鋼波紋管在公路涵洞工程施工中的應(yīng)用研究

收稿日期：2024-01-12

作者簡介：李琪霖（1990—），男，本科，工程師，從事公路工程項(xiàng)目管理工作。

摘要 文章深入分析鋼波紋管的基本原理、分類及其在公路涵洞工程中應(yīng)用的優(yōu)勢，介紹了鋼波紋管涵的主要技術(shù)控制指標(biāo)，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐詳細(xì)闡述了鋼波紋管涵洞的施工方法，同時(shí)對鋼波紋管在公路涵洞工程施工中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)分析。實(shí)踐總結(jié)表明，鋼波紋管涵洞具有施工周期短、材料成本低、對環(huán)境影響小等優(yōu)勢。文章的研究可為鋼波紋管在公路涵洞工程施工中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了實(shí)踐指導(dǎo)，對類似項(xiàng)目施工具有一定的參考和借鑒意義。

關(guān)鍵詞 鋼波紋管涵；公路涵洞；施工方法；技術(shù)指標(biāo)

中圖分類號 U449.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0068-03

0 引言

波紋管涵又稱鋼波紋管，是一種金屬波紋管，埋于公路和鐵路涵洞之下，在構(gòu)件制造時(shí)可以使用波形金屬管或者波形鋼板。作為一種高質(zhì)量的公路建材，該材料已廣泛應(yīng)用于公路和鐵路工程中，用于涵洞、通道、小橋、隧道、臨時(shí)便道、排水管道以及各種礦場巷道擋墻支護(hù)等項(xiàng)目，取代了傳統(tǒng)的圓形管涵、蓋板涵和小橋。該產(chǎn)品具有工期短、重量輕、安裝方便、耐久性好、工廠造價(jià)低、抗變形能力強(qiáng)、減少通車后養(yǎng)護(hù)成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其適合軟土路基地帶和深填土地帶，可節(jié)省大量資金，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。因此，研究鋼波紋管在公路涵洞工程施工中的應(yīng)用具有重要意義。

1 鋼波紋管涵洞概述

1.1 鋼波紋管涵洞的基本原理

鋼波紋管涵洞是一種新型的涵洞結(jié)構(gòu)，它利用鋼波紋管作為主要的受力結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土或砌體結(jié)構(gòu)。其基本原理是利用鋼波紋管的特殊波紋形狀和材料特性，在承受外部荷載時(shí)產(chǎn)生一定變形，并通過波紋的彈性恢復(fù)力抵抗外部壓力，從而保持涵洞的整體穩(wěn)定性和正常使用[1]。

1.2 鋼波紋管涵洞的特點(diǎn)與優(yōu)勢

鋼波紋管涵洞具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)：鋼波紋管涵洞采用先進(jìn)的金屬波紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)由一系列連續(xù)或拼接的波形鋼板組成，這種設(shè)計(jì)使得涵洞在軸向和徑向上均具有良好的延展性和柔韌性。

（2）材料性能優(yōu)良：金屬波紋管材質(zhì)通常選用高強(qiáng)度鋼材，具備優(yōu)異的力學(xué)性能，如高承載力、抗拉強(qiáng)度大、耐腐蝕性強(qiáng)等，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境下的地基條件和荷載要求。

（3）適應(yīng)地基變形能力：鋼波紋管由于其波紋狀結(jié)構(gòu)，可以有效地分散承受的軸向力和橫向力，降低不均勻沉降對結(jié)構(gòu)的影響，尤其適合于公路軟土路基及不良地質(zhì)條件下的涵洞建設(shè)。

（4）模塊化施工與安裝便捷性：鋼波紋管可預(yù)先在工廠規(guī)?；a(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高?，F(xiàn)場安裝時(shí)只需進(jìn)行拼接與連接，大大縮短了施工周期，降低了現(xiàn)場工作量和難度。

（5）工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)：相比傳統(tǒng)的混凝土涵洞或其他橋梁結(jié)構(gòu)，鋼波紋管涵洞的單位成本較低，包括材料成本和人工成本都有所降低。特別是在大跨度和深埋涵洞工程中，其經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。

（6）施工周期短：鋼波紋管的快速安裝特性，極大地縮短了涵洞工程的總體工期，對于急需通車的路段而言，有利于項(xiàng)目按時(shí)完工，提高了工程項(xiàng)目施工效率。

（7）耐久性與維護(hù)簡便：鋼波紋管涵洞具有較長的設(shè)計(jì)使用壽命，且因結(jié)構(gòu)緊湊、無滲漏風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，后期運(yùn)營維護(hù)相對簡單，減少了養(yǎng)護(hù)成本和周期性維修要求。

1.3 鋼波紋管涵洞的分類

鋼波紋管涵洞的分類主要有以下幾種：

（1）按組裝方式分類：整裝波紋管涵、拼裝波紋管涵。

（2）按形狀分類：圓形、橢圓形、拱形。

（3）按材質(zhì)分類：普通碳素鋼波紋管涵洞、耐候鋼波紋管涵洞、不銹鋼波紋管涵洞。

（4）按承載力特性分類：柔性承壓型、剛性承壓型。

（5）按施工方法分類：先預(yù)制后填埋式涵洞、邊開挖邊安裝式涵洞。

2 鋼波紋管涵的主要技術(shù)控制指標(biāo)

（1）鋼波紋管涵的技術(shù)要求涉及以下方面：波形鋼板材料需選用符合相關(guān)規(guī)范要求的低碳鋼。原材料的化學(xué)成分應(yīng)符合表1規(guī)定，并進(jìn)行熱浸鍍鋅（熔融鍍鋅）處理[3]。

（2）波形鋼板的物理性能應(yīng)符合表2規(guī)定。

（3）波形鋼板的外觀質(zhì)量除滿足GB/76725外，還應(yīng)符合表3規(guī)定。

（4）鋼波紋管各部尺寸允許偏差如表4所示。

表3 波形鋼板的外觀質(zhì)量

序號 項(xiàng)目 要求

1 切口 平直，無明顯鋸齒現(xiàn)象

2 顏色 表面色澤均勻、無明顯缺損

3 外觀 表面平整光滑、無損傷、

無破裂、無孔洞

4 水云、云霧和機(jī)械劃痕 不明顯

5 端面錯(cuò)位 ≤5 mm

表4 鋼波紋管各部尺寸允許偏差

項(xiàng)目 允許偏差/mm

軸線偏位 50

流水面高程 ±20

涵管長度 +100，?50

相鄰管節(jié)面錯(cuò)口（下游應(yīng)低于上游） 3（管徑≤1.0 m）

5（管徑>1.0 m）

厚度 +11

波距 ±3

波深 ±3

3 鋼波紋管涵洞施工技術(shù)研究

3.1 項(xiàng)目概況

成宜高速公路項(xiàng)目總承包ZCB4-4項(xiàng)目合同段，位于宜賓市宜賓縣及翠屏區(qū)境內(nèi)，起于宜賓市宜賓縣雙誼鎮(zhèn)銀錠村，起點(diǎn)樁號為K145+360，止于宜賓市翠屏區(qū)宗場鎮(zhèn)新屋村，止點(diǎn)樁號K156+995。路線走向自北向南，設(shè)計(jì)車速120 km/h，路基寬度34.5 m，雙向6車道，主線全長11.6 km。主要工程數(shù)量包括：項(xiàng)目段內(nèi)共有路基挖方311萬立方米，路基填方247萬立方米；涵洞共有33座，其中蓋板涵20座，圓管涵8座，鋼波紋管涵5座；橋梁共有14座/2 321 m，其中大橋9座，中橋5座。

3.2 鋼波紋管涵施工方法

鋼波紋管涵施工流程如圖1所示：

圖1 鋼波紋管涵施工流程圖

（1）測量放樣：采用全站儀對涵洞進(jìn)行定位測量，確定涵洞的軸線、四角及基礎(chǔ)邊線位置等。

（2）基礎(chǔ)開挖及基底處理：開挖過程中，采用人機(jī)配合施工，距離設(shè)計(jì)標(biāo)高10～15 cm時(shí)，采用人工清槽的方法，避免設(shè)備超挖。開挖完成后，檢查基底尺寸、高程?；A(chǔ)墊層厚和開槽寬度一般可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行開挖[4]。

（3）基礎(chǔ)墊層：根據(jù)涵洞基礎(chǔ)尺寸將基坑兩側(cè)整理成形，并按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行材料的基礎(chǔ)換填。在該項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)型式為級配砂礫，設(shè)計(jì)厚度為140 cm。在基礎(chǔ)墊層施工中，一般采用分層填筑，采用機(jī)械攤鋪、人工找平、壓路機(jī)碾壓等方式。

（4）管身安裝：在進(jìn)行管涵安裝前，需精確測定并標(biāo)識出其軸線與進(jìn)、出水口的準(zhǔn)確位置。安裝過程中，應(yīng)確保端頭板片與中間板片嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)排列，并遵循圖紙所示軸線和坡度要求。安裝過程中，涵管放置于砂礫墊層上，需確保受力均勻，避免出現(xiàn)不均勻受力，基礎(chǔ)墊層在壓實(shí)后頂面的坡度也應(yīng)與設(shè)計(jì)要求保持一致，在橫向上應(yīng)設(shè)置0.2%～1%的拱度，保證不會出現(xiàn)凹陷或逆坡等現(xiàn)象。涵管安裝是逐節(jié)拼裝而成，應(yīng)先安裝底部，然后逐節(jié)向上延伸拼裝，采用中心對稱由內(nèi)向外依次安裝；并且在安裝過程中，每延伸5 m應(yīng)做好涵管的校對，避免出現(xiàn)偏移，確保安裝符合設(shè)計(jì)要求。安裝完成后，需用密封膠對涵管拼接縫進(jìn)行密封[5]。

（5）涵管回填：為了保證涵管回填的密實(shí)度和質(zhì)量，楔形區(qū)應(yīng)選用經(jīng)現(xiàn)場配制的6%灰土材料，并采取人工木棒逐點(diǎn)夯實(shí)，使其緊貼管身內(nèi)側(cè)。同時(shí)，對凹槽部位進(jìn)行充分壓實(shí)處理。隨后利用小型振動(dòng)夯實(shí)機(jī)械斜向加固底部回填層。涵管兩側(cè)同樣使用6%灰土材料進(jìn)行回填作業(yè)。對于距離管身外徑50 cm范圍內(nèi)的區(qū)域，采用小型夯實(shí)機(jī)械精細(xì)化施工以防止大型設(shè)備沖擊；而在距離管身最大直徑50 cm外的區(qū)域，則運(yùn)用16T光輪壓路機(jī)進(jìn)行輕型碾壓?；靥钸^程應(yīng)遵循分層填筑原則，每層厚度控制在20 cm范圍內(nèi)，且壓實(shí)度須達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的96%，達(dá)標(biāo)后方可繼續(xù)下一層填筑。回填操作要求在涵管兩側(cè)同步對稱進(jìn)行，確保兩側(cè)回填土高差不超過30 cm。當(dāng)管頂填土厚度不足50 cm時(shí)，禁止使用超過6T重量的壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，并嚴(yán)禁重型施工機(jī)械通過，避免對涵管結(jié)構(gòu)造成損害。

（6）洞口鋪砌及防護(hù)：洞口結(jié)構(gòu)采用端墻及八字墻斜口形式，墻體與護(hù)坡選用M7.5漿砌片石，并遵循錯(cuò)縫砌筑原則，以防止出現(xiàn)豎縫和通縫。施工中需選擇尺寸搭配適宜、無風(fēng)化破損的片石進(jìn)行交錯(cuò)排列，以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，確保外露面平整且?guī)缀纬叽缇_。砌筑過程中，所有石材均需清洗干凈并充分濕潤，確保坐落在新鮮砂漿上，嚴(yán)格控制砂漿飽滿度，避免使用碎石墊層。砌筑時(shí)需使用擠漿法，并根據(jù)圖紙規(guī)定要求勾縫，以確保砌體咬合緊密，避免出現(xiàn)干縫和通縫。豎縫和平縫的平均寬度應(yīng)小于25 mm，且最大寬度不得超過50 mm。外露面、坡頂及邊緣部位應(yīng)優(yōu)先選用大塊、平整且經(jīng)過精細(xì)鑿刻的石料砌筑，砌體應(yīng)采用分層座漿施工，上下層豎縫進(jìn)行錯(cuò)位排列，且相互間錯(cuò)位距離應(yīng)大于80 mm以上。如果發(fā)現(xiàn)石塊有松動(dòng)或者灰縫開裂情況，需要及時(shí)清除原有的砂漿，然后將石塊重新放置在新拌的砂漿上，并且對未填好的砌縫進(jìn)行濕水后填漿修補(bǔ)，最后使用勾縫刀進(jìn)行整形。在砌筑完成后，需要進(jìn)行至少7 d的灑水養(yǎng)護(hù)。在此期間，可以使用草袋或麻袋覆蓋砌體，以防止雨水沖刷或者浸水對砂漿的初凝造成影響。待砂漿硬化后，清理墻面以保持外觀的整潔美觀。

3.3 鋼波紋管在公路中的應(yīng)用分析

根據(jù)對該項(xiàng)目鋼波紋管應(yīng)用情況的分析，表明鋼波紋管具有良好的使用效果和應(yīng)用價(jià)值，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在省道246公路工程項(xiàng)目中，應(yīng)用了直徑分別為3 m和2.5 m的鋼波紋管涵共計(jì)三座。涵洞洞口設(shè)計(jì)包括八字式和一字式兩種結(jié)構(gòu)形式?；A(chǔ)施工采用了厚度介于80～180 cm之間的砂礫墊層作為承載基礎(chǔ)。涵管周邊回填材料采用砂礫土，并采用小型夯實(shí)機(jī)械對涵管近側(cè)30 cm內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行壓實(shí)處理。隨后，對涵管兩側(cè)及頂部實(shí)施YZ20t振動(dòng)壓路機(jī)碾壓作業(yè)，以保證回填質(zhì)量。每座涵洞的施工周期控制在15～20 d內(nèi)，相較于混凝土蓋板涵與拱涵，該項(xiàng)目顯著縮短工期約40～70 d。

（2）以樁號K7+830的鋼波紋管涵為例，該涵洞位于V形溝地貌，溝床順直，兩側(cè)為濕陷性黃土陡壁，溝內(nèi)主要積水源于山體雨水徑流。經(jīng)現(xiàn)場勘查，并與建設(shè)單位、規(guī)劃部門進(jìn)行深入探討，確定采用填方路基形式穿越此溝壑，并針對性地設(shè)計(jì)排水構(gòu)造物。鑒于地形特點(diǎn)，溝壑中部擬建路堤的最大填土高度達(dá)到15 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在施工時(shí)需對超過15 m的高路基下部構(gòu)造物進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)處理?？紤]地質(zhì)承載能力的限制，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土拱涵和板涵無法滿足設(shè)計(jì)要求，因?yàn)樗鼈儗Φ鼗休d能力的要求較高。此外，這些結(jié)構(gòu)的施工周期長且造價(jià)昂貴，而鋼筋混凝土圓管涵同樣受限于地基承載力不足，且在高填方路基壓力作用下存在接頭變形和滲水風(fēng)險(xiǎn)，可能影響路基的穩(wěn)定性。綜合權(quán)衡各類涵洞結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)后，最終選定直徑3 m、管壁厚度5.5 mm的鋼波紋管涵方案，并且取得良好的施工效果。從經(jīng)濟(jì)效益分析，當(dāng)前直徑3 m的鋼波紋管每延長1 m的造價(jià)約15 000元人民幣，相較于混凝土蓋板涵與拱涵結(jié)構(gòu)，其單位成本顯著降低。隨著我國波紋管制造業(yè)的進(jìn)一步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，以及鋼材產(chǎn)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，預(yù)計(jì)未來鋼波紋管的成本將會呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。

4 結(jié)語

公路涵洞傳統(tǒng)上多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而鋼波紋管涵作為一種創(chuàng)新替代技術(shù)，在國內(nèi)公路工程中逐漸嶄露頭角。鋼波紋管涵的施工法相較于傳統(tǒng)的蓋板涵與拱涵建設(shè)，表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，如施工周期短、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、耐久性強(qiáng)等，并且對地基擾動(dòng)小、基礎(chǔ)要求相對較低。值得注意的是，鋼波紋管涵的快速施工為高填方作業(yè)提供了充裕的時(shí)間窗口，從而極大縮短了整體工期并節(jié)省了投資成本，在新、改建公路工程及養(yǎng)護(hù)中修項(xiàng)目中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

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