大孔径钢波纹涵洞在河北公路中的应用研究

2010-08-15孙伯文李祝龙刘洪林

山西建筑 2010年8期

孙伯文李祝龙刘洪林

1 概述

钢波纹涵洞是采用波纹状钢管或由波纹状弧形板通过连接、拼装形成的一种涵洞形式。美、加、日、韩等国在这一领域开展了大量研究和应用,并制定了相应的技术规范[1]。非洲多数国家也大量使用钢波纹管涵洞。我国在解放前也曾在多条公路中使用波纹管涵洞,但由于钢材短缺,之后未能得到广泛的应用。20世纪末,我国已经在小孔径公路钢波纹管涵洞方面开展了部分研究工作,1997年～1999年在青藏公路修建小孔径波纹管试验涵,并初步研究了小孔径波纹管涵洞的受力特征[5]。

经调研,国外研究主要侧重在防腐跟踪分析。钢波纹管波形设计和受力计算等技术多为生产公司所掌握,不对外公开。而国内正面临大量生产及应用钢波纹管涵洞,但尚未开展关于其受力特征、防腐性能及设计方法和施工技术方面的系统研究[4]。

由于轴向波纹的存在使其具有径向刚度大,轴向柔性大,抗弯抗裂的优良受力特征,具有很强的适应地基与基础变形的能力,可以解决因地基基础不均匀沉降导致的涵洞破坏问题。在软土、膨胀土、湿陷性黄土、多年冻土等不良工程岩土地区,高填方路基沉降路段,具有抗涵洞开裂破坏的优势[7]。还可取代大体积圬工、混凝土结构,减少石方开采山体破坏,利于环保;并且施工便捷快速,主体结构可重复利用,在道路抢修、抗灾抢险、临时便道、地下工程安全支护等方面具有广阔的应用前景。

2 河北省特征及钢波纹管涵洞的寿命

2.1 河北省特征及土壤概况

河北省内有坝上高原、燕山和太行山地、河北平原三大地貌单元,是中国唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊、海滨的省份。省内气候特征差异明显,特殊岩土分布较广,类型也较多,主要有:北部山区的局部多年冻土、东部沿海的冲积软土、南部的膨胀土、西部的黄土,此外还有局部地区的粉土以及易液化的砂土,湿地的泥沼,局部区域的盐渍土,个别地区还存在一定的岩溶、煤矿塌陷等可能性。河北北部的多年冻土(如果仍存在)呈退化趋势,季节冻土的历年平均最大冻土深度变化呈减小趋势。我省西部、北部为多山,南部大面积平原,东部沿海,特有的地形、地貌及岩土特征使公路建设面临不同的需求,更加显现出钢波纹管涵洞结构的优越性。河北省土壤结构复杂,河北土壤类型较多,包括21个土类、55个亚类,土壤 pH值 6.5～7.5的占 32.1%,7.5～8.5的占56.4%。潮土面积占全省面积的25%左右。钢波纹管涵洞,外侧主要为土壤腐蚀,内侧主要为水腐蚀和大气腐蚀。以沧州地区土壤为例(河北省典型腐蚀土壤之一),土壤中影响腐蚀的主要因素为氯化物、全盐和电阻率等,以各点土壤的盐分与氯离子含量为指标,土壤大体分为滨海中度～重度盐化土壤、轻盐化潮土和潮土三种类型;近海的港城等处于强腐蚀性土壤中,部分土壤的腐蚀性较强～中等。

2.2 钢波纹管涵洞的防腐及寿命

美国钢铁学会以16个标准镀锌610 g/m2覆盖层的钢波纹管为基础研究得出以电阻率和pH值预测服务寿命的方法。

国外钢波纹管涵洞的防腐蚀方法,主要包括金属覆盖层和非金属覆盖层,种类较多,也相应得出了其使用指南和寿命。国外钢波纹管涵洞的寿命一般在50年以上,也存在一些使用70年以上的,个别预估寿命100年。

综合分析现有国内防腐技术,虽然距离国外防腐技术存在一定差距,但采用推荐的防腐方案(后文)后,一般地区的钢波纹管涵洞的寿命应达到20年～30年以上。如果考虑钢波纹管涵洞防腐的养护(大修、二次防腐)、设计厚度腐蚀富余量等,钢波纹管涵洞的耐腐蚀寿命也可达到50年(或以上)。

3 钢波纹管涵洞的适应范围、使用条件和选用原则

钢波纹管涵洞的使用条件应满足:1)相应波形必须具有足够的壁厚,确保钢波纹管结构在受荷时最大应力低于钢结构的容许应力(或屈服应力);2)钢波纹管的防腐处理必须不低于后文防腐蚀推荐标准,以确保一定年限内钢波纹管涵洞具有足够的耐腐蚀能力,钢板壁厚应适当考虑防腐富裕量[8];3)钢波纹管应能够承受标准荷载引起的变形,不致产生非线性破坏。

钢波纹管涵洞的选用应遵循适用、安全、经济的原则,在满足功能需求基础上充分发挥钢波纹管结构的力学性能优势。钢波纹管涵洞设计时应坚持因地制宜、发挥优势、不盲目使用的原则。

下列地区宜优先考虑钢波纹管涵洞:

1)不良岩土地基的涵洞,包括多年冻土、膨胀土、软土、湿陷性黄土等;2)缺乏人力资源或高危险、高原缺氧地区等工程;3)砂石资源缺乏地区及水泥、钢材等运距较远的边远地区;4)为加快施工进度、达到快速通车目的的应急抢险、救灾等工程。

下列情况应慎重使用:1)高速公路重要路段或维护困难路段。钢波纹管涵洞为钢结构,必然存在腐蚀的可能,高速公路对路基和涵洞的寿命周期要求较高,这样必须考虑防腐养护,在养护管理困难路段应慎重使用。2)泥石流堆积扇或排泄砂石流量大、流速高的区段。这些区段泥砂或砂石的冲刷将形成对防腐材料或钢结构的磨蚀,设计时应予以重视,必要时应针对具体情况进行防腐独立设计;局部区段可能存在淤积等,采用钢波纹管涵洞应考虑该问题。3)高填土路段。高填路段,应根据施工工艺及施工后路堤不同土拱效应进行计算分析,确保涵洞受力安全。4)较大孔径。一般钢波纹管涵洞孔径大于3.0 m时应进行独立计算分析,确保涵洞受力安全。大孔径涵洞采用拼装式施工时尤其要加强连接部位的设计分析。

4 河北的应用效果

河北省承德市公路工程管理处在国道111牌楼至围城县城段、滦赤线滦平东营至西瓜园二级公路、承围支线滦河镇至韩麻营段二级公路3条一般干线项目中应用大孔径钢波纹管涵洞结构。2006年河北省公路管理局等在津汕高速沧州黄骅段、沿海高速唐山段、青兰高速公路、承唐高速公路、西柏坡一级公路等工程中应用大孔径钢波纹管涵洞结构。

河北衡景公路位于华北平原软土沉降地带,水泥涵管需浇筑混凝土加固处理地基;修建小桥也要加深水泥基桩。由于长年干旱,无地表水,施工用水从数千米外拉过来;该地涵洞水流不大,修建小桥工程造价增加,经过设计、业主、施工三方研究商讨,决定使用金属波纹管涵,这样只需对基础垫层换填碎石或砂砾,压实度达95%即可安装。应用效果:解决了钢筋混凝土涵洞基础如沉降不均、涵洞破坏严重、维修困难、施工慢等特点。

5 应用的效益分析

造价分析表明,孔径不大于4 m时,波纹管涵洞与混凝土盖板涵、石拱涵造价基本相当,部分涵洞节省不到10%,费用增加也在10%以内,但工期节省20 d～50 d。φ 5.0 m波纹管涵洞造价与小桥造价基本相当,工期节省35 d。φ 6.0 m波纹管涵洞与石拱涵相比,节省造价18.2%～23%,工期节省50 d以上。

随着国内钢波纹管涵洞的广泛应用,关于波形和壁厚优化的研究将逐步深入,优化后的波形可以采用相对较薄的结构钢适应相同的填土及汽车荷载标准。相应地,钢波纹管涵洞壁厚的减薄及波形的减小,可以减少用钢量,降低造价[2]。

以全国500多万平方千米特殊岩土区还有100万km以上公路要建养(或改扩建),具有明显的经济效益。

相对于钢筋混凝土圆管涵和盖板涵,钢波纹管涵洞的应用,一方面节约了大量的石材、水泥,有利于环保,另一方面建设工期可以大幅度缩短,不仅加快了建设步伐,充分体现了建设工期缩短即相对运营时间增加的经济效应,特别是在局部地区如寒冷地区一年中施工期仅5个～6个月,这样应用钢波纹管涵洞更具有明显的优势。尤其在抢险救灾、地震抗洪、军事保通工程中应用钢波纹管涵洞更能体现其明显的社会效益和经济效益[7]。