波纹钢管涵上覆土不均匀沉降防治探讨

洪 杰

（安徽省路桥工程集团有限责任公司，安徽 合肥 230031）

波纹钢管涵具有现场施工效率高、质量控制好、方便运输与应用、工程造价低等优点，因此其应用前景良好。此外，由于波纹钢管涵的波纹的存在，使管涵在横向具有比无波纹时更大的刚度，同时，在管涵纵向具有良好的柔性，其变形性能良好，可充分发挥钢材的力学与变形性能。波纹钢管涵在纵向弯曲变形时，只需改变波纹参数即可弯曲，因此基本不会出现管径变化。因此波纹钢管涵在纵向上具有良好的适应地层的变异性，尤其适用于既有公路拓宽工程。

我国对于波纹钢管涵的研究还处于起步阶段，虽然我国已建设了几座波纹钢板桥涵，如1997 年上海浦东张桥镇工业区，跨径4.46 m、2001年湖北荆州区里李埠小桥。但主要借鉴国外的实际工程经验和资料，还没有比较完善的设计施工规范，波纹钢管涵坍塌破坏事故屡屡发生，阻碍了波纹钢管涵结构在我国的推广和应用[l-3]。自19世纪末起，美国、加拿大、英国、日本等国家就开始研制、开发和应用波纹钢管涵，并制定了专门的设计、制造、施工安装手册和规范标准；日本在1980 年的《日本高等级公路设计规范》对波纹钢管涵做了较为详细的规定；国外专家对这种新型的结构也进行了研究，取得了一定的成就[4-5]。然而，从调研结果来看，国外现有的设计规范主要从管涵结构的强度与稳定性来考虑，极少考虑管涵对公路路基与路面的强度、稳定性与耐久性的影响[6-11]。

波纹钢管涵的作为地下结构，其变形性能与其周围的地层变形性能完全不同，以及工程应用注意事项不明确，导致波纹钢管涵的应用受限，或应用后易导致工程病害。本论文对波纹钢管涵对公路路基路面的影响进行了分析，并分别提出了对上埋式与沟埋式波纹钢管涵进行上覆土加筋的建议与方法。

1 波纹钢管涵对公路面的影响分析

某公路改建工程项目技术标准为双向四车道一级公路，设计速度80 km/h，路基宽度25.5 m，路面宽21 m，很大一部分路段为老路拓宽段，沥青混凝土路面。涵洞达137道，均采用波纹钢管涵，直径范围为1～4.5 m，涵顶上覆土厚度为0.8～4.8 m不等。为了避免因波纹钢管涵与周围土体不协调变形导致路面不平顺，结合本工程实际面临的问题分析波纹钢管涵对公路面的影响。

对于既有的公路，在管涵施工时先开挖沟槽，将波纹钢管涵放置在沟槽中，再进行填土埋设，因此，管涵在既有公路底部属于典型的沟埋式管涵，如图1所示。而对于新建公路或既有公路旁的扩建公路的底部管涵，施工时采逐层填筑的方式完成管涵埋设，因此管涵属于上埋式管涵，如图2所示。然而，在传统的观念中，上埋式管涵因其刚度大，在逐层填筑时因管涵两侧土体的竖向压缩量大于管涵的竖向压缩变形，导致管涵正上部土体单元的沉降量小于其两侧土体的沉降量，同此使管涵正上部土体单元受到两侧土体对其产生的向下剪切力，如图2所示。但对于本工程的管涵结构，尽管有波纹的存在，但其刚度远小于传统的钢筋混凝土管涵，即为柔性管涵。在上部埋土时，管涵的竖向压缩变形量较大，当管涵的竖向压缩变形量大于其两侧土体的竖向压缩量时，导致管涵正上部土体单元的沉降量大于其两侧土体的沉降量，从而导致管涵正上部土体单元受到其两侧土体对产生的向上剪切力，如图3所示。对于图2与图3的两种不同刚度的上埋式管涵，管涵周围的土压力与结构变形明显完全不同，管涵对路基路面的影响模式也完全不同。

图1 沟埋式管涵

图2 上埋式刚性管涵

图3 上埋式柔性管涵

由图1～图3可知，由于管涵结构与土层无法达到协调变形，将导致管涵上覆土层出现不均匀沉降。管涵作为公路路基底部的结构物时，其对路基路面的影响不可忽略。图4与图5分别为上埋式刚性管涵与上埋式柔性管涵的上覆土沉降趋势示意图。对于柔性管涵，因上覆土易出现较大的沉降量，导致路面基底强度不足，从而导致公路路面出现开裂，如图6所示。

图4 上埋式刚性管涵

图5 上埋式柔性管涵

图6 路面开裂

2 管涵上覆土不均匀沉降建议

鉴于波纹钢管涵对路基路面的影响因素复杂，为了减小管涵上覆土不均匀沉降对路基路面的影响，且基于上埋式管涵与沟埋式管涵的影响机基理与施工方法的不同，在此分别提出管涵上覆土加筋措施。

2.1 上埋式管涵上覆土加筋措施

公路新建设或扩建设时，管涵的填埋方式为上埋式，为减少管涵上覆土的不均匀沉降，在管涵上部填土过程中进行铺设土工格栅，其基本方法如下。

（1） 在管涵顶部开始铺设土工格栅，直到路床顶面 （包括在床顶面铺设土工格栅） ；

（2） 每一层土工格栅之间的垂直距离应和填土厚度保持一致，建议土工格栅之间垂直距离值宜在20～35 cm之间，即填土过程中，将每层填土的压实厚度控制在20～35 cm；

（3） 土工格栅的长度不小于5D （D为波纹钢管涵的直径） ，如图7所示。

图7 上埋式波纹钢管涵

2.2 沟埋式管涵上覆土加筋措施

既有公路埋设管涵基本为上埋式管涵，为减少管涵上覆土的不均匀沉降，以及再次填土与原有填土之间的不均匀沉降，在管涵上部填土过程中进行铺设土工格栅，其基本方法如下。

（1） 沟埋式管涵填埋过程中，从路基面向下进行放坡开挖，坡度根据原有填土的稳定性确度，一般约为45° （具体根据原路基填土的稳定性确定）。

（2） 开挖到管涵的设计底部时，管涵侧部距离基底两侧的距离l不＜2 m，如图9所示，以方便施工人员进行波纹钢管涵拼装、填土和铺设土工格栅 （l具体大小根据施工的方便性进行考虑）。

（3） 沟埋式管涵从底部填土开始铺设土工格栅，直到路床顶面 （包括在床顶面铺设土工格栅） ，以加强回填土与原有填土之间的搭接，减少回填土与原有填料之间的不均匀沉降。

（4） 在回埋过程中，为减小回填土与原有填土之间的不均匀沉降，在边坡上开挖台阶，台阶的高度与下一层填土的厚度相同，台阶的宽度与台阶的高度相同。

（5） 每一层土工格栅之间的垂直距离应和填土厚度保持一致，建议土工格栅之间垂直距离值宜在20～35 cm之间，即填土过程中，将每层填土的压实厚度控制在20～35 cm。

（6） 土工格栅的端部应铺设至台阶的底部，其长度与铺设位置有关，如图6所示。

图8 沟埋式波纹钢管涵

2.3 沟埋式管涵上覆土加筋措施

土工格栅基本要求

波纹钢管涵工程中所用的土工格栅需要满足加筋土路堤和加筋土挡土墙中的基本要求和技术性能指标。具体要求如下：（1） 土工格栅极限抗拉强度不应＜25 kN/m，优先选用极限抗拉强度不＜35 kN/m；（2） 优先选用强度高、变形小、粗糙度大、抗老化、蠕变变形小的土工格栅；（3） 土工格栅极限抗拉强度对应的延伸率，高密度聚乙烯土工格栅不应＞12%，其他土工格栅不应＞10%。

为了达到良好的加筋效果，在管涵上覆土进行土工格栅加筋时，提出如下施工控制要点。

（1） 铺设土工格栅时，应将强度高的方向铺设于垂直管涵的轴线方向 （即公路的纵向） ；

（2） 在垂直于管涵的轴线方向上，土工格栅不允许采用连接；

（3） 同一层的土工格栅在管涵的轴线方向上应有不＜10 cm搭接；

（4） 土工合成材料的铺设时应拉紧，不得有褶皱，必要时可用插钉固定，筋材拉紧固定后，应立即填铺上层填料；

（5） 铺设土工合成材料的填土表面应平整，不得有坚硬凸出物，严禁碾压机械直接在土工合成材料表面上进行碾压；机械行驶时，其筋材上填料覆盖厚度不应＜20 cm；

（6） 土工合成材料摊铺后应及时填筑材料，避免阳光长时间直接照射；

（7） 填料必须分层填筑、碾压，分层厚度以20～30 cm为宜。

3 结语

因波纹钢管涵与路基填土属于不同的变形结构，在上部荷载作用下，波纹钢管涵与其同深度范围内的填土的竖向变形无法做到绝对地协调。完成路面铺设后，在车辆荷载反复作用下，易导致管涵上覆土层出现不均匀沉降，进而易导致路面开裂、破损，直接影响到道路的使用质量，并影响到路基的使用寿命。文章针对具体的工程案例分析，得到了以下结论与建议。

（1） 波纹钢管的横向变形刚度远小于传统的钢筋混凝土管涵，但是，波纹钢管涵刚度大小是一个相对概念，具体与管涵周围的填土有关。不同刚度的上埋式管涵周围的土压力与结构变形明显完全不同，管涵对路基路面的影响模式也完全不同。

（2） 波纹钢管涵对路基路面的影响因素复杂，为了减小管涵上覆土不均匀沉降对路基路面的影响，建议在波纹钢管涵上覆土进行土体加筋。

（3） 基于上埋式管涵与沟埋式管涵的影响机基理与施工方法的不同，在此分别提出管涵上覆土加筋措施，并对施工方法提出的具体建议。

（4） 对于沟埋式管涵，在回埋过程中，为减小回填土与原有填土之间的不均匀沉降，在边坡上开挖台阶，台阶的高度与下一层填土的厚度相同，台阶的宽度与台阶的高度相同，且土工格栅的端部应铺设至台阶的底部。