多孔大直径钢波纹管涵施工工艺研究

姜永昌，张 鹏，李凌宜

（1.邯郸市交通运输局，河北 邯郸 056000；2.北京市政路桥股份有限公司，北京 100068）

多孔大直径钢波纹管涵施工工艺研究

姜永昌1，张 鹏2，李凌宜2

（1.邯郸市交通运输局，河北 邯郸 056000；2.北京市政路桥股份有限公司，北京 100068）

针对涵洞施工较繁琐，工期较长，以及涵身结构易破坏、工后涵头变形、跳车等问题，通过结合武安市营玉公路涵洞工程，以钢波纹管替换钢筋混凝土，从拼装工艺、管周回填、施工机械荷载控制及洞口挡墙等方面出发，总结了多孔大直径钢波纹管涵的施工工艺，同时对各类施工工艺进行分析，为今后类似工程提供了参考依据。

钢波纹管；涵洞；施工工艺；多孔大直径

0 引 言

涵洞工程一般采用钢筋混凝土和圬工砌体涵洞，其缺点在于设计、施工较繁琐，且从基坑开挖到通车所需工期较长，同时高填方涵洞还存在涵身结构易破坏、工后涵头变形跳车等问题。采用钢波纹管代替钢筋混凝土进行涵洞施工在国内是一项新技术，钢波纹管涵洞以性能稳定、安装方便、有利环保、造价低等优点在公路施工中可代替钢筋混凝土涵洞。尤其在山区施工时，路线经过沟谷多，采用混凝土施工工期长、难度大，而采用钢波纹管结构则可以解决此难题。

中国的钢波纹管涵的设计与应用尚处于起步阶段。改革开放后，深圳及大同煤矿均进口过成品波纹管用于涵洞工程［1］，至20世纪90年代末国内才逐步开展公路钢波纹管涵洞的应用及研究、生产。2007年公路涵洞设计细则已将钢波纹管纳入其中，钢波纹管涵适用于地基承载力较低或有较大沉降与变形的路基［2］；2008年交通运输部公路司已制定了公路桥涵用波形钢板国家标准，钢波纹管正面临标准化、规范化的发展趋势。国内钢波纹管直径一般小于2m，虽然有接近4m的应用经验，但是对于不同埋深、不同布设下大型钢波纹管涵的结构受力分析与工程应用有待于进一步研究。中交一勘院李祝龙等虽提出了基于有限元计算的结构设计与分析方法，但主要是针对直径小于2m的波纹管涵进行的研究［3］。因此本文结合武安市营玉公路工程项目，通过对大直径波纹管的研究，总结了大直径钢波纹管施工工艺，对于今后类似工程的施工有所帮助。

1 工程概况

武安市营玉一级公路采用双向四车道标准建设，设计时速为80km，路基采用整体式断面，宽度为27.5m，行车道宽度为3.75m，中间带宽度为2m，全线采用沥青混凝土路面面层。全线设大、中桥，桥面净宽与路面相同，涵洞与路基同宽，设计洪水频率为1／100，汽车荷载为公路I级。工程共有17道钢波纹管，最小孔径为1m，最大孔径为6m。其中崇义中桥段则是以直径6m的三孔钢波纹管涵并排代替了原有公路桥梁，如图1所示。本涵洞为拼装钢波纹管涵洞，波纹管波高55mm，波长200mm，采用Q235A热轧钢板制成。

图1 三孔6m钢波纹管断面

2 波纹管拼装工艺

以崇义桥为例，根据施工进度提前将波纹板运至施工现场，拼装前，准备好安装工具，包括起吊设备、套筒扳手、定制呆板、定扭电动扳手、定扭扳手，并备足脚手架、跳板及电源。

波纹管拼装过程如下。

（1）安装前工作。检查钢质波纹板涵洞底部平整度、水平、标高；核对土建基准，确定涵管的位置、中心轴线、中点。

（2）拼装底板。以中心轴线、中点为基准，定位第一张波纹板，以此为起点向两侧延伸，直至两端；圆周向搭接长度为50mm，第二张板叠在（搭接部分）第一张板上面，对正连接孔；在螺栓的螺纹上涂抹润滑剂，套上垫圈由内向外插入孔位，对面套上垫圈旋上螺母，用套筒扳手预紧螺母。

（3）拼装环形圈。由下向上顺次拼装，轴向搭接宽度为120mm，搭接部分上板覆盖下板，圆周向连接采用阶梯形，即上面二块板的连接叠缝与下面二块板的叠缝错位；连接孔对正后，用涂上润滑剂的螺栓，套上垫圈（遇谷用凸垫，遇峰用凹垫，不得装反）由内向外插入孔位，用套筒扳手预紧螺母（图2）。

图2 波纹管拼装施工

（4）圆周向拼装波纹管时，要测量一次截面形状，达到标准再继续拼装，达不到标准应及时调整。圆周向拼装到环形圈合拢时，测定截面形状，采用定位位杆固定，调整预紧螺栓，拼装顶部第一块波纹板。

（5）涵管拼装全部完成后，用定扭电动扳手按预紧力扭矩340±70N·m依次序紧固所有螺栓，不得遗漏，紧固后底螺栓用红漆标示。所有螺栓（包括纵向和环向接缝）应在回填之前拧紧，保证波纹的重叠部分紧密地嵌套在一起。

（6）为了保证螺栓扭矩达到要求值，在回填之前随机抽取波纹管纵向接缝上2%的螺栓，用定扭扳手，定预紧力扭矩340±70N·m，进行抽检试验。如果有任一试验值超过了给定的扭矩范围，则应抽检纵向和环向接缝所有螺栓数量的5%。如果上述试验90%以上满足要求，则认为安装是合格的，否则应重新复核设计，以确定得到的扭矩值是否满足要求。

（7）钢制波纹板涵管外圈搭接处预紧力扭矩符合要求后，可用环氧树脂砂浆封填，以防止波纹板连接处渗水。

（8）涂刷沥青。一般情况下，可在内外管壁喷涂一道含有石棉纤维的厚沥青或涂涮2遍沥青与煤油的拌和物，以加强防腐蚀作用，如图3所示。其中两种涂涮剂的配合比和涂刷方法如下。

图3 波纹管涂刷沥青防腐处理效果

第一种是含有石棉纤维的厚沥青涂料。涂料的溶剂是高质量的沥青，石棉粉的含量不小于30%。喷涂方法：可用气压喷涂或毛刷涂刷，每次喷涂层厚7～8mm，喷涂用量为l kg·m－2左右。被喷涂物表面应特别干爽，无油污。涂刷在废水浸泡或常水位以下部分的涵管。

第二种是沥青与煤油的拌和物涂料。涂料沥青与煤油之配合比为54∶46，使用此涂料时应涂刷2遍，使涂刷层总厚度达到0.4～0.5mm，涂刷用量为0.6kg·m－2。有条件时用喷枪喷涂效果更好，涂刷部位与上述相同。

3 波纹管周回填技术

3.1 基础材料选用

由于钢制波纹涵管为金属结构，其适应变形能力较强，因此其对基础材料的要求相对不高，宜采用砂砾换填，不宜采用混凝土等刚性基础，而在膨胀土湿陷性黄土等地区应根据需要做好基础隔水处理。基础材料最好采用有一定级配的天然砂砾，最大粒径不宜超过50mm，0.074mm以下的粉黏粒含量不得超过30%，同时还应满足施工压实要求、填料最小强度要求、最大粒径要求和地基基础的抗冻要求。

3.2 填土材料

选择填料一般既要考虑到对波纹管的应力、变形协调性和沉降变形量的影响，还要考虑其施工方便性与经济合理性。随着填料的增强（刚度增加），其对内部波纹管的应力分担性也明显增加，波纹管的应力水平也相应降低。特别是当填料增强到混凝土水平时，刚波纹管的内力被极大地减弱，应力也得到很好的优化。由此，从波纹管受力优化的角度上说，管侧填料以强刚度为佳。但是从管的变形协调性的角度上看，刚度越大，其变形协调性就越差。不过波纹管应力和变形协调只是填料选择需要考虑的个别因素，最要的是填料的施工和易性与经济性。在考虑施工和经济等因素的基础上，推荐选用沉降量较小和变形协调性较好的材料，如砂砾、碎石等。

钢波纹管涵洞拼装并铺设完成后，管身楔形部分应采用砂类土、砾类土回填，涵管顶部与两侧填土采用现场可利用的土质即可，但砂类土、砾类土是回填最理想的填土材料，也可采用碎石或砾、卵石与细粒土的混合料。当细粒土为粘性土或粉土时，所掺入的石料体积应占总体积2／3以上。距钢波纹管30cm范围内的填料，不得有尺寸超过8cm的石块或混凝土块、冻土块、高塑性粘土块或其他有害物质。

3.3 波纹管涵基础预拱度及垫层

基础砂垫层必须有足够的稳定性和均匀性，应采用级配良好的砂砾；基础表面还应设置一层10cm厚的均匀垫层，其最大粒径为12mm。回填基础砂砾时，应分层压实至基础设计顶面高程，压实度不小于97%。若涵洞经过不良地质，还需进行必要的换填处理，换填厚度不能小于30cm。当遇到冻胀、软弱土层时，应根据现场实际情况，加大换填深度或整体换填，换填材料中粘性土或粉土含量不能大于5%。

埋设于一般土质地基上的波纹管，经过一段时间后，常会出现一定的下沉，而且往往是管道中部下沉量大于两端。因此，考虑到水流的要求和结构的整体性，应该设置基础的纵向预拱。预拱度大小根据地基土可能出现的下沉量、涵底纵坡和填土高度等因素综合考虑，一般为管长的0.5%。根据设计和规范要求，涵洞进出口应采取相应的基础处理措施。

3.4 管底两侧楔形部位

管底两侧楔形部位的填筑可采用以下5种方案。（1）采用粗沙“水密法”振荡器密实。

（2）采用级配良好的天然砂砾（含水量要求比最佳含水量大2%左右），人工采用截面大小为15cm×15cm的木棒在管身外向内侧进行夯实，单次冲击力要达到9kg，木棒作用点必须紧贴管身，每个凹槽部位都必须夯实到位。

（3）采用液态粉煤灰回填。（4）采用轻型混凝土回填。

（5）采用最大粒径不超过3cm的级配碎石回填。然后用小型夯实机械斜向夯实，确保管底的回填质量。

3.5 管体两侧回填及顶部回填要求

在对钢波纹管进行数值模拟分析可知，回填施工顺序与结构受力密切相关，不合理且不平衡的施工很容易造成结构内部出现较大的内力，该内力即使在管侧填平后也不容易分散，所以管侧回填要重点关注平衡的分层施工。如果不能保证完全的平衡施工时，需要在现场监测和理论分析允许的基础上，考虑采用不对称施工或交叉施工。另外，结构分析中也可注意到施工荷载对结构的受力影响较大，特别是在覆土层较薄的时候。

通过对高填方路基下波纹管和应力应变监测结果分析，可知：随着填土厚度增加，管身所受应力逐渐增加，但达到一定厚度（直径5m的波纹管，填土厚达到13m）后，管身所受的应力基本不再变或略有增加；管身最大应力位于管体两侧3／4管身高度处，同时填土对波纹管的受力影响范围在管顶上方60°范围内。所以建议在管顶60°范围内谨慎使用重型压路机，小型压路机的推荐最小覆土层厚为1m。

回填时还有以下一些要注意的方面。

（1）填筑前在管节两侧用红色油漆按每20cm高度标注，填筑时按标注线控制。

（2）涵管两侧部位的回填采用级配良好的天然砂砾或级配碎石。

（3）管身最大直径两侧，50cm外使用小型压路机碾压，50cm范围内使用小型夯实机械夯实，以避免压路机等大型机械设备对管涵的撞击，也避免压路机对管涵产生过大的土压力（图4）。

图4 管间填料夯实作业

（4）填筑时应分层填筑、分层压实，每层压实后的厚度为20cm，压实度要求达到95%方可进行下层填筑。

（5）填筑必须在涵管两侧同步对称进行，两侧的回填土高差不得大于30cm。

（6）管体两侧及顶部20m范围内不允许使用强夯机械。

4 施工机械荷载控制

当进行管顶填土时，施工荷载（压路机施加）对于填土层下的波纹管有较明显的影响，该影响越到底层越明显。当该压路机直接作用在侧边管管顶时，在作用点处呈现了极大的剪应力，极易引起管顶的屈服。压路机荷载对管周的影响主要呈现出以作用点（或投影点）为中心，向两边递减的特点。较为集中的影响范围为管顶60°（左右30°）范围内，而其他部分的影响较为均匀。当填土层达到2m时，压路机荷载的最大影响已经降到原应力水平的50%以下。由此可见，压路机荷载对于波纹管影响较大。

基础应采用振动压实机械进行分层碾压，且必须保证最小覆土层厚度在1m以上，覆土层越薄，压实机械需越轻，直到2m以上才可以使用重型压路机械。每种管径达到最小覆土厚度后，采用振动式压路机碾压。碾压时应根据回填材料的含水量及击实曲线进行洒水碾压，压实度不得小于规范要求；构造物或路基填土高度较高时（如路基填土高度大于10.0m），需要针对具体情况对基础承载力做具体要求。涵管两侧及顶部压实度与统一标高路基压实度要求相同。

5 波纹管管口挡墙

钢制波纹涵管的洞口形式有八字墙式、端墙式、锥坡式、走廊式、倾斜式及直管延长式和簸箕式。应根据河沟水流特点和地形及路基断面形式，因地制宜地选择好形式，做好进出口处理，这对于确保涵洞及路基稳定水流的畅通有着重要作用。其中八字墙式、倾斜式和直管延长式在波纹管涵洞设计与施工中最为常用。

八字墙洞口为重力式墙式结构，其特点是：构造简单、建筑结构比较美观；水力性能较好、施工简单、工程量较少。常用于平坦顺直、纵断面高差不大的河沟。当墙身较高时（大于5m），圬工体积增加较大，因此不够经济，此时可以考虑采用倾斜式或直管延长式。

当管径较大或河沟较宽时，可以将涵管适当延长伸出路基边坡以外，形成直管延长式洞口。这种洞口不需要对边坡进行处理，只需要在进出口一定范围内进行铺砌。涵管两侧及顶部一定范围内，边坡回填材料宜采用块、片石，以预防水流冲刷危及路基。

簸箕式洞口适用于流速较快、流量较大的宽浅河沟，结构相对复杂，水力性能差，其应用于特殊的地形。其他形式如端墙式、锥坡式和走廊式构造也较为简单，应根据工程的实际需要进行选择。

6 结 语

（1）波纹管填料的选择一般要考虑到其对波纹管的应力、变形协调性和沉降变形量的影响，更为重要的是要考虑其施工方便性与经济合理性。在考虑施工和经济等因素基础上，推荐选用沉降量较小和变形协调性较好的材料，如砂砾碎石等。

（2）管侧回填要重点关注平衡的分层施工。如果不能保证完全的平衡施工时，需要在现场监测和理论分析允许的基础上，采用不对称施工或交叉施工。

（3）施工荷载对结构的受力影响较大，建议在管顶60°范围内谨慎使用重型压路机。

（4）管顶填土厚度在2m以下时，尽量不要用重型压路机（12t以上）；管顶填土厚度在1m以下时，要尽量使用轻型压路机（6t以下）。

［1］李腾云.黄土地区高速公路钢波纹管涵应用技术研究［J］.山西建筑，2013，39（5）：118－120.

［2］李祝龙.钢波纹管涵设计与施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］李祝龙，刘百来.薄壳理论在钢波纹管涵洞力学性能分析中的应用［M］.第三届全国公路科技创新高层论坛论文集（下册），北京：人民交通出版社，2006.

Research on Construction Technology of Porous Large－diameter Corrugated Steel Pipe Culvert

JIANG Yong－chang1，ZHANG Peng2，LI Ling－yi2
（1.Handan Transportation Bureau，Handan 056000，Hebei，China；2.Beijing Municipal Road ＆Bridge Group Co.Ltd.，Beijing 100068，China）

Aimed at the problems of culvert construction such as long construction period，vulnerable culvert structure，deformation of the culvert front after construction and the bump，corrugated steel pipe was applied to replace the reinforced concrete in the culvert project of Yingyu Highway in Wu'an City.The construction technology of porous large－diameter corrugated steel pipe culvert was summarized in aspects of piecing up，backfill of the perimeter of pipes，load control of construction equipment and the retaining wall at the entrance，which provides reference for similar projects.

corrugated steel pipe；culvert；construction technology；porous and large－diameter

U449.38

B

1000－033X（2015）08－0078－04

2015－01－29

［责任编辑：杜敏浩］