大跨径波形钢管涵在高填石路堤中的应用探讨

刘敬霜 黄华显

文章通过介绍波形钢管涵的设计原理、技术要求、施工工艺、技术优势，结合广西某高速公路高填方填石路堤中大跨径波形钢管涵的应用案例，阐述了波形钢管涵的应用效果和推广价值。

高速公路;大跨径;波形钢管涵;应用

0 引言

简单来说，波形钢管涵是一种采用螺栓将多片波形钢板片拼接而成的管涵。由于波形钢板片厚度较薄、重量较轻，且便于运输存放，使得波形钢管涵也具有了现场安装方便、拼装进度快、施工工艺简单、工程工期短、环保节能等优点。同时，波形钢管涵属于一种柔性结构，拼接完成后与周围土体形成一种组合结构，分散荷载的应力集中，共同受力。本文结合广西某高速公路建设工程实例，详细说明了波形钢管涵的使用优势、工作原理、施工工艺及取得的效果。

1 工程概述

广西某高速公路K29+687段原设计为钢筋混凝土盖板涵，涵长102.462 m。根据现场的水文调研，该盖板涵并不能满足该处雨季的最大过水量，且施工盖板涵并不能满足此处高填方路基填筑进度要求。经设计单位研究，将原设计k29+687段的钢筋混凝土盖板涵变更为k29+650段的波形钢管涵。

2 波形钢管涵的优势

2.1 不均匀沉降可能性低

从材料与结构、功能的本质关系来分析，不均匀沉降是破坏高速公路涵洞、通道的主要形式之一。波形钢管涵作为一种高强度材料的柔性结构，不仅具有适应地基与基础变形的能力，而且由于波形钢管涵布设有轴向波纹，可以在更大程度上分散荷载的应力集中，更好地发挥钢结构的优势，具有解决因地基、基础不均匀变形导致涵洞破坏问题的能力。

2.2 地基承载力要求低

一般的钢筋混凝土盖板涵要求地基承载力应≥0.25 MPa，而波形钢管涵一般

要求为0.15 MPa，从而大大减少了清除不适合材料、软基换填等地基处理的工程量。

2.3 工艺简单，施工进度快

k29+687段钢筋混凝土盖板涵若按原设计图施工，由于基础处理工作量大、涵洞长度较长等原因，该涵洞工期约为40 d;而采用波形钢管涵施工，由于具有自重轻、运输方便、拼装工艺简单、施工进度快等优点，在增加人员及机械等资源的情况下，仅用4 d就可完成管涵拼装部分的施工。

2.4 有利于环保

采用波形钢管涵施工时，由于地基承载力要求低，减少了基础处理时弃土、借土（石）的工程量，同时也减少了原设计钢筋混凝土盖板涵的钢筋、水泥、砂石等材料，具有较好的节能环保效应。

2.5 经济效益明显

直径5 000 mm、波形380 mm×140 mm、壁厚5 mm的钢波纹管造价为13 500元/m（含安装费、运费），而对应尺寸的钢筋混凝土盖板涵、箱涵每延米的造价基本在2万元左右。由此可见，采用钢波纹管涵有利于施工成本的控制，具有较好的经济效益。

3 波形钢管涵的设计方案

3.1 主要设计方案

该波形钢管涵设计为2孔5 m的过水涵洞，与路线交角90°，涵长90 m，进出口形式为八字墙。主要设计指标如下：

（1）波形钢管涵的波形尺寸为380 mm×140 mm，壁厚5 mm。波纹管为环向4片拼装，成型后单块板宽度为1 620 mm（4个完整波纹）。钢板材质选用Q345，表面为热浸镀锌，镀锌量≥900 g/m2（双面合计），热浸镀锌后波纹钢板表面做热熔覆塑。

（2）波形钢管拼接成型后各接缝处及螺栓接口处用耐候密封胶密封。

（3）为保证波形钢管涵的强度及刚度，减少接缝强度衰减，波纹钢管上的接缝以最少为原则。

（4）波纹钢板上不允许有任何焊接。

（5）地基承载力≥0.15 MPa，否则应采取换填或其他加固措施。

3.2 波形钢管涵结构验算

本项目采用的钢波纹管涵波形尺寸为380 mm×140 mm，直径D=5 m，厚度t=5 mm，填石高度H=18.17 m，钢材材质为Q345。

（1）荷载计算：设计荷载主要考虑管顶以上填土高度恒载和行车荷载的综合作用，总荷载为：Pv=274.5 kN/m2。

（2）环向压力：为适应管材管壁受到径向压力而产生的变形，管涵结构必须有足够的强度。作用于管面的波纹管环向压力C=686.25 kN/m。

（3）极限应力计算：当取安全系数为2时，极限应力的计算值为1 550 kg/ cm2。

（4）波纹管涵强度校核：PC=C/A=686.25/0.713=962.5 kg/ cm2<1 550 kg/cm2。

（5）施工刚度：根据柔度系数FF=D2/EI=0.010 19，<设计值0.114。本工程中波纹管符合施工的刚度要求。

4 波形钢管涵的施工工艺

拼装波纹涵管主要施工工艺及程序为：基坑开挖→基础垫层→拼装波形钢管管涵→密封胶密封接缝→涂刷沥青防水层→管底楔形部位填压→两侧和管顶部位回填→压实→洞口处理。

4.1 基坑开挖

基坑开挖应严格按施工图要求进行，当基底土为淤泥等不良土层时，应采取换填碎石等加固处理措施，保证基底承载力≥0.15 MPa。开挖完成后，不得出现长期暴露、扰动、浸泡等安全隐患，应在检测基坑尺寸、基底标高、基底承载力等指标满足设计要求后，立即进行基础施工。

4.2 基础垫层

波形钢管涵的地基必须满足设计承载力要求，并应做成与管身弧度密贴的弧形管座。管座基础墊层应采用材质均匀、无大石块硬物等满足设计要求的材料。当管涵地基为岩石或混凝土时，应在管节与地基之间设置砂砾垫层或其他适宜材料，避免管节受损变形。基础砂砾垫层根据设计文件要求的宽度、厚度进行施工，每层压实层厚应≤20 cm，压实度≥96%。

4.3 波形钢管管涵拼装及安装

波形钢板片运输至现场后，一般在涵洞基坑施工完成的基础垫层上进行拼装。拼装的主要流程为：（1）拼装底板，以涵洞中心轴线和中点为基准定位第一块波形钢板片，然后向两端延伸至管涵进出口;（2）拼装环向板，从已经确定的基准底板开始拼装，由下向上环向依次进行，并向两端延伸至管涵进出口。

拼装应注意的事项为：（1）相邻节段的周向搭接缝必须错位布置，严禁接搭处有4层或4层以上的重叠;（2）管节拼装时，上游管节的端头应置于下游管节的内侧，不得反置;（3）采用法兰盘或管箍环向拼装时，应将螺栓孔的位置对准，并应按产品设计规定的扭矩值进行螺栓的施拧;（4）应设置预拱度，通常可为管长的0.6%～1.0%，最大≤2.0%，以保证管道中部不出现凹陷或逆坡为准;（5）波形钢板上不允许有任何焊缝。

4.4 密封胶密封接缝

在波形钢管涵钢片拼装完成后，应立即开展管涵密封防腐处理工作。通过采用胶枪等专用工具，在钢管结构钢片搭接、端部搭接、连接螺栓等空隙较大的位置装填封孔耐候胶，进一步提高波形钢管涵的整体密封性。

4.5 涂刷沥青防水层

波形钢管板片运输至现场时，应根据规范要求检测其镀锌层厚度、镀锌量等指标，不满足要求的应坚决退场。如果管节内、外管壁均进行了喷塑，则须在外管壁上增加涂刷沥青防水层工艺;如果管节内、外管壁均没有喷塑，则均须在内、外管壁上增加涂刷沥青防水层工艺。沥青防水涂层可以采用含有石棉纤维的厚沥青涂料或含有沥青煤油的拌合物涂料，厚度须达0.4～0.5 mm。沥青防水涂层晾干后方可进行下一步的回填工作。

4.6 管底楔形部位回填砂砾

该部位砂砾的回填碾压质量是整个工程回填质量控制的关键，本项目采用了粗砂（天然砂、机制砂）“水密法”进行振捣密实。主要施工流程为：在管涵结构最大直径两侧20 cm范围内，人工配合机械摊铺粗砂，每层松铺厚度为30 cm。在粗砂摊铺边缘处采用黏土袋堆码包边，并布设过滤层及直径≥10 cm的排水PVC管。每层摊铺粗砂均需在注水的同时进行振捣，振捣棒移动方向应与顺坡排水方向一致，由高向低移动。每层摊铺粗砂完成注水振捣后，应进行压实度检测，压实度≥96%。

4.7 两侧和管顶部位回填

在波形钢管涵结构两侧1倍直径及顶部2 m范围内，应根据施工图设计中涵背回填的材料、粒径、级配等具体要求进行施工。回填的先后顺序为：管涵底部两侧楔形位置→管涵两侧1倍直径范围内→管涵顶部2 m范围内。回填过程中应确保在两侧对称且均衡的状态下作业。

4.8 压实

涵洞两侧回填时，应该根据现场实际情况采用相适应的碾压、夯实机具，在确保波形钢管涵结构安全的同时，应保证涵背回填土的压实度≥96%。由于该段路基为填石路堤，在管涵结构两侧20 cm至1倍直径范围内，应选择透水性好、易压实、固结完成快、压缩变形小的砂性土、砂砾土、碎石土等符合路基施工要求的填料及采用级配碎石填料，其中级配碎石最大粒径≤37.5 mm，压碎值≤30%，4.75 mm以下石屑掺量控制在40%左右。管涵结构两侧1倍直径范围以外，应采用22 t羊足碾按照填石路堤的工艺要求进行碾压，填石路堤压实层厚≤50 cm，填石粒径≤30 cm。涵管顶部回填土（石）厚度<50 cm时，应采用<6 t的压路机静压压实，层厚<20 cm，压实度≥96%。涵管顶部回填土（石）厚度>50 cm时，方可采用12 t以上压路机进行碾压，层厚<20 cm，压实度≥96%。涵管顶部回填土（石）厚度>300 cm时，方可按照填石路堤的方式进行正常碾压。

4.9 洞口处理

在涵洞两侧回填过程中，波形钢管涵管壁可能会产生一定范围的变形现象。为避免该变形现象对洞口混凝土八字墙的影响，应采取如下处理方式：在波形钢管涵拼装完成后，八字墙墙身仅施工至管涵顶标高，暂不施工帽石，并采用两排沙（土）袋进行临时挡土;待完成涵洞两侧填土及涵顶路基土石方施工15 d后，再清理临时挡土的沙（土）袋，并继续施工涵洞八字墙剩余工程。

5 施工效果

该波形钢管涵施工后，利用原布设观测点定期观测了约1.5年。经观测发现：（1）该段路基稳定性较好，未出现明显下沉、沉降等现象;（2）波形钢管涵内部未发现错台、凹陷、脱空、腐蚀等现象;（3）内部未见积淤、堵塞现象，管涵排水顺畅;（4）波形钢管涵端头与八字墙混凝土衔接处未发现开裂现象。工程整体施工情况较好。

6 结语

高速公路的涵洞除了实现基本的排水功能以外，还需综合考虑环境保护、工程造价、施工进度、施工环境等因素。波形钢管涵在技术经济、社会效益，特别是施工进度、工程造价方面均有较大优势，在高速公路施工中具有较大的推广价值。

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