高速公路新型波纹钢管涵施工技术优化

杨世伟

(中铁十八局集团 天津国际工程分公司，天津 河西 300222)

无论高速公路还是市政道路管涵工程施工，一般传统做法是选取刚性较强的钢筋混凝土预制装配式或现浇的管涵、箱涵、盖板涵，由于刚性的存在，这类涵管(洞)与四周路基不具备很强的协同性。在涵管(洞)位置处，存在管涵开裂、地基出现不均匀沉降、桥头跳车等系列弊端，对路基造成不可弥补的破坏[1]。

波纹钢管涵具备施工速度快、重量轻、质量容易控制、运输方便、性价比高等优势，愈来愈多的工程项目将波纹钢管涵管(洞)替换传统的钢筋砼涵管(洞)，特别是一些沙土、软土等复杂地质、运输不方便地区或丘陵、地形起伏大的山区。

波纹钢管涵通常是由波形钢板卷制成的圆形、椭圆形或马蹄形钢结构，一般铺埋在水利工程、市政道路、高速公路下部作为泄水洞、动物通道或行人车辆通行的涵管(洞)。具有更强的抗压、抗形功能，尤其是波纹钢管涵的纵向更具备地层地质适应性，有效减少路面的裂缝和伸缩缝[2]。

结合某高速公路工程项目，通过研究施工过程中影响道路不均匀沉降原因，采取一系列优化举措，比如对波纹钢管涵上回填土体增加土工格栅和分层回填方式，优化波纹钢管涵“反开挖”工法，通过改进的半月型挖斗并辅助注浆，优化施工工艺有效提高波纹钢管涵周边填土的密实度，切实提高波纹钢管涵周边填土压实度，从而有效控制道路不均匀沉降。

1 工程概况

某高速公路工程有10座波纹钢管涵管(洞)，涵管(洞)直径为3 m、4 m、6 m，管顶填高1～8 m。波纹钢管型号为Q345钢，钢板厚度为0.5～1 cm，碎石垫层下面的地基要求能承受250 KPa以上的承载力，而且螺栓、螺母的热浸镀锌量都超过350 g/m2，对波纹钢板的内面和外面的表面都经过了热浸镀锌处理。

2 施工工艺和关键施工步骤

波纹钢管涵施工工艺流程[3]见图1。重点介绍波纹钢管基础垫层、预拱度设置、波纹钢涵管(洞)安装和涵管(洞)背部回填等关键施工工艺。

图1 波纹钢管涵施工工艺流程

2.1 基础垫层施工

涵管(洞)承受的荷载一般借助两侧填土以及基础进行传递，波纹钢管具有较强的变形适应性，但对基础垫层具有一定要求。如果地基承载力比较低，应该将基础的厚度进行垫高处理；但如果原土压实密度大于90%以上，便不用进行压实，可以将波纹钢管涵管(洞)直接设置于地基上。当基础的地质软硬悬殊较大时，由于波纹钢涵管柔性较好，如果采用比较刚性的基础就削弱波纹钢管涵柔性，另外还可能降低波纹钢涵管(洞)自身的承载力。因此对软硬悬殊的地质中的刚性的岩石地基采取换填方式，通常是把其中的比较松软土体清除，接着填筑优质土，另外进行分层夯实[4]。为降低刚性基础对波纹钢涵管(洞)的不良影响，可以通过砂砾缓冲层进行处理。如果基础是普通地质土层时，可以选取人工加工的级配碎石、砾石或自然形成的砂砾展开换填。换填之前，务必通过实验进行仔细测试，确保各项指标符合规范要求后才能使用。由于施工区域存在湿陷性黄土和膨胀土，在此区域施工，在做好基础换填工作之外，还必须施工前进行防水举措。进行地基换填的宽度通常大于波纹钢涵管(洞)管径并在外侧加宽1～2 m，换填的长度必须按照波纹钢涵管(洞)节总长度等进行确定[5]。要求涵管(洞)基础的强度最好不大于涵管(洞)四周回填处理的原始层强度。可以将20 cm厚度、最大粒径为1.2 cm的垫层铺设好后，然后进行碾压并夯实，从而形成支撑的整体强度比较均匀。

2.2 纵向预拱度设置

因为地基必须考虑沉降、水流及结构相对完整等因素，波纹钢管涵要设置纵向预拱。根据抛物线为某高速公路工程项目对波纹钢管涵的纵向预拱度进行设置。涵管(洞)的纵向预拱度通常为管一半长度的0.5%～2%[6]。该项目线路涵管(洞)预拱度为δ=1/2×L×i%m，要求δ小于(H1-H2)/2m，公式里L表示涵管(洞)纵向涵长，H1含义是涵管(洞)进口标高，H2含义是涵管(洞)出口标高，i%表示涵管(洞)底坡度(不宜超过2%)，该项目预留拱度采用涵管(洞)底坡度1.2%进行控制。依据这样的方式对相关参数进行有效控制，能够有效避免涵管(洞)中部发生逆坡、凹陷等质量通病。涵管(洞)基础预拱度制定示意图如图2所示。

图2 涵管(洞)基础预拱度示意图

2.3 多孔涵管(洞)横向净间距设置

涵管(洞)间横向净间距参数如表1所示。

表1 涵管(洞)净间距

2.4 管身安装

2.4.1 预安装工作

第一步对涵管位置定位，然后对波纹钢管涵管(洞)的水平高程等复查，确保符合要求。

2.4.2 组装底板

把波纹钢管涵管(洞)中轴线的中点作为基准点，从中间位置朝两端拼装一直到达端面。轴向搭接长度为5 cm，连接孔需要校准，每块板交替搭接，螺栓配好垫片(当位于波峰时采用平垫片，当位于波谷时采用凸垫片)后，然后将螺母进行预拧紧。必须详细精准地对截面形状进行测量，满足要求后才能下一步组装。

完成结构的组装以后，拧紧无遗漏。为有效规避波纹钢管的接头不严实而出现渗漏，在搭接处涂抹好密封胶。波纹钢管拼装如图3所示。

图3 波纹钢管涵身拼装现场

2.4.3 密封及防腐处理

波纹钢管完成铺设后，采取专用胶枪以及耐候胶将管端接头、两块板搭接处和螺栓孔间隙进行仔细密封。另外采取除锈等措施，现场防腐及密封处理如图4所示。

图4 现场防腐及密封处理

2.4.4 台背回填

将波纹钢管密封防腐全部完成妥善处理后,才能展开下一步的台背回填施工。波纹钢管涵四周300 mm范围内，要求不能有大于30 mm的建筑垃圾、钢筋头、坚硬石块等物质,防止对涵管产生破坏。依据波纹钢管底部两边楔形区域、接着管体两边、然后对波纹钢管的顶部回填,确保波纹钢管两边的回填土能够完成平均对称。从涵管(洞)中间位置向两边进行纵向回填,步骤为分层开展填筑、摊铺、对回填土进行充分压实。波纹钢管两边楔形部位通过“水密法”回填压实,压实度不小于95%。要求管体基础压实度大于93%,顶板回填密实度大于96%。具体施工见图5。

图5 波纹钢管台背回填

2.4.5 洞口与洞内施工

波纹钢管回填土超过顶部之后,接着进行洞口部分施工。洞口按照八字形式进行设置,步骤与普通涵管(洞)的洞口一样。通过石屑将管(洞)内混凝土路面下部位置分层填(筑),每层小于250 mm,由于场地所限，采用小型机械充分压实,要求压实度大于93%。

2.4.6 施工变形监测

波纹钢管组装时，必须确保径向变形量不超过管径±2%,如果超出此范围,必须马上改进。如有异常，必须终止施工。波纹钢管变形监测见图6。

图6 波纹钢管变形监测

3 施工过程中影响道路不均匀沉降原因研究

某高速公路工程采用的波纹钢管涵直径为3 m，涵顶上部回填土厚度为1.8～4.8 m之间。然而开展波纹钢管上部土层回填的时候，波纹钢管涵和基本一样深度的填筑层的竖向压缩变形不能实现完全的一致，导致波纹钢管涵上部覆盖土的沉降落差比较大，另外波纹钢管底楔形区域通常存在压实真空地带，不能实现波纹钢管周围填土被均匀压实。

特别是由于车辆荷载的反复作用，导致波纹钢管涵上回填土层容易产生不规则的沉降，进而使路面出现开裂、破损现象，对道路的运营质量和工程寿命产生严重不良影响，严重影响基础质量及安全。结合该项目工程实际情况，对该项目道路路面引起的不均匀沉降原因开展详细研究。

3.1 波纹钢管底两侧楔形区域存在虚空

依据常规的施工技术，开展波纹钢管涵铺设之前，填筑路基的时候需要预留出波纹钢管涵铺设的位置，铺设好波纹钢管涵以后，对波纹钢管涵开展分层回填后，最终完成路基波纹钢管涵的初步施工。虽然此种方式方法比较快捷，然而涵管(洞)周围回填土方量比较大。

特别是如图7所示的波纹钢管底两侧楔形区域存在压实盲区，该楔形区的工作面比较小，不方便开展压实，通过大功率碾压机开展碾压的时候，因为波纹钢管涵两侧土存在压力，容易导致圆波纹钢管产生“侧移”或“抬升”，使波纹钢管涵中心线和标高产生较大误差。如果采用小功率碾压机，因为功率偏小，不能满足压实要求。但如果不开展压实处理，更容易导致路基产生不均匀沉降。

图7 压实盲区

3.2 波纹钢管涵结构和周边回填土层受压变形不一致

铺设完波纹钢管涵并回填土后，波纹钢管涵刚度比波纹钢管涵左右两侧回填土大，见图8。从图8可看出，因为波纹钢管涵结构和周边回填土层受压变形不一致，导致路面出现不均匀沉降现象。如图9所示为刚性波纹钢管涵的上方回填土沉降变化趋势示意图。

图8 波纹钢管涵及回填土受力示意图

图9 波纹钢管涵上部回填土沉降趋势示意图

4 防沉降举措

4.1 不同部位分层回填

根据以上研究，对两端波纹钢管外部区、小径距波纹钢管周区、楔形区3个区域分3层进行仔细回填。填筑土层愈薄，压实机械压实度就愈轻。

通常选取级配良好的天然砂砾作为楔形部位回填材料。对于大直径管涵，采用特制挖斗进行反开挖，在波纹钢管底部两侧楔形部位通过木棒进行捣实，另外采取注浆形式将缝隙进行填充充实。

波纹钢管涵上部填土可以就地取材。在管顶进行填土过程中，可将十字支撑放置于波纹钢管内部，以免填土时出现严重形变。

4.2 回填土中铺设土工格栅

为了有效降低回填土不均匀沉降对路基路面的不良影响，采取在波纹钢管涵上方的回填土中铺设土工格栅的举措，如图10所示。土工格栅选用高强度、粗糙度比较大的材质。

图10 波纹钢管涵

4.3 “反开挖”施工工艺

4.3.1 工艺原理

结合该工程实际，采取“反开挖”施工工艺：整体将路基填筑到波纹钢管涵半径的高度→波纹钢管涵位置定位→挖管涵槽→放置波纹钢管→涵管上部回填。

为了提高路基的整体质量水平，通过反复研究，进一步优化“反开挖”施工工法，借助特制加工的半月型挖斗(见图11)进行半月形沟反开挖(见图12)，这样就能保证沟槽完成开挖以后，可以最大程度与波纹钢管壁充分贴合，接着对一些缝隙进行注浆处理，进一步加固波纹钢管壁四周，这样就能保证波纹钢管与路基有效协同，从而有效防止波纹钢管路基出现不均匀沉降。

图11 沟槽辅助开挖挖斗与装置

图12 半月形沟槽示意图

4.3.2 工艺流程

经过优化后的施工流程:测量放样→开挖路基→换填路基→回填基坑(与相邻路基同步填)→压路机终压→第二次放样→开挖半月形沟槽→安装波纹钢管→波纹钢管涵底部注浆→涵管侧基础和上部填筑→质量验收。

4.3.3 关键施工工艺

①沟槽开挖：施工时，通过沟槽开挖辅助设备，确保开挖时能较好形成贴合波纹钢管壁的弧形槽，极大节约施工工期和投入。②波纹钢管涵底部注浆：为确保波纹钢管稳定，采取注浆时通常从波纹钢管底朝两侧、从中间朝两边开展注浆(按0.5水灰比制备水泥浆)，避免出现空洞。在距离波纹钢管涵两边0.5 m位置进行注浆孔设置，压浆波纹钢管分段设置长度约150 cm，波纹钢管口与压浆泵通过高压胶连接。

4.3.4 实施效果

与常规施工工艺相比，用优化后的“反开挖”注浆法开展波纹钢管涵及路基施工，每组管涵及路基施工工期节约1.5 h左右，另外，路基成型后最大沉降量减少8 mm左右，沉降幅度显著减小。

5 管道预变形控制

如果波纹钢管涵地处高填方区，那么其顶部覆土层就比较厚实，可以借助波纹钢管涵的柔性特征，对涵管(洞)采取预变形举措，确保涵管(洞)回填后可以维持原始状态，防止管涵从圆形变成椭圆形甚至出现倒塌。

措施①：在涵洞内部设置横向和竖向支撑，有效提升整体涵管(洞)的承载力。为避免钢涵管发生预变形时对涵洞底以及顶部产生破坏，把纵向垫板在波纹钢管涵洞的顶部进行放置，在底部铺设5 cm厚的砂，为避免涵洞出现倒塌，在涵洞设置支架支撑顶部及底部。

措施②：采用千斤顶将2根钢筋构成的收紧装置进行拧紧，直至涵洞竖向直径延伸3%～5%。当千斤顶回收时，各变形量不宜过大，防止出现塑性变形。回填土高于波纹钢管涵洞0.5～1 m后，才能将装置和支架解除,此时，管道中的预变形完成。

6 波纹钢管涵渠道效益分析

6.1 经济效益分析

通过分析，常规涵管(洞)投入成本比波纹钢管涵管(洞)的高12.5%～22.2%，尤其是半径大于1.5 m时，更为明显，经济分析对比见表2。由表2可知，混凝土圆管涵成本比波纹钢管涵的成本高出很多，如果管涵直径愈大，混凝土圆管涵成本比波纹钢管涵成本差距越明显。

表2 波纹钢管涵和圆管涵造价对比

如表3所示，箱涵的成本比波纹钢管涵的综合造价高许多，特别是对于大直径(跨度)箱涵，差距更突出。从表4分析，与大跨度相比，小跨度盖板涵比波纹钢管涵成本高。

表3 波纹钢管涵和箱涵造价对比

表4 波纹钢管涵和盖板涵造价对比

6.2 本项目应用经济及建设周期分析

虽然波纹钢管渠道涵的总造价比盖板涵高450万元，然而加快了95天施工进度。特别是针对总工期比较紧项目，波纹钢管涵的进度优势非常明显，见表5。

表5 经济性及工期对比分析

6.3 社会效益分析

通过分析，波纹钢管涵在有效节约成本的同时，还节约了工期。当管涵直径越大，优势越明显。特别是应急工程中，波纹钢管涵的应用能更好地体现其明显的效益。

结语

通过研究，得到以下结论与建议：

①通过波纹钢管施工而成的涵管(洞)污染小，变形能力比较好，整体结构和路基能实现有效协调，可最大程度降低地基出现不均匀沉降，避免出现桥头跳车等现象。波纹钢管不容易开裂、耐腐蚀性较强，台背回填更为密实，受力比较合理。波纹钢管涵的应用能更好地体现其明显的社会效益和经济效益，涵管(洞)直径越大，效果越明显。

②波纹钢管涵具备一定柔性，能够在涵管(洞)预变形中得到有效应用，回填后可以维持原始状态，防止涵管圆形变成椭圆形，有效防止坍塌。

③为了降低波纹钢管涵上回填土不均匀沉降，可以选取不同的回填材料进行分层回填，另外在回填土中铺设土工格栅，提高回填质量。在“反开挖+涵底注浆”工艺基础上，将辅助成槽挖斗优化成半月形，保证开挖时可以形成与波纹钢管壁比较贴合的弧形槽，有效提高管涵周边回填土的密实度，特别是规避波纹钢管涵底部楔形区域不方便密实回填的问题，极大地缩短了工期，有效减少了路基不均匀沉降幅度。