山区公路圆管涵开裂原因分析及防治措施

叶志敏

（杭州长虹路桥工程有限公司，浙江杭州 310000）

1 工程概况

仙居至庆元公路龙泉下庄儿至兰头段工程位于浙江省丽水市龙泉市，为一条山区公路，路线沿着紧水滩水库北侧山脉展线，路线全长5.211km。项目按二级公路标准设计，路基宽12m。沿线共设置φ1.5m圆管涵10 道，圆管涵道数较多。

2 圆管涵施工工艺与施工方案

2.1 施工工艺流程

施工准备—测量放样—基坑开挖—地基处理—垫层施工—安装模板—浇筑基础混凝土—拆模养生—管节安装—护管、防水处理—端墙支模—浇筑端墙混凝土—拆模养生—圆管涵两侧夯实回填—圆管涵整体质量检查—其余圆管涵施工。

2.2 圆管涵施工方案

2.2.1 测量放样

采用GPS，用坐标法对圆管涵进行具体定位，开挖前放出开挖边线，具体开挖高度，基础宽度，涵洞进出口轴线及进出口八字墙等位置。

2.2.2 基础开挖及基础处理

基坑的开挖采用挖掘机和人工配合的方法进行。挖掘机开挖时，先预留基底10cm，留做人工整平在基底整平的过程中，随时用水准仪控制基底设计标高。基坑开挖好之后，必须对基坑进行检测。检测的内容包括：

（1）基坑的平面位置、尺寸和基底标高。

（2）基底承载力是否满足要求（圆管涵地基容许承载力不小于150kPa，用轻型触探仪进行检测）。经监理工程师检验合格之后，方可进行基础施工[1]。

2.2.3 垫层施工

经工程师同意在已修整好的基底进行铺设砂垫层，垫层施工采用人工或人工配合机械的方式，砂砾垫层厚度不小于设计要求，并用平板振动器或振动打夯机进行振实、找平，报监理工程师检验。

2.2.4 管基施工

（1）根据涵洞基础尺寸，将基坑底及两侧整理成型，支设管基模板。管基混凝土可分为两次浇筑，先浇筑管底以下部分，此时应注意预留管壁厚度及安放管节坐浆混凝土2～3cm；待安放管节后再浇筑管底以上部分，并保证新旧混凝土的结合以及管基混凝土与管壁的结合。第二次浇筑时管两侧应对称浇筑，以防挤偏混凝土管。基础混凝土浇筑完成后要注意洒水养护。

（2）施工时注意涵洞全长范围内，每4～6m 应设置一道沉降缝，其沉降缝与涵洞中心线垂直。

2.2.5 管节安装

（1）圆管涵管节委托周边有资质并经监理办和业主同意的管涵厂家集中预制。管涵进场后要认真检查其质量，不允许有裂缝、掉角、蜂窝、露筋等质量缺陷。对于质量检测不合格的管涵坚决要求其退场。涵洞管节在运输、装卸过程中，应采取防碰措施，避免管节损坏[2]。

（2）管节安装前应放样恢复涵洞中线，管节安装时应从一侧开始，用挖机或吊车吊装到位，再用人工认真准确调整到设计位置。每节涵管应紧贴于混凝土管基，若不能满足要求时用砂浆找平，管节安设后，应沉降缝位置准确，轴线顺直，内壁平齐。

2.2.6 接缝及防水处理

（1）管节拼接，径向成直线，纵横方向高低差小于10cm，禁止加大接缝宽度来满足涵长的要求。

（2）管壁内侧接缝用1∶3 的水泥砂浆勾缝，勾缝前将勾缝处的管壁凿毛、清洗，确保勾缝牢固，沉降缝用沥青麻絮填塞保证不渗水。

（3）管节的防水处理，管节外表面涂热沥青两层，接头处为1∶3 水泥砂浆抹带。采用套管式接头的管节，对于A 型刚性接头管节与管箍之间用M10 砂浆填塞，对于B 型变形缝接头用沥青或沥青麻絮填塞，管节断面接头空隙应用沥青麻絮填塞。

2.2.7 护管

将安装完毕的圆管涵进行固定，防止轴线偏移，护管时应两侧同时进行混凝土浇筑。护管完成后进行养生，待混凝土强度达到一定程度时才能进行回填。

2.2.8 端墙支模及混凝土施工

端墙采用优质竹胶板或钢模板，在管涵护管浇筑完成后，即可进行支模，支模时要严格控制其位置，混凝土一次浇筑成型。

2.2.9 管涵回填

管涵两侧分层对称回填，每层厚度按设计要求不得大于15cm。并应尽量采用小型夯实机夯实，回填范围内的密实度应达到设计要求。回填过程中要与圆管涵流水面同坡度，以防止雨水沿构造物的外壁渗透，影响回填质量，回填到圆管涵顶上50cm 以上，再使用重型压路机进行压实。

2.2.10 施工注意事项

（1）进出口，为排水通畅，可做适当开挖。

（2）锥坡铺砌要在路基成型后进行。

（3）建筑在软土地基上的涵洞，涵底地基与路基处理处理方法相同，用宕渣换填，并与路基处理同步进行。

（4）圆管涵吊装时，注意小心谨慎，钢丝绳与圆管接触处，用软布包裹，轻吊轻放。

（5）施工过程中，当洞顶覆土厚度小于0.5m 时，严禁任何重型机械和车辆通行。

（6）涵洞必须提前进行施工，确保涵洞两侧回填和路堤填筑同步进行。两侧回填要对称，防止出现单侧偏压，挤压圆管，导致轴线偏移。

（7）洞口铺砌要和路基排水边沟顺接，采用适宜的配套工程，使涵洞的进出口形成综合排水系统。

3 圆管涵实际应用及开裂分析

在山区公路建设中，圆管涵以自身的特点，得到了广泛应用。首先其造价只有同比例盖板涵的1/3，其次施工时间只有盖板涵的1/4，施工简单快捷，能够保证山区雨水来临时，满足过水要求，相邻路基不被雨水浸泡，保证路基填筑施工质量。

但是在实际应用过程中，建成后圆管涵大部分都存在不同程度的开裂现象，有些严重的甚至整个圆管涵出现变形，圆形变成了椭圆，导致不能通过验收。如果是高填方，更换的代价巨大。

根据多个山区公路项目施工经验分析，圆管涵产生裂缝的原因主要有三个方面。

3.1 圆管涵自身结构形式决定

目前公路圆管涵的结构大多采用如图1（120o护管）所示，一般采用120o的护管基础，通过对该图的受力分析不难看出，对于侧向推力限制不足的圆管涵，在上部荷载作用下，最大压应力出现在管顶和管底的内壁处以及管涵两侧的外壁处。当压应力过大时，管顶内壁和管侧外壁都将开裂。

图1 120o 护管

在实际施工过程中检查发现，管涵裂缝发生部位与理论最大压应力区域也高度吻合。这样的管涵设计，侧向推力完全由涵背回填承担，如果涵背回填质量控制不严，不管是在高填方地段还是在低填方地段，裂缝产生是早晚的事，因为高填方地段土压力大、低填方地段施工后期运营车辆的动载荷较大，都将产生较大竖向压力，所以圆管涵在这种情况下受力最差。

3.2 圆管涵涵背回填质量不符合设计要求

圆管涵台背回填，设计图纸中明确了相关要求，一是两侧对称填筑，每层厚度不得大于15cm；二是压实度达到96%，使用夯实机进行夯实，在管涵两侧施加对称侧向压力，增加侧向约束。

但是在实际施工过程中，很难做到这样的台背回填效果，主要原因有以下几点：

3.2.1 由于圆管涵本身结构单薄，在涵背回填压实过程中，按照常规施工方法填筑，特别是山区道路填方回填料还是宕渣，使用大型压路机压实，尖锐的石头，容易造成局部应力的集中，管节开裂。

3.2.2 返开挖施工，即先行把路基统一填筑到一定高度，再行开挖圆管涵基坑，一般开挖基坑宽度只比管涵宽60～100cm，台背回填的压实质量根本无法保证，涵管开裂是必然的。

3.2.3 规范中有规定，涵洞顶上填土厚度必须大于0.5m，才允许机械通行，但在实际过程中，有时未达到这个高度，顶上重型运渣车就可以通行，造成荷载未向两边传递，直接作用于涵管顶部，导致涵洞在填筑施工中出现开裂。

3.3 涵管管节质量达不到设计要求

目前圆管涵多数为离心法生产，工艺制作特殊，一般都是委托专门单位定制生产，该生产工艺技术难度较大，容易出现离析。圆管涵管壁混凝土分层明显，内层为细集料，中层为中集料，外层为粗集料，导致混凝土强度不均匀，特别是抗剪能力降低。

4 防治措施及实际工程中的应用

4.1 改善圆管涵护管结构设计

对以上圆管涵主要原因分析之后，如何改进圆管涵受力结构是当务之急，改进后的圆管受力应充分发挥拱形物体受力特点。如果设计一个能充分增加侧向约束的刚性基座，圆管上半部相当于拱形结构，如此一来可以大幅度降低圆管顶部的拉应力和压应力，从而大幅度提高圆管承载能力。

针对图2 的结构形式，为充分知晓护管包封对圆管涵的影响，选取常规1.5m 的圆管涵为样表分析对象，采用软件Matlab，分别对其包封前后的受力情况进行数值模拟和对比分析，如表1所示。

图2 改进后断面形式

表1 选取说明

建模时，参考规范及经验值，各类尺寸和参数按照如下情况直接或近视取值：

一是圆管涵及其他结构尺寸参考设计图纸对应设置；

二是覆土厚度＜4m 以3m 代替，覆土厚度＞4m 以8m 代替；

三是覆土E=50MPa，C20 混凝土E=2550MPa，钢筋混凝土E=30000MPa，砂砾垫层E=150MPa，底层土E=100MPa；

四是土泊松比0.3，混凝土泊松比0.2；

五是覆土容重取20kN/m3，考虑管涵上方为回填土，参考相关规范，荷载按照下式（1）取值：

式（1）中：Qv——垂直均布土压力（kPa）；γ——回填土容重（kN/m3）；H——埋深（m）。

以下按方案对上述4 种工况圆管涵的计算结果进行分类对比分析：

形成管涵的最大压应力、最大拉应力和最大竖向位移3 项指标，进行整理，并分析前后两种包封形式引起的指标变化幅度，汇总形成表2。

表2 数据对比

通过对不同指标在纵横的对比，发现圆管涵具有以下特征和现象：

一是应力对比：覆土越深，管涵应力值越大（开裂风险越高），压应力和拉应力在护管之后均有不同程度的下降，且360o护管的应力值下降幅度较180o的更大。

二是结论：对于回填土中的钢筋混凝土圆管涵，埋深越大回填土引起的圆管涵各项应力和竖向位移越大，开裂风险越大。护管混凝土一定程度能减少钢筋混凝土圆管涵的应力，且一般情况下，护管程度越大效果越明显。因此，通常为保证不同埋深下圆管涵应力处于安全范围的较小值，埋深越深护管应更充分。

4.2 加强圆管涵管节质量控制

4.2.1 圆管涵厂家各单位一起考察，选出有能力、有资质、设备先进的厂家进行定点委托生产。

4.2.2 严格按设计图纸进行配筋，钢筋间距、数量符合图纸要求，并派相关人员到场监督施工质量。

4.2.3 圆管到达现场后，随机进行破坏性检查，如遇钢筋数量、间距不符合要求的，进行清退处理。现场每根进行混凝土强度回弹，并逐根仔细检查有无细微裂缝及缺边掉角的情况，有则进行清场处理。

4.3 施工及实际应用

如果按图2所示的结构形式修建圆管涵，圆管涵外侧管壁包裹混凝土，侧向约束绝大部分由刚性侧墙承担，180o包封填土顶面要注意用细粒土填筑，360o包封回填压实无特殊要求，这样一来虽然增加了护壁混凝土，但也减少了回填级配碎石等工程数量，加快了回填速度。但在施工过程中需要注意以下方面：

4.3.1 由于加大了基础及侧墙混凝土体积，整个圆管涵刚性更强，必须严格按设计要求设置沉降缝，否则地基下沉过程中会发生不规则开裂，影响涵管质量。

4.3.2 对于180o包封圆管涵，侧墙将受到水平推力，为了保证侧墙和基础的施工缝处结合紧密，在保证结合面清洗干净和凿毛的情况下，最好加点适当的连接钢筋，确保连接成一个整体，顶部50cm 范围内要用细土进行回填，起到保护管节的作用。

5 结语

总而言之，为了更好地保障圆管涵的施工质量，必须要采取积极的应对措施，本文中采取的护壁包封在实际工程中已取得相应效果，希望能为山区公路圆管涵裂缝防治提供参考。