大孔徑鋼波紋涵洞在河北公路中的應用研究

孫伯文 李祝龍 劉洪林

1 概述

鋼波紋涵洞是采用波紋狀鋼管或由波紋狀弧形板通過連接、拼裝形成的一種涵洞形式。美、加、日、韓等國在這一領域開展了大量研究和應用,并制定了相應的技術規范[1]。非洲多數國家也大量使用鋼波紋管涵洞。我國在解放前也曾在多條公路中使用波紋管涵洞,但由于鋼材短缺,之后未能得到廣泛的應用。20世紀末,我國已經在小孔徑公路鋼波紋管涵洞方面開展了部分研究工作,1997年～1999年在青藏公路修建小孔徑波紋管試驗涵,并初步研究了小孔徑波紋管涵洞的受力特征[5]。

經調研,國外研究主要側重在防腐跟蹤分析。鋼波紋管波形設計和受力計算等技術多為生產公司所掌握,不對外公開。而國內正面臨大量生產及應用鋼波紋管涵洞,但尚未開展關于其受力特征、防腐性能及設計方法和施工技術方面的系統研究[4]。

由于軸向波紋的存在使其具有徑向剛度大,軸向柔性大,抗彎抗裂的優良受力特征,具有很強的適應地基與基礎變形的能力,可以解決因地基基礎不均勻沉降導致的涵洞破壞問題。在軟土、膨脹土、濕陷性黃土、多年凍土等不良工程巖土地區,高填方路基沉降路段,具有抗涵洞開裂破壞的優勢[7]。還可取代大體積圬工、混凝土結構,減少石方開采山體破壞,利于環保;并且施工便捷快速,主體結構可重復利用,在道路搶修、抗災搶險、臨時便道、地下工程安全支護等方面具有廣闊的應用前景。

2 河北省特征及鋼波紋管涵洞的壽命

2.1 河北省特征及土壤概況

河北省內有壩上高原、燕山和太行山地、河北平原三大地貌單元,是中國唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊、海濱的省份。省內氣候特征差異明顯,特殊巖土分布較廣,類型也較多,主要有:北部山區的局部多年凍土、東部沿海的沖積軟土、南部的膨脹土、西部的黃土,此外還有局部地區的粉土以及易液化的砂土,濕地的泥沼,局部區域的鹽漬土,個別地區還存在一定的巖溶、煤礦塌陷等可能性。河北北部的多年凍土(如果仍存在)呈退化趨勢,季節凍土的歷年平均最大凍土深度變化呈減小趨勢。我省西部、北部為多山,南部大面積平原,東部沿海,特有的地形、地貌及巖土特征使公路建設面臨不同的需求,更加顯現出鋼波紋管涵洞結構的優越性。河北省土壤結構復雜,河北土壤類型較多,包括21個土類、55個亞類,土壤 pH值 6.5～7.5的占 32.1%,7.5～8.5的占56.4%。潮土面積占全省面積的25%左右。鋼波紋管涵洞,外側主要為土壤腐蝕,內側主要為水腐蝕和大氣腐蝕。以滄州地區土壤為例(河北省典型腐蝕土壤之一),土壤中影響腐蝕的主要因素為氯化物、全鹽和電阻率等,以各點土壤的鹽分與氯離子含量為指標,土壤大體分為濱海中度～重度鹽化土壤、輕鹽化潮土和潮土三種類型;近海的港城等處于強腐蝕性土壤中,部分土壤的腐蝕性較強～中等。

2.2 鋼波紋管涵洞的防腐及壽命

美國鋼鐵學會以16個標準鍍鋅610 g/m2覆蓋層的鋼波紋管為基礎研究得出以電阻率和pH值預測服務壽命的方法。

國外鋼波紋管涵洞的防腐蝕方法,主要包括金屬覆蓋層和非金屬覆蓋層,種類較多,也相應得出了其使用指南和壽命。國外鋼波紋管涵洞的壽命一般在50年以上,也存在一些使用70年以上的,個別預估壽命100年。

綜合分析現有國內防腐技術,雖然距離國外防腐技術存在一定差距,但采用推薦的防腐方案(后文)后,一般地區的鋼波紋管涵洞的壽命應達到20年～30年以上。如果考慮鋼波紋管涵洞防腐的養護(大修、二次防腐)、設計厚度腐蝕富余量等,鋼波紋管涵洞的耐腐蝕壽命也可達到50年(或以上)。

3 鋼波紋管涵洞的適應范圍、使用條件和選用原則

鋼波紋管涵洞的使用條件應滿足:1)相應波形必須具有足夠的壁厚,確保鋼波紋管結構在受荷時最大應力低于鋼結構的容許應力(或屈服應力);2)鋼波紋管的防腐處理必須不低于后文防腐蝕推薦標準,以確保一定年限內鋼波紋管涵洞具有足夠的耐腐蝕能力,鋼板壁厚應適當考慮防腐富裕量[8];3)鋼波紋管應能夠承受標準荷載引起的變形,不致產生非線性破壞。

鋼波紋管涵洞的選用應遵循適用、安全、經濟的原則,在滿足功能需求基礎上充分發揮鋼波紋管結構的力學性能優勢。鋼波紋管涵洞設計時應堅持因地制宜、發揮優勢、不盲目使用的原則。

下列地區宜優先考慮鋼波紋管涵洞:

1)不良巖土地基的涵洞,包括多年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等;2)缺乏人力資源或高危險、高原缺氧地區等工程;3)砂石資源缺乏地區及水泥、鋼材等運距較遠的邊遠地區;4)為加快施工進度、達到快速通車目的的應急搶險、救災等工程。

下列情況應慎重使用:1)高速公路重要路段或維護困難路段。鋼波紋管涵洞為鋼結構,必然存在腐蝕的可能,高速公路對路基和涵洞的壽命周期要求較高,這樣必須考慮防腐養護,在養護管理困難路段應慎重使用。2)泥石流堆積扇或排泄砂石流量大、流速高的區段。這些區段泥砂或砂石的沖刷將形成對防腐材料或鋼結構的磨蝕,設計時應予以重視,必要時應針對具體情況進行防腐獨立設計;局部區段可能存在淤積等,采用鋼波紋管涵洞應考慮該問題。3)高填土路段。高填路段,應根據施工工藝及施工后路堤不同土拱效應進行計算分析,確保涵洞受力安全。4)較大孔徑。一般鋼波紋管涵洞孔徑大于3.0 m時應進行獨立計算分析,確保涵洞受力安全。大孔徑涵洞采用拼裝式施工時尤其要加強連接部位的設計分析。

4 河北的應用效果

河北省承德市公路工程管理處在國道111牌樓至圍城縣城段、灤赤線灤平東營至西瓜園二級公路、承圍支線灤河鎮至韓麻營段二級公路3條一般干線項目中應用大孔徑鋼波紋管涵洞結構。2006年河北省公路管理局等在津汕高速滄州黃驊段、沿海高速唐山段、青蘭高速公路、承唐高速公路、西柏坡一級公路等工程中應用大孔徑鋼波紋管涵洞結構。

河北衡景公路位于華北平原軟土沉降地帶,水泥涵管需澆筑混凝土加固處理地基;修建小橋也要加深水泥基樁。由于長年干旱,無地表水,施工用水從數千米外拉過來;該地涵洞水流不大,修建小橋工程造價增加,經過設計、業主、施工三方研究商討,決定使用金屬波紋管涵,這樣只需對基礎墊層換填碎石或砂礫,壓實度達95%即可安裝。應用效果:解決了鋼筋混凝土涵洞基礎如沉降不均、涵洞破壞嚴重、維修困難、施工慢等特點。

5 應用的效益分析

造價分析表明,孔徑不大于4 m時,波紋管涵洞與混凝土蓋板涵、石拱涵造價基本相當,部分涵洞節省不到10%,費用增加也在10%以內,但工期節省20 d～50 d。φ 5.0 m波紋管涵洞造價與小橋造價基本相當,工期節省35 d。φ 6.0 m波紋管涵洞與石拱涵相比,節省造價18.2%～23%,工期節省50 d以上。

隨著國內鋼波紋管涵洞的廣泛應用,關于波形和壁厚優化的研究將逐步深入,優化后的波形可以采用相對較薄的結構鋼適應相同的填土及汽車荷載標準。相應地,鋼波紋管涵洞壁厚的減薄及波形的減小,可以減少用鋼量,降低造價[2]。

以全國500多萬平方千米特殊巖土區還有100萬km以上公路要建養(或改擴建),具有明顯的經濟效益。

相對于鋼筋混凝土圓管涵和蓋板涵,鋼波紋管涵洞的應用,一方面節約了大量的石材、水泥,有利于環保,另一方面建設工期可以大幅度縮短,不僅加快了建設步伐,充分體現了建設工期縮短即相對運營時間增加的經濟效應,特別是在局部地區如寒冷地區一年中施工期僅5個～6個月,這樣應用鋼波紋管涵洞更具有明顯的優勢。尤其在搶險救災、地震抗洪、軍事保通工程中應用鋼波紋管涵洞更能體現其明顯的社會效益和經濟效益[7]。

6 結語

通過研究和應用表明,鋼波紋管涵洞具有明顯的優勢,主要表現在以下三個方面:結構本身由于波形具有軸向補償特征使得其更加適應地基變形;耐久性方面可以適應一般公路,且使用壽命足夠長,但需進行防腐設計;經濟和社會效益方面明顯優于鋼筋混凝土結構。

[1]陳昌偉.波形鋼板結構及其在公路工程中的應用[J].公路,2000(7):48-54.

[2]李祝龍.公路鋼波紋管涵洞設計與施工技術研究[D].西安:長安大學學位論文,2006.

[3]李祝龍,劉百來.鋼波紋管涵洞力學性能現場試驗研究[J].公路交通科技,2006(3):25-26.

[4]李祝龍.公路鋼波紋管涵洞設計與施工技術[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5]李祝龍,章金釗.高原多年凍土地區波紋管涵應用技術研究[J].公路,2000(2):28-31.

[6]李祝龍,劉百來.薄殼理論在鋼波紋管涵洞力學性能分析中的應用[A].第三屆全國公路科技創新高層論壇論文集(上下卷)[C].北京:人民交通出版社,2006.

[7]趙衛國,李祝龍,李創軍.公路鋼波紋管涵洞的研究與應用展望[J].公路交通科技(應用技術版),2007(8):78-80.

[8]吳大中,李祝龍.公路鋼波紋管涵洞防腐對策[J].公路與自然,2007(2):51-52.