波纹钢管涵填埋技术分析

汪 永 奇

(安徽省路桥工程集团有限责任公司，安徽 合肥 230031)

1 概述

传统的钢筋混凝土涵洞在运营后期，常因结构刚度较大，不能适应地层的变形而带来一系列问题，如管涵结构开裂与破损、涵顶路面开裂、路面平整度不达标、路面刚度突变导致车辆通过时的不平稳等[1，2]。然而，波纹钢管涵在合理设计与施工的情况下，理论上更容易避免上述工程病害。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，从而达到了管涵在纵向上良好地适应地层的不均匀沉降，因此尤其适用于老路拓宽的公路工程。波纹钢管涵相比传统的圬工桥涵、钢筋混凝土盖板涵、箱涵、拱涵等而言具有诸多优点，如工程实际造价比同类跨径的桥、涵洞低；现场拼装施工，施工工期短[3-6]。

波纹钢管涵在国内使用十余年，从一开始的在青藏铁路和公路的应用研究，为后期使用推广奠定了良好的基础，目前已在很多地质地形情况下应用，并取得了一定的经济与社会效益，先后在多年冻土区、湿陷性黄土区、软土区、沿海区、沼泽区、山区高填方、平原浅填方区、膨胀土区等地形特征中应用。在国外同样也得到了较好的应用，涉及行业包括公路、铁路、矿区、市政管线[7]。然而，基于波纹钢管涵的力学特性，在填埋过程中也将面临特殊的问题，且波纹钢管涵的填埋质量问题直接关系到路面质量。本文先对波纹钢管涵施工面临的问题及对路面的影响进行了调研，在此基础上提出了波纹钢管涵填埋方法及填埋过程中的相关注意事项。论文成果对推广波纹钢管涵的应用具有重要作用。

2 波纹钢管涵的工程应用及面临的工程问题

2.1 波纹钢管涵工程应用概述

波纹钢管涵在我国工程中应用主要是在20世纪末，由于波纹钢管涵的波纹的存在，使管涵的横向刚度比同等用钢量的钢管涵具有更大的刚度，同时在波纹钢管涵纵向具有良好的柔性，其变形性能良好，可充分地发挥钢材的力学与变形性能，从而达到了管涵在纵向上良好地适应地层的变异性，因此尤其适用于老路拓宽的公路工程。结合相关研究与工程应用的调研与分析表明，波纹钢管主要适用范围有：

1)高填方路段。

采用拱涵或盖板涵地基承载力不满足要求，或施工质量难以保证且费用较高时；

2)山区公路。

浇筑混凝土使用的原材料缺乏，施工用水困难，或水泥、钢材等材料运输不便时；

3)不良地质条件。

常年冻土、膨胀土、软土、湿陷性黄土等特殊地区，地基不均匀沉降可能对刚性涵洞造成破坏时；

4)北方地区。

受工期影响或季节气候制约，采用混凝土结构难以满足质量及工期要求时；

5)快修工程。

应急抢险、救灾等对工期要求较紧的涵洞；

6)一般公路工程。

与同等跨度的常规混凝土管涵、盖板涵和箱涵相比，波纹钢管涵洞在受力性能、施工工期、使用寿命、行车舒适度、养护成本、综合造价等综合因素具有可比性时；

7)公路拓宽工程。

新建公路基础与既有公路基础易发生差异沉降，而波纹钢管涵因波纹的存在，可良好地适应地基的不均匀沉降。

2.2 波纹钢管涵面临的问题分析

波纹钢管涵应用主要面临两大问题：一是不便施工；二是对路面的不利影响。对已有研究调研表明，现场施工时，波纹钢管涵在填埋过程中环缝接头易发生破坏；施工过程中局部荷载作用易导致波纹钢管涵发生局部内凹；不对称填土或施工设备直接作用在波纹钢管上可能导致波纹钢管发生失稳破坏，如图1所示。

从已有的波纹钢管涵顶部路面调研来看，当管涵直径较大，且上覆土厚度较小时，管涵顶部路面易发生路面开裂，如图2所示，由于管涵结构与土层无法达到协调变形，由此将导致管涵上覆土层出现不均匀沉降，如图3所示。

3 波纹钢管涵填埋施工

3.1 波纹钢管涵填埋施工方法

现有的上埋式波纹钢管涵填埋施工过程中，一般先放置波纹钢管涵，再逐层填土并碾压。现有的施工方式中，在波纹钢管涵下半部分的侧部不便于碾压操作；而在波纹钢管涵上半部分的侧部及波纹钢管涵顶部填筑施工时，因波纹钢管涵刚度过小，填土与碾压过程中易导致波纹钢管涵发生局部变形，因而不利于填土碾压施工。波纹钢管涵周围碾压不密实，在波纹钢管涵上部填土过程中，波纹钢管涵发生横椭圆变形时其水平地层抗力增加并不多，由此导致波纹钢管涵的最终横椭圆变形过大，甚至发生失稳而坍塌。不便碾压区如图4所示。

为了确保波纹钢管涵填埋质量，在此提出采用部分沟埋式填埋方法，同时采用临时内支撑防止填埋过程中导致波纹钢管涵发生过大变形，具体包括：

1)填土并碾压到管涵一半高度；2)开挖形状与波纹钢管下半部形状匹配的沟槽(如图5a)所示)；3)沟槽整理后管涵放置或拼装(如图5b)所示)；4)管涵内部设置内支撑(如图5c)所示)；5)上部填土；6)填土到管涵顶部1 m～2 m，或水稳层以下后，内支撑拆除；7)在内支撑拆除后再填筑过程中，注意观测，对变形不稳定的波纹钢管涵，考虑进行内加形状匹配的圆钢管加固。

通过上述施工方法与措施，在波纹钢管涵填埋时，方便将波纹钢管周围的填土压实，且在填土施工时，防止管涵发生过大变形，甚至坍塌，最大限度地使管涵保持设计形状，防止道路运营后因管涵变形导致路面发生不均匀沉降。

3.2 波纹钢管涵填埋注意事项

根据上述调研与分析，并结合现场试验研究，提出如下波纹钢管涵填埋建议：

1)管涵基底处理应尽量与两侧同深度位置的路基基底相同；

2)挖至标高的土质基础不得长期暴露，扰动或浸泡，并应及时检查基础高程，基底承载力等；

3)波纹钢管涵的基础必须有足够强度、稳定性和均匀性，但不必比管涵结构周围承受回填材料的原状土体更强；

4)对预计地基有一定沉降的情况，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度，基础在涵管纵向预拱度一般为0.5%～1%；

5)回填材料应符合填料的基本要求，尤其要注意管涵侧部的填土。回填料应倾倒在结构两侧1.0倍直径以外，再采用推土机或挖掘机移至管涵侧部或上部；

6)波纹钢管涵两侧回填应对称施工，分层回填，每层厚度为25 cm～30 cm；

7)紧挨波纹钢管涵位置用机械夯实，管底下方楔形部要特别注意，防止压实不足影响路基路面的稳定性与耐久性；

8)涵洞两侧回填应采用振动压路机压实，但不宜离管涵太近；

9)涵管上方当回填厚度小于50 cm时采用手扶振动压路机压实或采用小于6 t的静碾压路机压实，压实度应介于93%～95%之间。当涵管顶填土大于50 cm～100 cm后，方可采用轻型压路机碾压施工，每层厚度25 cm～30 cm，压实度应介于93%～95%之间；

10)管涵填筑施工过程中做好结构变形监测，以便调整填埋施工方案。

4 结论

1)施工过程中局部荷载作用易导致波纹钢管涵发生局部内凹；不对称填土或施工设备直接作用在波纹钢管上可能导致波纹钢管发生失稳破坏。

2)现场调研表明，波纹钢管涵上部路面易发生沉陷与开裂破损。

3)提出了采用部分沟埋式填埋方法，同时采用临时内支撑防止填埋过程中导致波纹钢管涵发生变形。

4)结合现场试验研究，提出了波纹钢管涵填埋建议与注意事项。