黄土地区公铁涵洞病害特征及其差异性对比研究

2018-04-16赵永虎米维军苗学云

铁道标准设计 2018年4期

赵永虎,米维军,苗学云

(1.中铁西北科学研究院有限公司,兰州　730000； 2.青海省冻土与环境工程重点实验室,青海格尔木　816000)

涵洞具有跨越狭小沟谷、河流、排泄路基上游水流，并兼行人、动物和车辆通行的作用，是铁路和公路的重要组成部分。随着我国《中长期铁路网规划》和《国家高速公路网规划》的实施，高速铁路、高速公路等重大工程建设逐步向西北地区扩展，因此，在山区高填方、沟壑等地段修建的涵洞工程数量越来越多。目前，针对涵洞构造物及其地基的设计理论与施工技术方面较为成熟，但是在不同地区和不同涵洞所处的地形地貌、地质条件、地基土承载力等方面存在较大差异，涵洞与填土刚度差异引起的涵顶土压力集中等因素，导致涵洞结构物在运营一定时期后出现各类病害[1，2]，对涵洞的排水通行功能造成一定影响[3]。尤其是在西北黄土地区，由于黄土特殊的工程性质，涵洞在复杂地质条件、地基处理方式等诸多因素的影响之下，导致黄土地区公路涵洞病害不断发生，甚至严重影响公路的正常运营与行车安全[4]。因此，很多科研人员从黄土地区涵洞病害的调研、防治等方面开展了一定的工作，如张卫兵等[4]对西部地区17条高速公路182座涵洞进行现场调研的基础上，总结了涵洞破坏特征，分析了涵洞病害机理，并提出了针对性防治措施。李彦武[5]将黄土地区公路涵洞的主要病害类型归纳为基础下沉、冲刷、涵洞淤积、冲毁及溯源侵蚀等5类。赵建斌等[6]探讨了黄土地区公路涵洞病害的基本特征，并结合黄土地区特有的地质特征以及设计、施工等因素对病害成因进行了分析。马骞[7]针对朔黄线铁路涵洞出现的病害，从地质、气候、盐碱腐蚀、设计理论、施工、涵洞顶部填土厚度、运营等方面分析了调研段涵洞病害的形成原因，提出了对应的整套涵洞加固技术。赵永虎等[8]基于现场试验研究了换填法和灰土挤密桩法在湿陷性黄土地区公路涵洞地基处理中的应用效果。刘宏伟[9]对青海省境内6条公路的部分路段桥涵病害及运营现状进行了调研，将涵洞病害类型归结为淤塞、冻害、铺装、跳车和断板5种类型。阮继红[10]分析了铁路涵洞在设计中存在的质量通病，并探讨了湿陷性黄土等特殊土地段涵洞地基的处理办法。这些研究成果为涵洞病害成因认识及其防治提供了理论指导，但是对黄土地区公路涵洞病害类型总结并不全面，按照发育程度或规模对涵洞病害类型没有进行等级划分，对公路涵洞病害特征与铁路涵洞病害特征的差异性对比研究工作开展的较少。

鉴于此，在对青海东部黄土地区铁路和公路涵洞病害现场充分调研的基础上，首先分析了公铁涵洞在结构、荷载、受力特点及管养模式方面的差异，然后依据公路涵洞病害较全面地将涵洞病害类型进行了系统总结，根据发育程度将每一种病害类型划分为轻微、中等、严重3个病害等级，将涵洞病害类型与其发育程度紧密结合起来，并基于实际调研数据对青海东部黄土区公路涵洞和铁路涵洞(以下简称“公铁涵洞”)病害特征及其差异性进行对比分析，以便为黄土地区新建铁路、公路涵洞的设计、病害勘察和防治提供理论指导和科学依据。

1　公铁涵洞结构特点及受力特性对比分析

1.1　结构特点

涵洞按照构造形式可以分为盖板涵、拱涵、圆管涵和箱涵等，公路涵洞常用的是盖板涵和圆管涵，而铁路涵洞多采用盖板涵和箱涵。圆管涵的尺寸断面较小，直径多为1.0～1.5 m，因此，其承受上部荷载的能力相对较小，在公路中多设计为柔性管，而在铁路中多设计为刚性管。盖板涵由底板、侧墙和盖板组成，公路盖板涵的侧墙和盖板多为分离式，铁路盖板涵的侧墙和盖板多为整体式。盖板涵断面宽度一般为2～4 m，承受上部荷载的能力较强。箱涵多用于铁路涵洞中，断面尺寸较大，为超静定结构，多用于地基承载力较差的地段[11]。

1.2　荷载特点

公铁涵洞荷载特征最明显的区别在于承受的行车荷载大小和考虑因素不同，公路涵洞对汽车荷载按照车道荷载和车辆荷载同时考虑，根据车轮着地面积边缘的30°角向下扩散的应力作为涵洞顶部承受的车辆竖向压力。铁路涵洞对列车荷载按照列车竖向静活载和竖向动力作用2种方式同时考虑进行设计，其中竖向静活载按铁路标准活载“中-活载”加载设计，并假定活载在轨底平面上的横向分布宽度为2.5 m，其在路基内与竖向夹角按正切值0.5(角度约26.5°)向下扩散至涵洞顶部；竖向动活载等于列车竖向静活载乘以动力系数计算。显然，公路仅考虑涵洞顶部土柱荷载，铁路涵洞顶部荷载考虑因素比较周全，都采用土压力集中系数反映上部荷载对涵顶土压力的影响程度，但相比之下，铁路涵洞承受的荷载较大且受力性质更为复杂[11]。

1.3　受力特点

涵洞的结构特点和荷载特征决定了涵洞洞身承受上部受压、两侧受挤，而端部承受水平向推力作用的受力特征。研究结果表明[12]，在同等地形、荷载等条件下，不同涵洞结构形式的受力特征略有不同，主要表现在拱涵拱内弯矩较小，拱脚处存在垂直反力和水平推力，可承受较大的荷载。箱涵的顶板和底板跨中位置均存在较大弯矩。圆管涵管壁外圈受压、内圈受拉，管底敷设刚性垫层可改善圆管涵受力特性。盖板涵可承受较大荷载，涵顶跨中位置存在较大弯矩，涵顶土压力随涵洞高度的增大而增大，随涵洞宽度的增大而减小。因此，在满足过水要求的前提下，“宽矮涵”的涵顶土压力和竖向沉降变形相对于“窄高涵”要略小。

1.4　管养模式

我国对公铁涵洞在检查与养护方面也存在一定差异，《公路涵洞养护规范》[13]规定对涵洞检查分为经常检查和定期检查，结合检查结果对涵洞进行日常养护。经常检查要求每月至少检查2次，在冰雪、洪水前后应加强检查。经常检查中发现涵洞出现较大损坏或排水堵塞时记录并上报上级管理单位。定期检查要求每年至少检查1次，在接到病害报告后应增加检查次数，并填写“涵洞定期检查表”，基于调查情况对涵洞技术状况综合做出好、较好、较差、差、危险5个等级的评定，并对涵洞日常养护、维修、加固、改建等提出合理建议。

我国《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》(TB2820.2—1997)中涵渠部分明确将铁路涵洞病害分为开裂、下沉错位、基底掏空、腐蚀风化、孔径不足、防护设备损坏等6种类型，并根据发育程度将病害类型分为4个等级。对比来看，公铁涵洞检查方式和病害划分标准并没有考虑特殊地区的差异性，对病害整治时机、修护标准没有明确的规定，一定程度上反映出管养模式的弊端，目前对涵洞的管养多依赖公路、铁路按地域管辖直接管养模式，市场化管养模式还未得到有效推广，新型管养体制、运作模式等有待深入研究和实践。

2　涵洞调查概况及涵洞病害类型

2.1　涵洞调查概况

青海省东部分布的黄土面积范围广、厚度从几米到几十米不等，大部分呈Ⅱ级或Ⅲ级自重湿陷性[14]，境内的多条高等级公路、铁路工程修建时不可避免地将路基建造于经适当处理后的湿陷性黄土之上，黄土在天然状态下具有较高的地基承载力和稳定性，但是在雨水下渗、含水率增大条件下会表现出湿陷性，从而导致黄土地基强度降低，出现严重沉降变形，长期积累会引发诸如涵洞基础开裂、涵洞顶部路面开裂、涵洞局部下沉等病害。针对公路和铁路涵洞病害发育的广泛性和地域性特征，选择建造年代相近、等级标准基本一致、交通流量接近、维护管养模式比较相同的公路或铁路对其涵洞病害进行调研。首先对位于青海省东部黄土地区的4条高等级公路和1条铁路涵洞病害进行了初步调查，在普查的基础上，最终确定了在黄土区段涵洞病害发育数量较多且发育类型较全面的2条高速公路、2条一级公路和1条普通铁路的重点路段进行详细调查，即西宁—兰州高速公路(以下简称“西兰高速公路”)老鸭村至平安段、平安—阿岱高速公路(以下简称“平阿高速公路”)平安至古城段、西宁—互助一级公路(以下简称“宁互一级公路”)、西宁至湟源一级公路(以下简称“西湟一级公路”)、兰州至西宁铁路(以下简称“兰西铁路”)高庙村至平安段。为增加可比性，调研段涵洞均分布在黄土区，对比分析的公铁涵洞运营时间都在12～15年，3条公路的交通流量和管养模式等基本一致。共调查公路涵洞累计里程约113.7 km，各类涵洞408座，其中出现病害的涵洞有379座，占公路涵洞调查总数的92.9%；铁路涵洞调查里程为K91+040～K141+333，共计调查了59座涵洞。调查期间对每一座涵洞的病害类型、病害特征及其发育程度进行了详细记录，并在室内进行统计分析。公铁涵洞病害调查结果统计见表1。

表1　青海东部公铁涵洞病害调查结果统计

2.2　涵洞病害类型划分

为了对涵洞病害做定量统计和定性分析，参考已有文献并结合工程经验[6，15，16]，对公路涵洞病害类型总结为8类，分别为涵洞下沉、基础开裂、护锥翼墙沉降开裂或倾斜错位、涵节错位或填缝脱落、内部积水淤塞、进出口积水淤塞、涵背填土塌陷、涵顶路面开裂。其中对涵洞下沉可细分为涵洞整体下沉和弧形下沉2类，对基础开裂可分为横向开裂和纵向开裂。这些病害类型基本涵盖了在黄土地区公路涵洞发生的各种病害，适用于盖板涵、箱涵、管涵等各类涵洞，对铁路涵洞病害也具有一定参考价值。这种对公路涵洞病害类型的全面总结和类型划分，不仅有利于在现场对涵洞病害快速调查和统计，更为在室内对涵洞病害情况做综合评价奠定了良好基础。

2.3　涵洞病害发育程度划分

在调研现场仅仅记录涵洞病害出现的类型对于室内统计分析工作是远远不够的，还需定性或定量的对涵洞发育的规模或程度进行分析，因此，为了在调研现场快速记录涵洞病害发育类型对应的发育程度或规模、快捷记录可靠数据、在室内定量和定性相结合准确评价涵洞病害发育状况、为管养单位对涵洞病害合理养护方式和最佳整治时机决策提供参考，在分析前期普查资料和参考已有相关规范、文献的基础上[16-21]，结合现行有关规范而划分和总结的，对公路涵洞每一种病害类型划分为轻微、中等、严重3个病害等级，每一病害类型与各自病害等级之间存在数量和规模上的一一对应关系，在现场以实际测量得到的变形量进行统计，并以遵循最不利原则优先确定病害等级，以便为公路管养单位提供及时有效信息和最佳治理时机。表2为黄土地区高等级公路涵洞病害类型及其发育程度等级划分系统分类，适用于黄土地区高等级公路涵洞病害调查统计，也对其他地区公路涵洞和铁路涵洞病害类型划分及统计具有借鉴作用。本文对兰西铁路涵洞病害也是基于此划分结果进行调研统计的。

表2　黄土地区高等级公路涵洞病害类型及其发育程度系统分类表

3　公铁涵洞病害特征及差异性分析

涵洞病害特征的描述总体上主要包括调查段涵洞病害发育的主要病害类型及其发育程度或规模等2个方面，重点以调研的西兰高速公路老鸭村至平安段和兰西铁路高庙村至平安段涵洞病害调查结果为例，对涵洞病害特征及其差异性进行简单分析。

3.1　公路涵洞病害特征

对西兰高速公路老鸭村至平安段现场调研段里程为K1736+000～K1791+200，总共调查了257座涵洞，其中包括208座盖板涵、48座管涵和1座箱涵，图1显示了西兰高速公路涵洞病害类型在调查段的病害发育比例，可以看出西兰高速公路出现较多的病害类型是内部积水淤塞、涵洞顶部路面开裂、进出口积水淤塞等，其病害率分别为67.3%、57.6%、55.6%。翼墙沉降开裂或倾斜错位的比例为39.7%，病害数量达102座，可见涵洞翼墙沉降开裂或倾斜错位病害发育水平也较高。在8种典型病害中病害发育较多的类型有4种。图2显示了不同病害类型与其发育程度之间的对应数量关系，从中可以直接得到不同发育程度的不同病害类型数量，其中涵洞顶部路面开裂和内部积水淤塞发育轻微的数量最多，分别有142座和113座。发育严重的病害类型为内部积水淤塞、进出口积水淤塞和翼墙沉降开裂或倾斜错位，分别有9座、7座和4座。总体来看，各种病害类型以发育程度为轻微的居多，而发育程度为严重的占极少数。

图1　西兰高速公路调查段涵洞病害类型与发育数量统计

图2　西兰高速公路调查段涵洞病害类型与发育程度统计

3.2　铁路涵洞病害特征

图3和图4分别为兰西铁路调研段内涵洞病害类型与发育数量、发育程度统计结果，可以看出，铁路涵洞不存在涵顶路(轨)面开裂的情况，经调查发现，也没有出现涵背填土塌陷病害。调查的59座涵洞中，56座为盖板涵，3座为管涵。盖板涵发生病害的数量有41座，占盖板涵调查数量的73.2%，主要病害类型有涵洞内部积水、进出口积水、涵洞基础出现裂缝、翼墙或护锥发生沉降开裂或倾斜错位等。盖板涵发生洞内外积水淤塞的病害类型是兰西铁路最常见的病害，其病害数量占盖板涵病害数量的39.3%。基础发生纵向或横向裂缝、翼墙或护锥倾斜错位、洞身错位与填缝脱落病害数量基本相当，调查中有8～9处，占盖板涵调查病害数量的14%～16%。而管涵中有2座涵洞的内部和进出口存在一定量的积水，再未发现别的病害。

图3　兰西铁路调查段涵洞病害类型与发育数量统计

图4　兰西铁路调查段涵洞病害类型与发育程度统计

从涵洞病害发育程度来看，兰西铁路涵洞的各种病害类型发育程度均以轻微占绝大多数，仅有1座涵洞出现严重的进出口和内部积水情况。从整体来看，兰西铁路涵洞的病害类型较单一，病害程度也比较轻微，对列车运行的影响很小。

3.3　差异性对比分析

从调查的公铁涵洞病害发育数量和发育程度等方面综合分析后，可以看出二者之间存在明显的差异性，主要表现在以下几个方面。

(1)在涵洞病害发育典型类型或病害表现形式方面，铁路涵洞主要是涵洞内部积水和进出口积水等病害，而公路涵洞则是内部积水淤塞、涵顶路面开裂、进出口积水淤塞、翼墙沉降开裂或倾斜错位等，即铁路涵洞病害最明显和最直接的表现形式是洞内外积水，而公路涵洞病害则以水害和由水害导致的涵洞地基沉降引起的病害为主。调查显示，公铁涵洞的交通涵和排水涵都存在涵内积水的病害，但排水涵内部积水病害数量比交通涵略多，同比之下，公路排水涵比铁路排水涵更容易出现内部积水淤塞病害。总体来看，青海东部黄土区调研区段铁路涵洞出现的典型病害类型明显比公路涵洞典型病害类型少。

(2)公路涵洞在调研区段基本会间断出现8种病害类型，有些涵洞会同时出现3～5种病害，而铁路涵洞出现的病害类型较少，而且大部分涵洞出现的病害类型较为单一，基本没有出现涵顶路(轨)面开裂或沉降的情况。

(3)从涵洞病害发育程度来看，兰西铁路涵洞病害类型的发育程度也以轻微居多，中等病害的比例很小，严重病害的比例极其少有。而青海东部黄土地区公路涵洞病害发育程度则以轻微和中等比例较大，个别涵洞的病害已达到严重的程度，即铁路涵洞病害发育程度明显比公路涵洞病害程度轻。

4　成因分析及对策

之所以存在以上明显差异性的原因主要是以下几方面导致的：(1)公铁涵洞在设计标准规定上的差异。《公路涵洞设计细则》中规定公路涵洞基础工后沉降不应大于200 mm[17]，而《铁路桥涵地基和基础设计规范》中规定铁路涵洞基础工后沉降不应大于100 mm[20]，显然，仅从工后沉降来看，铁路涵洞设计标准比公路涵洞设计标准严格很多。现场调查显示，铁路涵洞基本为现浇整体式钢筋混凝土结构，涵洞本身结构承载力很强，本身难以发生病害。受造价、工期、地形等诸多因素限制，公路涵洞的设计标准相对较低，涵洞结构本身在运营期出现病害的可能性较大。(2)管养模式或体制的差异性，导致涵洞病害检查或整治时机不同。铁路管养部门对涵洞病害养护及时，病害不容易扩展或进一步恶化，在病害初期就已经进行整治或修补，减少了病害的发生率。而公路管养部门对公路涵洞进行维修或整治的频率相对较少，且管养人员的业务能力、素质和意识有待提高。(3)公铁涵洞受力特征的差异性，对涵洞出现的病害类型及其发展具有间接的影响，具体来说，铁路涵洞承受动荷载的持续时间长、频次低，会引发洞身错位或填缝脱落、基础开裂等病害，但基本不会出现涵洞下沉或轨顶开裂的情况；而公路涵洞承受行车动载的持续时间短，但频次高，对涵洞顶部路面或进出口翼墙的影响较大，因此，导致涵洞出现的病害类型及位置有所区别。

因此，在分析公铁涵洞病害的差异性的基础上，可以得到如下认识。

(1)为了从根本上避免黄土地区公路涵洞在运营期出现各类中等病害，应参考铁路涵洞、尤其是高速铁路涵洞的设计理念与方法，从设计标准角度出发，在对地形地貌、勘察资料充分考虑的前提下，尽量提高公路涵洞设计标准，从涵洞平面布设、地基处理措施、防排水设计、涵洞类型设计等方面进行优化设计，根本上解决新建各类涵洞或铁路涵洞在后期出现严重病害的问题。

(2)参考铁路及其附属设施(包括涵洞等)的管理模式，对公路涵洞尤其是对高等级公路涵洞出现的病害进行定期检查和养护，发现中等病害及时整治，对病害易发路线或路段应加大维护与排查力度，严防病害由轻微向中等、严重程度恶化。

(3)应对公路涵洞病害发育程度的划分标准与铁路涵洞病害发育程度的划分标准区别对待，对普通铁路与高速铁路、一般地区与特殊地区(如冻土区、软土区等)的病害类型与其发育程度的划分等级也应该视实际情况而定。

5　结论与建议

本文在对青海东部黄土地区公铁涵洞病害现场充分调研的基础上，对其病害类型及特征进行了分析，并探讨了铁路涵洞和公路涵洞病害差异性，得到如下结论。

(1)黄土地区高等级公路涵洞的主要病害类型有涵洞下沉、涵顶路面开裂、翼墙沉降开裂或倾斜错位、涵节错位或填缝脱落、基础开裂、内部积水淤塞、进出口积水淤塞、涵背填土塌陷等。

(2)兰西铁路涵洞在黄土区段出现的病害类型主要是涵洞内部积水和进出口积水等，基本没有出现涵顶路(轨)面开裂或沉降的情况。

(3)相对于公路涵洞病害，青海东部黄土地区兰西铁路涵洞病害明显较少，病害程度也比较轻微，发育程度以轻微居多，中等病害的比例很小，严重病害的比例极其少有。

(4)公铁涵洞病害的差异性是由涵洞结构自身特征、荷载及受力特征、地基岩土体特性、施工因素、管养模式等综合因素导致的，因此，应区别对待公铁涵洞病害类型及其发育程度的划分标准和等级，同时应考虑特殊岩土体地基特性的影响。

(5)对黄土地区新建高等级公路的涵洞设计应借鉴铁路涵洞设计标准，避免或减少运营期公路涵洞出现多种病害。

本文分析的公铁涵洞病害特征及其差异性是针对青海东部黄土地区工程调研得到的，相对于调研的公路涵洞数量，铁路涵洞调查样本数量偏少，对铁路涵洞出现的病害类型及其特征总结并不全面，对公铁涵洞病害发育程度的等级划分标准还需进一步研究和完善。受地域特征、地质条件、地形地貌等因素的影响，公铁涵洞病害特征及差异性会有所不同，应区别对待。

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