的厚度超過了60cm，則需使用扎路機(jī)對(duì)其進(jìn)行靜壓和振壓，壓實(shí)度應(yīng)不低于96%。

7 結(jié)語

在農(nóng)村公路建設(shè)中，鋼波紋管涵與傳統(tǒng)的圬工涵洞或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單、施工工期短、相對(duì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在后期運(yùn)營過程中，更有使用壽命長、養(yǎng)護(hù)成本低、綜合造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，因而，值得在農(nóng)村公路建設(shè)中進(jìn)行推廣。