钢波纹管涵在农村公路中的设计及应用

2021-06-22刘慧

运输经理世界 2021年26期

刘慧

（甘肃省天水公路事业发展中心，甘肃天水 741500）

0 引言

涵洞作为公路新改建工程中常用的排水结构，必要时也可做通道、临时渡河工程使用，其应用范围极其广泛[1]。目前，在农村公路建设中，涵洞结构多采用钢筋混凝土及圬工材料构筑的箱涵、盖板涵、圆管涵、拱涵等几种形式。涵洞存在设计施工复杂、施工工期长的特点。此外，在不良地质以及高填、深埋等条件下，涵洞易在运营期间产生较大的损坏，为公路行车安全带来较大的隐患，且其养护、维修投入成本巨大。随着钢波纹管涵在常年冻土、膨胀土、软土、湿陷性黄土等不良地质条件及高填路段中的成功应用，使其成为替代圆管涵、盖板涵、拱涵、小桥的极佳选择。钢波纹管涵尤其适用于公路涵洞，其简洁的施工工艺使其在工期要求较短的农村公路建设中，发挥了巨大作用。

1 钢波纹管涵的概念

钢波纹管涵又称波纹管涵,是一种在管壁上形成波纹断面,在管面上进行防腐处理的金属管状结构,由碳钢板冷成形而成，在一些公路和铁路工程中代替混凝土涵洞和小桥，是一种具有一定柔性的高强度钢波纹管。钢波纹管涵不仅对基础和基础变形的适应能力强,还能有效解决基础不均匀沉降所引起的涵洞破坏问题。由于轴向波纹的存在,使其具有优良的应力特性,承受轴向和径向荷载引起的应力和应变,能更大程度地分散荷载的作用,更好地发挥钢结构的优点。

作为最常用和最经济的涵洞形式，钢筋混凝土盖板涵、拱涵的优点很多，对底座承载能力要求较高，是其主要缺点。以1孔2×2m钢筋混凝土板涵洞为例，当涵洞顶部填充高度为12m时,要求整体基础（加固）的基础承载力约为250kPa;当涵洞顶填高为20m时,要求整体基础（加固）的基础承载力约为400kPa;当涵洞顶填高为32m时,要求整体基础（加固）的基础承载力约为620kPa。如果盖板涵距增大,对基础承载力的要求也会随之增加。如果是相同跨度的拱涵,其基础承载力要高于板式涵洞。对于圆管涵洞和箱形涵洞来说,当涵洞填充高度超过8m时,随着结构尺寸的增大,已经变得非常不经济,这里不做讨论。

2 农村公路涵洞设计的基本要求——涵洞布设的要求

其一，应在设计中尽可能完整地收集相关资料。对改、扩建工程，还应收集既有涵洞的相关资料，详细了解涵洞的使用、养护、水毁等情况，并进行实地调查。

其二，进行涵洞测设时，可以绘制简单的涵洞平面示意图[2]。如果涵址地形及水文条件复杂，还应绘制详细的涵址地形图。图上应标示出涵洞的位置、改沟的位置及其附属设施；改、扩建工程还应对既有涵洞的墩台、进出口构造及铺砌的位置和高程等进行标示。

其三，涵洞布设是指如果遇到沟形复杂、洞口布设难度大的情况时，可以不采用沿路线方向的涵址中线沟渠断面进行布设，而是选择上、下游洞口附近的补充断面。

其四，在农村公路的涵洞设计时，可以采用挖探或其他较为简单的方式对地质进行探查，如果遇到不良地质的涵址，应进行补充地质勘探，探明其地基的地层岩性、地质构造、岩土承载力等相关设计参数。

其五，涵洞的布设应与水流方向保持一致，设计中应尽量减少斜交正做的使用。

其六，在农村公路的涵洞设计中，应考虑后期养护等情况，并充分结合现场情况，选用无压力式涵洞。

3 钢波纹管涵洞的通病

其一，由于基础的不均匀沉降，会导致管体变形甚至开裂。因此，应根据不同的地质条件和施工环境对地基进行处理,选择合适的结构形式和地基处理方法。其二，管体回填材料的某些部位存在较大的石块,导致管体的某些部位出现硬割伤或凸起，因此,必须严格筛选管体特殊压实区的回填材料,填料的粒径不得大于30mm。其三，两侧回填不对称,严重时甚至出现塌陷。因此,涵管两侧应同步对称充填,两侧回填高差不得大于30cm。其四，两侧填土不密实，会导致变形过大的问题，因此，填筑时应按标注线，每20cm进行一次分层填筑、分层碾压，压实度达到95%后，方可进行下层填筑。

4 钢波纹管涵的结构及挑选

4.1 钢波纹管涵结构

钢波纹管涵按其截面形式可分为闭口截面结构、开口截面结构两种，具体应根据工点条件及使用功能进行选择。在农村公路的涵洞设计中，多选用闭口截面结构，小跨径桥涵可选用开口截面结构。

4.1.1 闭口截面结构：横截面是封闭的结构物，如圆形、椭圆形、梨形等。闭口截面又分为整体式和拼装式两种。整体式宜采用钢波纹管节，使用加强螺栓进行拼装。拼装式则是由波纹钢板件拼装而成的管形结构物。

4.1.2 开口截面结构：横截面不封闭的结构物，一般指拱式结构，脚处与基础相连，如圆弧拱、多圆弧拱等。开口截面结构物由波纹板件拼接而成。

4.2 钢波纹管涵的基础设计

4.2.1 钢波纹管（板）涵为金属结构，其底部不得与岩石地基以及混凝土基础直接接触，应先设置柔性垫层进行过渡，其材料多使用砂砾或其他适宜材料，使其紧密相贴。

4.2.2 开口截面结构为波形钢板拼装板，其多为拱式结构，基础多采用钢筋混凝土等圬工材料，拱脚处采用锚钉、槽钢垫板与基础相连接。基础的设置应在可靠的持力层中，并设置砂砾垫层以满足基地应力的要求。

5 钢波纹管涵结构的施工技术和要点

5.1 基槽开挖

根据管涵分布情况和实际的地质条件,采用机械开挖和人工配合进行施工。机械开挖采用10.5～11的放坡系数。开挖弃土保留一部分符合填土要求的土方，其余土方外运；在基坑开挖的过程中,应加强对中线和边坡稳定标高的监测,防止超挖和中线位移的情况。机械开挖至设计管底标高上部0.2m时,停止机械作业,改用人工开挖至设计标高处。基坑施工完成后,应对以下项目进行检查：基坑开挖尺寸、基底标高、放坡系数是否满足设计要求;基坑底部土体状况是否符合设计要求;槽底排水条件是否符合要求等。开挖时，要控制好基础标高,清除多余土方和杂物。有些过度挖掘的地方不能用松散土方直接回填，而要等基底垫层施工时统一调平并夯实。波纹管涵洞属于开挖断面时,其基础承载力应达到0.18MPa及以上。基础填充的密实度应达到92%以上。

5.2 两侧及顶部回填

按地基置换方法,在0.5～2m处进行回填,顶部采用路基填筑材料。在对楔形处进行回填时，应确保密实度合格，也可将C15混凝土浇筑成管座。为方便填充，每隔15cm做一次标记;密实度应≥96%,每层单面不大于2m。只有在紧实度合格后才能填充下一层建筑。

两侧同步对称回填时,两侧高差应≤30cm;管涵两侧至少25m的范围内不得有强夯作业。仔细检查管涵两端,清理涵洞内的积水及杂物。如果板材之间有空隙,应填塞紧密，并在内部涂抹脱模剂。混凝土浇筑过程中,为了不造成离析，自由落体的高度应控制在2m以内。为防止管涵受到大型机械的冲击，距离管体0.5m内,禁用超过50mm的石块或其他硬物。该项目钢波纹管涵洞由中心向两端回填,不设挡土墙。最终的截面尺寸与装配尺寸相差应≤2%。如发生严重变形,应立即停止所有工序,查明原因并采取有效措施进行处理。

5.3 涵管拼装连接的控制要点

5.3.1 在将波纹钢板运至施工现场后,应逐块检查其完整性。安装时，拼接处必须清理干净，确保拼缝、搭接紧密。

5.3.2 为保证施工安全,波纹管组装平台应采用搭设盘扣支架。

5.3.3 由于管涵所受土压力中间大、两端小，因而洞中间的沉降往往大于两边,造成在管道内积水,甚至无法排水的情况。因此,将管体的预拱度设置为管长的0.8%,可以确保管道中部不出现凹陷或逆坡。

5.3.4 将外圈搭接处的螺栓拧紧并符合要求后，在钢板连接处和螺栓孔处采用专用密封材料进行密封，以防止波形钢板板缝、螺栓孔处和防波纹板连接处渗水。

5.3.5 安装完毕后,在管道内、外均匀涂上两层热沥青,沥青涂层的总厚度为1mm。

5.4 钢波纹管（板）的防腐处理

5.4.1 钢波纹管（板）出厂前一般会做镀锌防腐处理，防腐材料及工艺亦可采用其他新材料、新工艺。甘肃省天水公路事业发展中心于实践中总结出了在镀锌处理的基础上增设防腐沥青的处理方法。

5.4.2 当钢波纹管（板）涵处于较强腐蚀或磨蚀条件下时，应做内衬设计。一般可在钢波纹管（板）涵底部的一定范围内浇筑混凝土或使用其他内衬材料。

5.5 回填设计

5.5.1 回填宽度应不小于有效跨度的2倍，且当涵洞跨径小于1m时，涵洞两侧最小的回填宽度不小于0.5m。

5.5.2 设计时，应结合工点供料情况选用经济、合理的材料作为回填土。回填材料应选用天然级配砂砾或水稳性好的材料，如砾类土、砂类土，或者砾、卵石与细粒土的混合料。

5.5.3 回填土不得采用大型机械进行填筑、压实。闭口截面结构管底下的方楔形部填料，可采用水密法，并用振荡器振实。

5.5.4 回填土应严格按照相关规范要求，两侧保持对称、均匀，分层摊铺，逐层压实。如因偏土压导致钢波纹管截面变形，则应对截面形状进行校正，校正后再重新夯实。

5.5.5 在回填的施工过程中，从钢波纹管（板）涵外边缘向外2m以内，应严格控制重型机械的运行。侧面进行夯实时，机械应与钢波纹管（板）涵的轴向平行行驶；夯实钢波纹管（板）涵上方回填土时，应沿路向行驶。

5.6 验算

5.6.1 进行钢波纹管（板）涵设计时，可不考虑涵身自重产生的等效荷载的作用效应，对于跨径较大和填土高度较大的钢波纹管（板）涵，应进行柔度计算或施工阶段的强度验算。

5.6.2 验算时，应按承载能力的极限状态和正常使用的极限状态对钢波纹管（板）涵的覆土高度、结构内力、结构稳定、连接强度和变形等分别进行验算。

5.6.3 若工点存在腐蚀性水体、土体，或存在对涵洞有冲刷、磨蚀等损害其结构耐久性的安全隐患时，应按现行的钢结构桥梁耐久性处理措施，进行耐久性设计。

5.6.4 钢波纹管涵洞施工技术是近年来引进的新技术[3]，施工单位在实际施工过程中加强了对该技术的应用,从而促进了我国工程施工的效率和质量。随着该技术的有效实施及进一步发展,将更有力地推动我国工程建设的发展。钢波纹管结构具有经济、耐用、应用广泛等优点。目前,小跨度涵洞已在我国得到了广泛应用,初步形成了一套小直径钢波纹管涵洞设计施工模式。如果在此技术的基础上对大跨度结构进行研究和应用,针对我国多变且复杂的地形，钢波纹管结构将获得更广阔的应用前景。

随着我国经济、技术的高速发展，交通运输业也经历了一个快速发展的时期。对钢波纹管、特别是大跨度波纹钢管结构进行研究,并将其研究成果应用到公路建设的过程中,将产生巨大的经济和社会效益。

与普通的桥涵相比，钢波纹管涵洞具有柔韧性好、强度高的特点，可以较好地适应地基与基础变形，亦能较好地解决寒冷地区由于温度低、地基基础不均匀沉降而产生的涵洞破坏问题。此外，钢波纹管涵洞对地基的要求低,不需要大型施工设备,安装迅速,施工周期短,工程造价比桥梁和其他普通涵洞的造价低。