黄土地区高速公路涵洞病害调查及分析

赵建斌， 李万乐， 申俊敏， 董立山

(1.山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西 太原 030006；2.荣盛房地产发展股份有限公司， 河北 廊坊 065001)

涵洞作为高速公路跨越沟谷、河流、人工渠道以及排除路基内侧边沟水流的构造物，是公路的重要组成部分。但由于黄土地区地形、地质条件复杂，黄土物理力学性质特殊，造成了涵洞选址、洞身结构和地基设计的困难，其中任何一项环节出现问题都会引起各种不同程度的涵洞病害。这些病害轻则引起涵洞开裂、渗漏或积水，重则使涵洞结构破坏，严重影响高速公路正常运营。同时由于涵洞属于隐蔽工程，且沿线数量较多，在高速公路的日常检查维护中经常被忽略，病害不易被发现或发现时问题已较为严重，再进行维护修补需要花费更多的人力物力[1，2]。

目前，有学者针对高速公路涵洞病害开展了大量而细致的调查工作。顾安全在对303座涵洞调研后发现，发生开裂的涵洞数量达到了63.5%；李彦武对黄土地区公路病害进行了全面调研，结合黄土地区气候地质条件分析认为，黄土地区涵洞的主要病害是基础下沉、冲刷，涵洞淤积、冲毁及溯源侵蚀等[3]；赵立岩对三级及三级以下各类公路的混凝土圆管涵进行了调查，发现涵洞在公路运营后不久便发生各种不同程度的病害，其中约有8%的涵洞需要修复[4]；戴铁丁针对高速公路涵洞常发生的开裂、错位、渗漏水等病害，对四川、陕西、甘肃、云南的代表性高等级公路涵洞病害开展了调查研究工作，归纳了涵洞病害类型，并提出相应处置对策[5]。虽然上述文献对公路涵洞病害进行了全面调研和分析，但都未针对黄土地区特殊地质条件，从涵洞设计、施工等方面对涵洞病害进行详尽分析并形成系统结论。

山西省山区面积约占全省总面积的80%以上，是典型的黄土广泛覆盖的山地高原，境内高速公路桥涵数量众多，分布广泛。本文对山西省内已建的数条高速公路涵洞病害开展了详细的调研工作，主要路线包含太旧高速、大运高速、太佳高速、汾离高速、离军高速和平阳高速，其中太旧高速为山西省内建成通车的第一条高速公路，也是中国第一条山岭高速公路，路线所经山西东部的黄土高原与太行山脉两大地貌地带，而新近建成通车的平阳高速也位于晋东地区；大运高速由北至南贯穿山西省全境，全线约1/4的里程处在山岭重丘区；汾离高速、离军高速、太佳高速则位于山西省西部，该地区属于典型黄土高原地形。本次调研样本基本覆盖山西省全境，调研成果可为黄土地区高速公路涵洞设计和施工提供参考和借鉴。

1 调研概况

黄土高原沟壑纵横，地形地质条件复杂，据粗略统计，相比一般山区高速公路每公里平均4～6座的分布密度，黄土地区涵洞数量可以达到每公里6座以上，且高填方涵洞占很大一部分比例；同时黄土地区为典型的半干旱大陆季风气候，降水集中且强度大，黄土的抗冲蚀性差，涵洞及其附属设施水毁现象极为严重。因此涵洞的选型选址以及结构地基设计都对涵洞耐久性有很大影响，处理不当会导致各种涵洞病害的发生。

本次调研采用实地踏勘方式对山西省数条高速公路的86个涵洞进行了调查，涵洞类型包括拱涵、盖板涵和箱涵，其中发现有31座涵洞存在不同程度的病害，涵洞病害较为普遍。其中高填方涵洞多采用拱涵、箱涵形式，而填方高度较低且有车辆通行要求时一般采用盖板涵，因此涵洞类型以及受力形式的差异造成了涵洞病害也呈多样性特点，表1给出了归纳整理后的涵洞病害调研结果。

表1 病害调查汇总

2 病害特点及分析

2.1 洞身开裂

黄土冲沟多狭而深，因此高速公路采用填方路堤形式跨越冲沟时填方高度一般都较大，此时在路堤下方设置涵洞时多采用混凝土拱涵，涵洞主要承受上部填土荷载作用，并与路堤填土、地基构成一个相互协调、相互影响的作用体系。在现行公路桥涵设计规范中，涵顶垂直土压力采用线性土压力计算方法，而由于一般涵洞都属于刚性结构，其刚度远大于两侧填土刚度，因此涵洞上方填土在涵顶平面形成沉降差，并造成涵顶土应力集中(图1)。因此现行规范的土压力计算方法不能准确反映涵顶实际受力情况，从而异致高速公路中很多高填方涵洞都出现了开裂问题。

图1 填方路堤下拱涵受力分布

图2为填方路堤下的混凝土拱涵，涵洞高5.5 m，宽5 m，路堤坡面采取了全封闭防护。虽然该涵洞填土高度只有8 m，远未达到高填方路堤标准，但仍出现了沿拱圈的环向裂缝及拱脚部位的纵向裂缝(图3)。这是由于涵洞自身高度较大，从而产生更大的填土土层在涵顶平面的沉降差，致使涵顶土压力集中现象更加明显，并可能超出涵洞结构设计强度，导致拱圈开裂。

图2 高速公路混凝土拱涵

同时当涵洞上方填土高度较大时，涵洞侧墙及翼墙需要承受较大的侧向土压力荷载，并导致涵洞侧墙及翼墙出现沿涵洞轴线方向的水平向裂缝；而当地基发生不均匀沉降时，特别是在涵洞洞口处，会使涵洞侧墙发生剪切破坏，并且裂缝与水平方向呈一定角度(图3)。

图3 涵洞不同部位裂缝情况

在一些填土高度较低的平坦地区，多采用混凝土盖板涵或箱涵作为过水或行人通道，此时涵洞主要承受上部车辆荷载。黄土地区是我国重要的煤炭能源基地，且煤炭外运以公路为主，因此高速公路通行车辆中重载运煤车辆所占比例较高。由于在涵洞设计时未能充分考虑重载车辆作用，致使涵洞盖板出现开裂。

图4 盖板开裂

从图4可以看出，对应大型车道下方的盖板出现了数条横向裂缝；同时盖板跨中挠度过大则会造成涵洞上方沥青混凝土路面产生龟裂、坑槽(图5)，浸水后会加重路面破损状况，降低路面使用寿命。

图5 涵洞上方路面破损

2.2 台背处不均匀沉降

涵洞洞身与两侧台背填土之间存在刚度差异，因此会在其交界处产生不均匀沉降，导致其上方路面形成一条或数条横向裂缝(图6)，并会伴随跳车现象的产生。

图6 涵洞台背交界处的路面裂缝

虽然在目前高速公路涵洞设计过程中都要求对台背填土进行处理，有的甚至加铺了土工格栅，但依然无法避免此类病害的发生。在经调研的高速公路中，几乎所有涵洞台背交接处都存在这样的裂缝，并且有些裂缝经扩展后形成大面积的破损面(图7)，经多次修补后仍不能完全修复，严重影响高速公路行车质量。

图7 经修补后的路面破损面

2.3 涵洞淤塞积水

由于涵洞地基处理不当引起的涵洞地基下沉、错台和洞口壅水，都会造成涵洞内部积水(图8(a))，积水沿涵洞基础施工缝渗入地基，进一步降低地基强度，使涵洞的不均匀沉降更为严重，并有可能造成涵洞破坏。

同时由于黄土高原地表径流夹带大量泥沙，特别是在暴雨集中季节，这些泥沙在涵洞内部沉积造成淤堵(图8(b))，减小了涵洞过水面积，降低了排水效率，如不及时清理，甚至会使涵洞失去排水功能。

图8 涵洞淤塞积水

2.4 涵洞渗漏水

涵洞特别是盖板涵在墙板搭接处连接不紧密，未用沥青麻絮填塞，在路堤填方高度较低的情况下，雨水能直接从缝隙中渗入涵洞，侵蚀混凝土墙面，降低涵洞洞身结构强度，留下安全隐患。

图9 涵洞盖板下漏水

2.5 护坡破坏

当涵洞尺寸较大且两侧填土高度较高时多采用浆砌片石锥形护坡，但在护坡设计以及施工时，往往忽略了护坡坡脚以及护坡与边坡交界处的处理，如护坡接缝处封闭不严留有缝隙，护坡基础不按最大冲刷和最大冻深确定其埋置深度，涵洞洞口铺砌面短，隔水墙外的沟渠底部未有效加固等，

图10 涵洞护坡破坏

都可能造成涵洞护坡及排水沟水毁破坏。而黄土抗冲刷性较差，涵洞护坡一旦出现局部破坏，往往会在该部位迅速扩展，较为严重时甚至可能影响到整个填方路堤的稳定性。

3 病害原因汇总

从以上调研结果可以看出，涵洞病害在黄土地区高速公路中普遍存在，且类别较多，对高速公路的正常运营造成极大影响。但通过汇总分析，可将涵洞病害原因归结为以下几个方面。

3.1 涵洞选址设计

黄土地区沟壑纵横，地势起伏，高速公路往往采用填方方案跨越数量众多的黄土冲沟。这些冲沟是黄土高原的汇水排水通道，同时由于黄土的水敏性，在雨季时仍会不断发育。因此在涵洞选址时既要尽量保持冲沟的天然水流状态，还要考虑到其未来的发育情况，如若选址不当，无法发挥出涵洞应有的排水作用，极有可能造成涵洞洞外排水，导致路基土强度下降，路面下沉，更有甚者在水流侵蚀作用下造成路面结构下部脱空，并可能引发路基塌陷。而在高速公路设计过程中由于沿线涵洞数量众多，且并非一些关键性的控制工程，因此涵洞设计往往难以引起重视。设计人员对地勘资料研究不够透彻，涵洞布设位置、排水路径、砌护方式设计不合理，造成涵洞无法发挥出应有的排水作用，并最终导致涵洞病害的发生。

3.2 涵洞结构设计

高速公路涵洞设计时采用的部颁标准图填土高度适用范围只有7 m，当填土高度超过7 m后则采用现行公路桥涵设计规范中的线性土压力计算方法计算涵洞填土荷载，但该算法忽略了由于涵洞与周围填土存在刚度差异造成的涵管顶部的垂直土压力集中，导致涵洞设计荷载小于其实际受到的真实荷载[6]；同时为满足高填方涵洞的地基承载力要求而提高涵洞地基强度，反而会加剧涵顶土压力集中现象，并可能造成涵洞结构破坏。因此在涵洞填土荷载计算时应综合考虑涵洞洞身、路堤填土以及涵洞地基构成的相互协调、相互影响的作用体系，使计算结果更加精确合理，从而保证涵洞结构安全及正常使用。

而当填土高度较低时，涵洞主要承受车辆荷载作用，山西省作为产煤大省，运煤车辆重载甚至超载现象严重，一些地区10 t以上重型货车的超载比例在40%以上，某些路段更是达到80%，而部颁标准图只是按照一般车辆荷载进行设计计算，因此涵洞结构强度无法满足车辆荷载要求，并导致结构病害的发生。

3.3 施工因素

在涵洞施工过程中由于地形、材料、工期限制等经常会出现违规操作情况，如涵洞施工过程中接缝未用沥青麻絮填塞，混凝土浇筑时未充分振捣密实，为赶工期在混凝土未达到设计强度指标就开始填土，台背两侧非对称填土导致涵洞偏压等，这些因素可能在涵洞施工期便导致病害的发生，有些则在涵洞今后的运营过程中留下安全隐患。

3.4 其他因素

黄土具有强烈的水敏性，特别是在暴雨季节从梁峁顶流向沟底的径流夹带大量泥沙能够形成能量巨大的沟道洪水，引起更加强烈的土壤侵蚀，沟底地形条件也因此变化剧烈，如果涵洞防护措施不够完善，极易造成涵洞及其附属设施的水毁破坏；同时由于涵洞属于隐蔽工程，涵洞病害发生后往往无法及时发现，错过了最佳的修补养护时机，导致病害进一步发展。

4 结 论

此次调研活动对山西省内多条高速公路的涵洞病害状况进行了归纳和分析，探讨了病害产生原因，并得出以下主要结论：

(1)在黄土地区高速公路设计中，涵洞是最为重要的排水构造物，且数量巨大。由于设计施工等方面原因导致的涵洞开裂、地基沉降、渗漏水等病害时有发生，严重影响了高速公路的正常运营；

(2)涵洞病害产生的原因是多方面的，为减少病害的发生，在涵洞选址时要充分分析周边地形地貌条件的影响，涵洞结构设计则要考虑其真实受力状况，使涵洞选型、选址以及结构设计更加合理；在施工过程中则要严格控制工序，确保施工质量；

(3)由于资料收集不够完整，再加上地形条件的限制，使得无法对调研高速公路上的每座涵洞都进行病害调查，因此调研工作具有一定的随机性，调研过程中可能存在遗漏。

[1] Chen Baoguo,Zheng Junjie,Lu Yan’er. Study on soil-structure interaction of unsymmetrical trench installation culvert[J]. Journal of Southeast University (English Edition), 2009,25(1):94-99.

[2] 马 强, 郑俊杰, 张 军. 山区涵洞受力影响因素的数值模拟分析[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版),2009, 32(10):1514-1517.

[3] 顾安全. 上埋式管道及洞室垂直土压力的研究[J]. 岩土工程学报，1981, 3(1): 3-15.

[4] 赵立岩. 混凝土圆涵洞的病害分析及预防[J].公路,2001,(11):60-62.

[5] 戴铁丁. 公路涵洞病害处治技术研究[D].西安:长安大学, 2005.

[6] JTG D60-2004， 公路桥涵设计通用规范[S].