高速公路新型波紋鋼管涵施工技術(shù)優(yōu)化

楊世偉

(中鐵十八局集團(tuán) 天津國際工程分公司，天津 河西 300222)

無論高速公路還是市政道路管涵工程施工，一般傳統(tǒng)做法是選取剛性較強(qiáng)的鋼筋混凝土預(yù)制裝配式或現(xiàn)澆的管涵、箱涵、蓋板涵，由于剛性的存在，這類涵管(洞)與四周路基不具備很強(qiáng)的協(xié)同性。在涵管(洞)位置處，存在管涵開裂、地基出現(xiàn)不均勻沉降、橋頭跳車等系列弊端，對(duì)路基造成不可彌補(bǔ)的破壞[1]。

波紋鋼管涵具備施工速度快、重量輕、質(zhì)量容易控制、運(yùn)輸方便、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，愈來愈多的工程項(xiàng)目將波紋鋼管涵管(洞)替換傳統(tǒng)的鋼筋砼涵管(洞)，特別是一些沙土、軟土等復(fù)雜地質(zhì)、運(yùn)輸不方便地區(qū)或丘陵、地形起伏大的山區(qū)。

波紋鋼管涵通常是由波形鋼板卷制成的圓形、橢圓形或馬蹄形鋼結(jié)構(gòu)，一般鋪埋在水利工程、市政道路、高速公路下部作為泄水洞、動(dòng)物通道或行人車輛通行的涵管(洞)。具有更強(qiáng)的抗壓、抗形功能，尤其是波紋鋼管涵的縱向更具備地層地質(zhì)適應(yīng)性，有效減少路面的裂縫和伸縮縫[2]。

結(jié)合某高速公路工程項(xiàng)目，通過研究施工過程中影響道路不均勻沉降原因，采取一系列優(yōu)化舉措，比如對(duì)波紋鋼管涵上回填土體增加土工格柵和分層回填方式，優(yōu)化波紋鋼管涵“反開挖”工法，通過改進(jìn)的半月型挖斗并輔助注漿，優(yōu)化施工工藝有效提高波紋鋼管涵周邊填土的密實(shí)度，切實(shí)提高波紋鋼管涵周邊填土壓實(shí)度，從而有效控制道路不均勻沉降。

1 工程概況

某高速公路工程有10座波紋鋼管涵管(洞)，涵管(洞)直徑為3 m、4 m、6 m，管頂填高1～8 m。波紋鋼管型號(hào)為Q345鋼，鋼板厚度為0.5～1 cm，碎石墊層下面的地基要求能承受250 KPa以上的承載力，而且螺栓、螺母的熱浸鍍鋅量都超過350 g/m2，對(duì)波紋鋼板的內(nèi)面和外面的表面都經(jīng)過了熱浸鍍鋅處理。

2 施工工藝和關(guān)鍵施工步驟

波紋鋼管涵施工工藝流程[3]見圖1。重點(diǎn)介紹波紋鋼管基礎(chǔ)墊層、預(yù)拱度設(shè)置、波紋鋼涵管(洞)安裝和涵管(洞)背部回填等關(guān)鍵施工工藝。

圖1 波紋鋼管涵施工工藝流程

2.1 基礎(chǔ)墊層施工

涵管(洞)承受的荷載一般借助兩側(cè)填土以及基礎(chǔ)進(jìn)行傳遞，波紋鋼管具有較強(qiáng)的變形適應(yīng)性，但對(duì)基礎(chǔ)墊層具有一定要求。如果地基承載力比較低，應(yīng)該將基礎(chǔ)的厚度進(jìn)行墊高處理；但如果原土壓實(shí)密度大于90%以上，便不用進(jìn)行壓實(shí)，可以將波紋鋼管涵管(洞)直接設(shè)置于地基上。當(dāng)基礎(chǔ)的地質(zhì)軟硬懸殊較大時(shí)，由于波紋鋼涵管柔性較好，如果采用比較剛性的基礎(chǔ)就削弱波紋鋼管涵柔性，另外還可能降低波紋鋼涵管(洞)自身的承載力。因此對(duì)軟硬懸殊的地質(zhì)中的剛性的巖石地基采取換填方式，通常是把其中的比較松軟土體清除，接著填筑優(yōu)質(zhì)土，另外進(jìn)行分層夯實(shí)[4]。為降低剛性基礎(chǔ)對(duì)波紋鋼涵管(洞)的不良影響，可以通過砂礫緩沖層進(jìn)行處理。如果基礎(chǔ)是普通地質(zhì)土層時(shí)，可以選取人工加工的級(jí)配碎石、礫石或自然形成的砂礫展開換填。換填之前，務(wù)必通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仔細(xì)測試，確保各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范要求后才能使用。由于施工區(qū)域存在濕陷性黃土和膨脹土，在此區(qū)域施工，在做好基礎(chǔ)換填工作之外，還必須施工前進(jìn)行防水舉措。進(jìn)行地基換填的寬度通常大于波紋鋼涵管(洞)管徑并在外側(cè)加寬1～2 m，換填的長度必須按照波紋鋼涵管(洞)節(jié)總長度等進(jìn)行確定[5]。要求涵管(洞)基礎(chǔ)的強(qiáng)度最好不大于涵管(洞)四周回填處理的原始層強(qiáng)度?？梢詫?0 cm厚度、最大粒徑為1.2 cm的墊層鋪設(shè)好后，然后進(jìn)行碾壓并夯實(shí)，從而形成支撐的整體強(qiáng)度比較均勻。

2.2 縱向預(yù)拱度設(shè)置

因?yàn)榈鼗仨毧紤]沉降、水流及結(jié)構(gòu)相對(duì)完整等因素，波紋鋼管涵要設(shè)置縱向預(yù)拱。根據(jù)拋物線為某高速公路工程項(xiàng)目對(duì)波紋鋼管涵的縱向預(yù)拱度進(jìn)行設(shè)置。涵管(洞)的縱向預(yù)拱度通常為管一半長度的0.5%～2%[6]。該項(xiàng)目線路涵管(洞)預(yù)拱度為δ=1/2×L×i%m，要求δ小于(H1-H2)/2m，公式里L(fēng)表示涵管(洞)縱向涵長，H1含義是涵管(洞)進(jìn)口標(biāo)高，H2含義是涵管(洞)出口標(biāo)高，i%表示涵管(洞)底坡度(不宜超過2%)，該項(xiàng)目預(yù)留拱度采用涵管(洞)底坡度1.2%進(jìn)行控制。依據(jù)這樣的方式對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效控制，能夠有效避免涵管(洞)中部發(fā)生逆坡、凹陷等質(zhì)量通病。涵管(洞)基礎(chǔ)預(yù)拱度制定示意圖如圖2所示。

圖2 涵管(洞)基礎(chǔ)預(yù)拱度示意圖

2.3 多孔涵管(洞)橫向凈間距設(shè)置

涵管(洞)間橫向凈間距參數(shù)如表1所示。

表1 涵管(洞)凈間距

2.4 管身安裝

2.4.1 預(yù)安裝工作

第一步對(duì)涵管位置定位，然后對(duì)波紋鋼管涵管(洞)的水平高程等復(fù)查，確保符合要求。

2.4.2 組裝底板

把波紋鋼管涵管(洞)中軸線的中點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，從中間位置朝兩端拼裝一直到達(dá)端面。軸向搭接長度為5 cm，連接孔需要校準(zhǔn)，每塊板交替搭接，螺栓配好墊片(當(dāng)位于波峰時(shí)采用平墊片，當(dāng)位于波谷時(shí)采用凸墊片)后，然后將螺母進(jìn)行預(yù)擰緊。必須詳細(xì)精準(zhǔn)地對(duì)截面形狀進(jìn)行測量，滿足要求后才能下一步組裝。

完成結(jié)構(gòu)的組裝以后，擰緊無遺漏。為有效規(guī)避波紋鋼管的接頭不嚴(yán)實(shí)而出現(xiàn)滲漏，在搭接處涂抹好密封膠。波紋鋼管拼裝如圖3所示。

圖3 波紋鋼管涵身拼裝現(xiàn)場

2.4.3 密封及防腐處理

波紋鋼管完成鋪設(shè)后，采取專用膠槍以及耐候膠將管端接頭、兩塊板搭接處和螺栓孔間隙進(jìn)行仔細(xì)密封。另外采取除銹等措施，現(xiàn)場防腐及密封處理如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場防腐及密封處理

2.4.4 臺(tái)背回填

將波紋鋼管密封防腐全部完成妥善處理后,才能展開下一步的臺(tái)背回填施工。波紋鋼管涵四周300 mm范圍內(nèi)，要求不能有大于30 mm的建筑垃圾、鋼筋頭、堅(jiān)硬石塊等物質(zhì),防止對(duì)涵管產(chǎn)生破壞。依據(jù)波紋鋼管底部兩邊楔形區(qū)域、接著管體兩邊、然后對(duì)波紋鋼管的頂部回填,確保波紋鋼管兩邊的回填土能夠完成平均對(duì)稱。從涵管(洞)中間位置向兩邊進(jìn)行縱向回填,步驟為分層開展填筑、攤鋪、對(duì)回填土進(jìn)行充分壓實(shí)。波紋鋼管兩邊楔形部位通過“水密法”回填壓實(shí),壓實(shí)度不小于95%。要求管體基礎(chǔ)壓實(shí)度大于93%,頂板回填密實(shí)度大于96%。具體施工見圖5。

圖5 波紋鋼管臺(tái)背回填

2.4.5 洞口與洞內(nèi)施工

波紋鋼管回填土超過頂部之后,接著進(jìn)行洞口部分施工。洞口按照八字形式進(jìn)行設(shè)置,步驟與普通涵管(洞)的洞口一樣。通過石屑將管(洞)內(nèi)混凝土路面下部位置分層填(筑),每層小于250 mm,由于場地所限，采用小型機(jī)械充分壓實(shí),要求壓實(shí)度大于93%。

2.4.6 施工變形監(jiān)測

波紋鋼管組裝時(shí)，必須確保徑向變形量不超過管徑±2%,如果超出此范圍,必須馬上改進(jìn)。如有異常，必須終止施工。波紋鋼管變形監(jiān)測見圖6。

圖6 波紋鋼管變形監(jiān)測

3 施工過程中影響道路不均勻沉降原因研究

某高速公路工程采用的波紋鋼管涵直徑為3 m，涵頂上部回填土厚度為1.8～4.8 m之間。然而開展波紋鋼管上部土層回填的時(shí)候，波紋鋼管涵和基本一樣深度的填筑層的豎向壓縮變形不能實(shí)現(xiàn)完全的一致，導(dǎo)致波紋鋼管涵上部覆蓋土的沉降落差比較大，另外波紋鋼管底楔形區(qū)域通常存在壓實(shí)真空地帶，不能實(shí)現(xiàn)波紋鋼管周圍填土被均勻壓實(shí)。

特別是由于車輛荷載的反復(fù)作用，導(dǎo)致波紋鋼管涵上回填土層容易產(chǎn)生不規(guī)則的沉降，進(jìn)而使路面出現(xiàn)開裂、破損現(xiàn)象，對(duì)道路的運(yùn)營質(zhì)量和工程壽命產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響，嚴(yán)重影響基礎(chǔ)質(zhì)量及安全。結(jié)合該項(xiàng)目工程實(shí)際情況，對(duì)該項(xiàng)目道路路面引起的不均勻沉降原因開展詳細(xì)研究。

3.1 波紋鋼管底兩側(cè)楔形區(qū)域存在虛空

依據(jù)常規(guī)的施工技術(shù)，開展波紋鋼管涵鋪設(shè)之前，填筑路基的時(shí)候需要預(yù)留出波紋鋼管涵鋪設(shè)的位置，鋪設(shè)好波紋鋼管涵以后，對(duì)波紋鋼管涵開展分層回填后，最終完成路基波紋鋼管涵的初步施工。雖然此種方式方法比較快捷，然而涵管(洞)周圍回填土方量比較大。

特別是如圖7所示的波紋鋼管底兩側(cè)楔形區(qū)域存在壓實(shí)盲區(qū)，該楔形區(qū)的工作面比較小，不方便開展壓實(shí)，通過大功率碾壓機(jī)開展碾壓的時(shí)候，因?yàn)椴y鋼管涵兩側(cè)土存在壓力，容易導(dǎo)致圓波紋鋼管產(chǎn)生“側(cè)移”或“抬升”，使波紋鋼管涵中心線和標(biāo)高產(chǎn)生較大誤差。如果采用小功率碾壓機(jī)，因?yàn)楣β势。荒軡M足壓實(shí)要求。但如果不開展壓實(shí)處理，更容易導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻沉降。

圖7 壓實(shí)盲區(qū)

3.2 波紋鋼管涵結(jié)構(gòu)和周邊回填土層受壓變形不一致

鋪設(shè)完波紋鋼管涵并回填土后，波紋鋼管涵剛度比波紋鋼管涵左右兩側(cè)回填土大，見圖8。從圖8可看出，因?yàn)椴y鋼管涵結(jié)構(gòu)和周邊回填土層受壓變形不一致，導(dǎo)致路面出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。如圖9所示為剛性波紋鋼管涵的上方回填土沉降變化趨勢(shì)示意圖。

圖8 波紋鋼管涵及回填土受力示意圖

圖9 波紋鋼管涵上部回填土沉降趨勢(shì)示意圖

4 防沉降舉措

4.1 不同部位分層回填

根據(jù)以上研究，對(duì)兩端波紋鋼管外部區(qū)、小徑距波紋鋼管周區(qū)、楔形區(qū)3個(gè)區(qū)域分3層進(jìn)行仔細(xì)回填。填筑土層愈薄，壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)度就愈輕。

通常選取級(jí)配良好的天然砂礫作為楔形部位回填材料。對(duì)于大直徑管涵，采用特制挖斗進(jìn)行反開挖，在波紋鋼管底部兩側(cè)楔形部位通過木棒進(jìn)行搗實(shí)，另外采取注漿形式將縫隙進(jìn)行填充充實(shí)。

波紋鋼管涵上部填土可以就地取材。在管頂進(jìn)行填土過程中，可將十字支撐放置于波紋鋼管內(nèi)部，以免填土?xí)r出現(xiàn)嚴(yán)重形變。

4.2 回填土中鋪設(shè)土工格柵

為了有效降低回填土不均勻沉降對(duì)路基路面的不良影響，采取在波紋鋼管涵上方的回填土中鋪設(shè)土工格柵的舉措，如圖10所示。土工格柵選用高強(qiáng)度、粗糙度比較大的材質(zhì)。

圖10 波紋鋼管涵

4.3 “反開挖”施工工藝

4.3.1 工藝原理

結(jié)合該工程實(shí)際，采取“反開挖”施工工藝：整體將路基填筑到波紋鋼管涵半徑的高度→波紋鋼管涵位置定位→挖管涵槽→放置波紋鋼管→涵管上部回填。

為了提高路基的整體質(zhì)量水平，通過反復(fù)研究，進(jìn)一步優(yōu)化“反開挖”施工工法，借助特制加工的半月型挖斗(見圖11)進(jìn)行半月形溝反開挖(見圖12)，這樣就能保證溝槽完成開挖以后，可以最大程度與波紋鋼管壁充分貼合，接著對(duì)一些縫隙進(jìn)行注漿處理，進(jìn)一步加固波紋鋼管壁四周，這樣就能保證波紋鋼管與路基有效協(xié)同，從而有效防止波紋鋼管路基出現(xiàn)不均勻沉降。

圖11 溝槽輔助開挖挖斗與裝置

圖12 半月形溝槽示意圖

4.3.2 工藝流程

經(jīng)過優(yōu)化后的施工流程:測量放樣→開挖路基→換填路基→回填基坑(與相鄰路基同步填)→壓路機(jī)終壓→第二次放樣→開挖半月形溝槽→安裝波紋鋼管→波紋鋼管涵底部注漿→涵管側(cè)基礎(chǔ)和上部填筑→質(zhì)量驗(yàn)收。

4.3.3 關(guān)鍵施工工藝

①溝槽開挖：施工時(shí)，通過溝槽開挖輔助設(shè)備，確保開挖時(shí)能較好形成貼合波紋鋼管壁的弧形槽，極大節(jié)約施工工期和投入。②波紋鋼管涵底部注漿：為確保波紋鋼管穩(wěn)定，采取注漿時(shí)通常從波紋鋼管底朝兩側(cè)、從中間朝兩邊開展注漿(按0.5水灰比制備水泥漿)，避免出現(xiàn)空洞。在距離波紋鋼管涵兩邊0.5 m位置進(jìn)行注漿孔設(shè)置，壓漿波紋鋼管分段設(shè)置長度約150 cm，波紋鋼管口與壓漿泵通過高壓膠連接。

4.3.4 實(shí)施效果

與常規(guī)施工工藝相比，用優(yōu)化后的“反開挖”注漿法開展波紋鋼管涵及路基施工，每組管涵及路基施工工期節(jié)約1.5 h左右，另外，路基成型后最大沉降量減少8 mm左右，沉降幅度顯著減小。

5 管道預(yù)變形控制

如果波紋鋼管涵地處高填方區(qū)，那么其頂部覆土層就比較厚實(shí)，可以借助波紋鋼管涵的柔性特征，對(duì)涵管(洞)采取預(yù)變形舉措，確保涵管(洞)回填后可以維持原始狀態(tài)，防止管涵從圓形變成橢圓形甚至出現(xiàn)倒塌。

措施①：在涵洞內(nèi)部設(shè)置橫向和豎向支撐，有效提升整體涵管(洞)的承載力。為避免鋼涵管發(fā)生預(yù)變形時(shí)對(duì)涵洞底以及頂部產(chǎn)生破壞，把縱向墊板在波紋鋼管涵洞的頂部進(jìn)行放置，在底部鋪設(shè)5 cm厚的砂，為避免涵洞出現(xiàn)倒塌，在涵洞設(shè)置支架支撐頂部及底部。

措施②：采用千斤頂將2根鋼筋構(gòu)成的收緊裝置進(jìn)行擰緊，直至涵洞豎向直徑延伸3%～5%。當(dāng)千斤頂回收時(shí)，各變形量不宜過大，防止出現(xiàn)塑性變形?；靥钔粮哂诓y鋼管涵洞0.5～1 m后，才能將裝置和支架解除,此時(shí)，管道中的預(yù)變形完成。

6 波紋鋼管涵渠道效益分析

6.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過分析，常規(guī)涵管(洞)投入成本比波紋鋼管涵管(洞)的高12.5%～22.2%，尤其是半徑大于1.5 m時(shí)，更為明顯，經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比見表2。由表2可知，混凝土圓管涵成本比波紋鋼管涵的成本高出很多，如果管涵直徑愈大，混凝土圓管涵成本比波紋鋼管涵成本差距越明顯。

表2 波紋鋼管涵和圓管涵造價(jià)對(duì)比

如表3所示，箱涵的成本比波紋鋼管涵的綜合造價(jià)高許多，特別是對(duì)于大直徑(跨度)箱涵，差距更突出。從表4分析，與大跨度相比，小跨度蓋板涵比波紋鋼管涵成本高。

表3 波紋鋼管涵和箱涵造價(jià)對(duì)比

表4 波紋鋼管涵和蓋板涵造價(jià)對(duì)比

6.2 本項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)濟(jì)及建設(shè)周期分析

雖然波紋鋼管渠道涵的總造價(jià)比蓋板涵高450萬元，然而加快了95天施工進(jìn)度。特別是針對(duì)總工期比較緊項(xiàng)目，波紋鋼管涵的進(jìn)度優(yōu)勢(shì)非常明顯，見表5。

表5 經(jīng)濟(jì)性及工期對(duì)比分析

6.3 社會(huì)效益分析

通過分析，波紋鋼管涵在有效節(jié)約成本的同時(shí)，還節(jié)約了工期。當(dāng)管涵直徑越大，優(yōu)勢(shì)越明顯。特別是應(yīng)急工程中，波紋鋼管涵的應(yīng)用能更好地體現(xiàn)其明顯的效益。

結(jié)語

通過研究，得到以下結(jié)論與建議：

①通過波紋鋼管施工而成的涵管(洞)污染小，變形能力比較好，整體結(jié)構(gòu)和路基能實(shí)現(xiàn)有效協(xié)調(diào)，可最大程度降低地基出現(xiàn)不均勻沉降，避免出現(xiàn)橋頭跳車等現(xiàn)象。波紋鋼管不容易開裂、耐腐蝕性較強(qiáng)，臺(tái)背回填更為密實(shí)，受力比較合理。波紋鋼管涵的應(yīng)用能更好地體現(xiàn)其明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，涵管(洞)直徑越大，效果越明顯。

②波紋鋼管涵具備一定柔性，能夠在涵管(洞)預(yù)變形中得到有效應(yīng)用，回填后可以維持原始狀態(tài)，防止涵管圓形變成橢圓形，有效防止坍塌。

③為了降低波紋鋼管涵上回填土不均勻沉降，可以選取不同的回填材料進(jìn)行分層回填，另外在回填土中鋪設(shè)土工格柵，提高回填質(zhì)量。在“反開挖+涵底注漿”工藝基礎(chǔ)上，將輔助成槽挖斗優(yōu)化成半月形，保證開挖時(shí)可以形成與波紋鋼管壁比較貼合的弧形槽，有效提高管涵周邊回填土的密實(shí)度，特別是規(guī)避波紋鋼管涵底部楔形區(qū)域不方便密實(shí)回填的問題，極大地縮短了工期，有效減少了路基不均勻沉降幅度。