拐弯钢波纹涵在山区公路中的应用

于 博

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

钢波纹管作为一种柔性结构物，其在结构上能够对横向位移进行补偿，能够高效发挥钢材的抗弯拉性能，具有较强的抵抗变形和抵抗沉降的特性，且在现场施工过程中具有运输存放方便、施工工艺便捷、施工工期短等优点。文中以京昆国家高速公路太原绕城西北段改线工程案例作为研究对象，对其施工工艺、受力特性、造价、工期等方面进行对比分析探讨，发现用钢波纹管涵代替传统涵洞，有很大的优越性，可为钢波纹管涵在山区公路建设中的推广应用提供实践参考。

1 钢波纹管涵的构造及特性

钢波纹管涵构造形式涵盖混凝土涵洞的所有常规类型，连接多采用栓接、铆接和套接形式，公路建设中采用管涵形式较为常见。其较混凝土涵洞具有变形能力强、地形适应性强、施工简单周期短、对周边环境破坏少更环保等特性。

2 波纹钢管（板）涵洞的适用范围

2.1 适用波纹管的情况

a）一般公路工程 在满足过水、通行等基本要求的情况下，波纹钢管（板）结构在受力性能、施工工期、行车舒适性、养护成本、综合造价等方面与同等跨度的传统钢筋混凝土涵洞相比具有优势。

b）不良地质条件 膨胀土、软土等特殊地区，地基不均匀沉降可能对刚性涵洞造成破坏时。

c）高填方路段 采用拱涵、盖板涵地基承载力不满足要求、基础处理费用较高时。

d）山区公路 钢筋混凝土涵洞使用的材料如钢筋、水泥、砂石料、淡水等缺乏的地区；山区便道修建较困难的地段、钢筋混凝土涵洞原材料运输困难时。

e）快修工程 应急抢险、救灾等对工期要求较紧的工程时。

f）加固工程 旧桥或涵洞有病害，采用内套方式加固时。

2.2 下列情况下一般不建议采用波纹钢管（板）涵洞

a）长期（每年2个月以上）积水的涵洞结构。

b）易于淤塞且与潮湿性材料长期（每年2个月以上）接触的涵洞结构。

c）近海或中、强腐蚀环境（pH小于5.5，电阻率小于50 ohm-m）。

3 钢波纹管应用实例

3.1 工程背景

京昆国家高速公路太原绕城西北段改线工程K23+430—K31+720段路线位于黄土丘陵区，路线跨越多处黄土冲沟，K26+020处地面经年累月受雨水侵蚀，形成如掌纹般纵横捭阖相互交织的复杂V型冲沟，沟壁陡峭，地表起伏较大，沟底沉积物为淤泥质软土，汇水面积不大，孔径建议采用1-2 m涵洞，现场调查和内业比对后发现，此处主线填土高度达30 m，冲沟辗转徘徊，若采取直线布设，涵洞轴线无法拟合到自然冲沟范围，对此处山体破坏巨大，采用传统的盖板涵和拱涵难以满足地形要求，另由于路基填土高，会造成结构自重过大，增加对地基承载力的要求，混凝土结构施工期长，结构稳定性差，需要的水泥砂石和钢筋量较大，且地形狭窄，不利于施工。根据地形地貌地质情况，经多方案比选，选用直径为1-2 m的整体钢波管涵，更适合施工，后期维护费用较低。涵洞立面见图1。

图1 涵洞立面布置图

3.2 钢波纹管技术指标

该项目所采用的波纹管的主要技术指标有以下几条：

a）设计安全等级 二级；

b）设计使用年限 100年；

c）设计汽车荷载 公路-I级；

d）地震动峰值加速度为0.05g，抗震设防烈度为6度；0.1g及以上可参考使用，并需进行相应的验算；

e）填土容重 γ=20kN/m3，填土弹性模量12 MPa；

f）涵洞孔径 1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m；

g）涵洞交角（涵洞轴线与路线法线之夹角）0°～45°，每5°一级。孔径5.0 m、6.0 m涵洞最大斜交角度为30°；

h）涵顶填土高度 见表1。

表1 涵洞孔径及对应的填土高度 m

i）涵洞洞口的类型 跌水井、八字墙＋急流槽；

j）环境类别 I类。

3.3 主要材料

该钢波纹管断面结构尺寸管身采用Q345热轧钢板制作。钢板满足《低合金高强度结构钢》（GB/T1591－2008）和《热轧钢板和钢带尺寸、外形、重量及允许偏差》（GB/T709－2006）的要求，屈服强度不小于350 MPa，抗拉强度不小于470 MPa；采用热浸镀锌对钢板表面进行处理，镀锌M20螺栓紧固，密封胶及EVA泡沫板密封。

3.4 涵身主体结构设计

3.4.1 设计计算采用的规范

参照美国钢铁协会的设计计算方法（AISI法）、美国规范《AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，4th Edition》、加拿大规范 Canadian Highway Bridge Design Code(CAN/CSA-S6-06)进行设计和校核，具体采用规范和算法如表2。

表2 计算校核方法及对应跨径

3.4.2 荷载计算

a）永久作用 涵顶填土按土柱重理论计算，容重 γ=20 kN/m3，内摩擦角 φ=30°。

b）可变作用 按汽车荷载公路-I级计算，不考虑涵洞顶土柱和周围填土的摩擦力，考虑车道折减，采用角度分布法计算，半无限弹性体理论核算。

c）偶然作用 地震作用按加拿大规范计算时，仅取地震动峰值加速度值为0.05g；大于0.05g时需另行计算。

3.5 构造措施和方法

为了保证管体的整体性、强度、密封性及后期维护的便捷性，管体拼装完成后的周向接缝及轴向接缝数量以最少为原则。

3.5.1 涵底纵坡

涵底纵坡不大于5%。涵洞根据填土高度和地基情况设预抛高；涵洞预抛高峰值放在与路线中心交点处，往涵洞两端按二次抛物线过渡，预抛值需根据变形计算拟定。地基沉降较大时，应采用反开挖工艺施工涵洞。

原地面高差较大采用在进水口设置跌水井、出水口设置急流槽的方式，以降低涵洞流水面坡度。

3.5.2 涵洞预变形

涵洞顶部填土按规范完成后，竖直方向产生向下的压力，涵洞会出现向两侧突出，从而引起闭合结构从“圆”变为“水平椭圆”的趋势[1]；该问题可以采用通过在圆管中心张拉水平拉杆强迫波纹钢管周向预变形约1%～2%（具体通过计算确定）的方法解决。

3.5.3 连接件

整体式波纹管的连接法兰采用角钢、钢板制作。采用性能指标符合《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》（GB/T 1231—2006）要求的高强度热镀锌六角螺栓、螺母和垫圈来进行现场装配。垫片和紧固件相匹配。垫片一面是平面，一面为曲面，注意垫片形状与波纹钢管（板）的弧形匹配。

3.5.4 密封材料

采用耐久性较好的密封材料；可选用橡胶垫片,应满足《管法兰用非金属平垫片技术条件》（GB/T 9129—2003）规范的要求；也可选用硅酮耐候密封胶，应满足《硅酮建筑密封胶》（GB/T 14683—2003）规范的要求。

3.6 耐久性设计

3.6.1 金属构件防腐体系（见表3）

表3 金属构件防腐体系一览表

3.6.2 热浸镀锌

螺栓、螺母、法兰等热浸镀锌量不小于600 g/m2。

波纹钢管（板）内、外表面均需进行热浸镀锌，镀锌层（单面）的平均厚度大于84μm，镀锌量（单面）不小于600 g/m2。

热浸镀锌采用GB/T 470规定的1号或0号锌，钢板表面处理的最低等级为Sa2.5。

3.6.3 沥青涂层

波纹钢管（板）现场安装完毕后，在管道外壁及螺栓周边均匀喷涂沥青漆或乳化沥青两道，涂层厚度不小于0.5 mm。涂层应均匀光滑、连续，无肉眼可分辨的空隙、裂缝、脱皮及其他缺陷。沥青晾干后方可施工台背回填。沥青涂层应满足《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》（JT/T 722—2008）规范的要求。

3.7 基础施工和涵身回填

基础设计为两层的结构形式，下层为要求高度压实的砾石、碎石，以提供地基承载力；上层松铺粗砂，以保证波纹钢管（板）与基础密贴，起到弱化基础刚度以减载的目的。上层基础（过渡层）材料的粒径不得大于12 mm且不得大于波纹钢管（板）波峰、波谷曲率半径的1/3。结构性回填区的填土结构见图2。

图2 结构性回填区的填土结构

施工安装注意基础放样时应在涵底砂砾基础顶部沿涵洞轴线设一定的预拱度，一般在0.6%～1.0%之间。波纹管涵洞安装完毕后，应进行检测，检测合格后，再次进行热涂沥青防腐处理，防腐措施验收合格后，管身两侧土方回填严格按照《公路桥涵施工技术规范》完成。

3.8 设计成果及造价对比

本涵位于弯曲的冲沟内，根据所处沟内地形，将波纹管进行了两次角度的变换。见图3。经拐弯设计后减少了开挖，节约了造价。

图3 平面设计图

经过测算在同等满足净空要求的条件下，1-2 m混凝土盖板涵每延米约17 000元左右，钢波纹管每延米8 000元，盖板涵造价是钢波纹管涵的2倍，经济效益显著。

4 结语

通过本次对比研究发现，波纹管除在特殊环境（中、强腐蚀环境）外，其显著的优越性成为行业中倍受欢迎的涵洞类型。主要体现在以下几点：

a）从涵洞轴线的布设考虑，钢波纹管涵能最大幅度地依山形地势布置，不破坏就是最大的保护，减少对周边山体的扰动，节约经济成本，同时对路基整体质量的提升提供了保障。

b）出于材质方面考虑，钢波纹管涵较普通混凝土盖板涵抗变形能力更好，且承载力要求不高，降低了施工单位地基处理难度。

c）从安装施工上考虑，刚波纹管管节均是工厂统一设计生产的标准件，拼装施工简单，节约劳动力，大幅缩减施工周期。