鋼波紋管涵在軟土路基中的應(yīng)用

譚國(guó)湖

(湖南省高速公路管理局,湖南長(zhǎng)沙 410003)

1 工程概況

瀏醴高速k51+760鋼筋砼拱型通道(1-4m×4m)位于山坳農(nóng)田內(nèi),原設(shè)計(jì)要求地基承載力[α]≥500 kPa,現(xiàn)場(chǎng)試挖基底觸探試驗(yàn)得知該基礎(chǔ)需超深7.6 m,地基承載力才能滿足設(shè)計(jì)要求。假如采用漿砌片石進(jìn)行地基處理,估算漿砌片石量6 515 m3,估算金額為146萬元,并且工期長(zhǎng)。而將地基承載力要求高的鋼筋砼拱型通道變更為地基承載力要求較低([α]≥220 kPa)的鋼板波紋管拱型通道(厚6.5mm,直徑6m,能滿足原設(shè)計(jì)過水和4 m×3.5 m行車要求)后,鋼板波紋管拱涵從投入生產(chǎn)到安裝完成只需2個(gè)月工期,相比鋼筋砼拱型通道包括基礎(chǔ)處理需6個(gè)月施工工期,可縮短4個(gè)月施工工期,同時(shí)節(jié)省工程造價(jià)40萬元。

2 鋼波紋管涵的特點(diǎn)

2.1 造價(jià)低

采用金屬波紋涵管結(jié)構(gòu)的涵洞和鋼筋混凝土蓋板涵和漿砌片石結(jié)構(gòu)的涵洞相比,直接費(fèi)用可以降低10%～30%。原因是采用金屬波紋涵管結(jié)構(gòu),構(gòu)造物本身重量較輕,允許涵管縱向沉降變形,對(duì)地基的要求較低,無需對(duì)地基進(jìn)行復(fù)雜的處理。

2.2 工期短

采用金屬波紋涵管,構(gòu)造物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,現(xiàn)場(chǎng)開挖和地基處理與管體制作分別實(shí)施,地基處理只是夯實(shí)和砂礫攤鋪,管體到現(xiàn)場(chǎng)后實(shí)施填埋,工序簡(jiǎn)單,實(shí)施也比較簡(jiǎn)單。

2.3 行車舒適

由于采用混凝土結(jié)構(gòu)或者其他結(jié)構(gòu),構(gòu)造物與非構(gòu)造物部分的連接處最易產(chǎn)生跳車現(xiàn)象,使人感覺不適。而采用金屬波紋涵管結(jié)構(gòu),管身上部填土厚度是漸變的,避免了突變引起的跳車現(xiàn)象,還避免了因?yàn)樘嚞F(xiàn)象引起的構(gòu)造物損壞。

2.4 集約化生產(chǎn)

管體的生產(chǎn)由專業(yè)化工廠實(shí)施,不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響,從而避免了無法施工的天氣對(duì)工程進(jìn)度的影響,工廠大規(guī)模集約化的生產(chǎn)有利于降低成本,更有利于質(zhì)量控制。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)安裝方便

由于金屬波紋涵管重量較小無需大型安裝設(shè)備,對(duì)直徑超過3m的拼裝式金屬波紋涵管通過專業(yè)化的隊(duì)伍安裝,速度快,安裝質(zhì)量有可靠的保證。

2.6 環(huán)保

采用金屬波紋涵管基本無需水泥、石材、木材等常規(guī)建材,對(duì)公路、鐵路沿線的環(huán)境減少了破壞作用,環(huán)保意義深遠(yuǎn)。

2.7 受力合理

金屬波紋涵管本身是一種彈性結(jié)構(gòu),不僅僅是允許縱向變形,其結(jié)構(gòu)合理,荷載分布均勻,具有全面的抗變形能力。

3 鋼波紋管涵的施工工藝

施工工藝流程為挖基→施工放樣→基礎(chǔ)墊層填筑→管身安裝→臺(tái)背回填→洞口鋪砌。

3.1 基礎(chǔ)施工

1)基坑開挖應(yīng)以擬建的鋼波紋管涵為3倍于鋼波紋管涵的寬度為宜。如因工地過小不得以時(shí)至少應(yīng)確保跨徑以外1.2m以上的作業(yè)空間。這樣既方便組裝,又利于鋼波紋管涵周圍的回填及密實(shí)。

2)地基要對(duì)整個(gè)鋼波紋管涵保持均勻的承載力。要避免軟弱基和巖基交叉的地基,如果實(shí)在不可避免軟弱地基要用優(yōu)質(zhì)砂石及礫石壓實(shí)成形,巖石地基挖掘后用砂礫重新?lián)Q填,厚度為30 cm。

3)基礎(chǔ)的厚度為80 cm,采用透水性好,級(jí)配良好的砂質(zhì)土、砂礫或碎石土成形,密實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。材料的最大粒徑不得超過波長(zhǎng)的1/2或不大于50mm。

4)圓管安裝經(jīng)過一段時(shí)間后,常會(huì)產(chǎn)生一定的下沉,而且往往是管道中部大于兩端。因此,鋪設(shè)于路堤下的波紋管的管身要設(shè)置預(yù)留拱度(圖1)。其大小根據(jù)地基土可能出現(xiàn)的下沉量、涵底縱坡和填土高度等因素綜合考慮,通常可為管長(zhǎng)的0.3%～1%,最大不宜大于2%,以確保管道中部不出現(xiàn)凹現(xiàn)或滑坡。

圖1 鋼波紋管預(yù)拱度設(shè)置

3.2 各種土質(zhì)地基的處理方法

3.2.1 優(yōu)質(zhì)土地基

未經(jīng)篩分的砂,碎石、砂礫土以及砂質(zhì)土都是比較理想的地基材料,但需清除10 cm以上的石塊等硬物。

3.2.2 一般性土質(zhì)地基

承載能力不太高的普通地基,需設(shè)一定厚度的基礎(chǔ)。但是,若將涵管底基槽原狀土經(jīng)嚴(yán)格夯實(shí)(其夯實(shí)度達(dá)到重型擊實(shí)密實(shí)度的90%以上)以后,也可直接將波紋管置于地基上。

3.2.3 巖石地基

波紋管不能直接置于巖石或混凝土基床上,因過于剛性的支承,不但會(huì)降低管壁本身所具有的良好柔性,而且還會(huì)減小涵管的承載能力。所以對(duì)巖石地基應(yīng)挖掉一部分軟巖,換填上一層優(yōu)質(zhì)土,一般換填厚度不小于30 cm為宜,并認(rèn)真夯實(shí)。開挖軟巖溝槽,不能使用烈性炸藥和放深孔炮,以避免將過多的外層被炸松散。巖石風(fēng)化層地基不能作為基礎(chǔ),需換填上3D寬度的優(yōu)質(zhì)土。

3.2.4 軟土地基

當(dāng)涵管處于軟土地基上時(shí),需對(duì)軟土路基進(jìn)行處理,涵洞地基處理方法同該路段的路基處理方法,然后在其上填一層大于20 cm厚的優(yōu)質(zhì)砂礫墊層。

3.3 施工放樣

對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行平整,安排布置各種材料堆放場(chǎng)地,組織所需機(jī)械設(shè)備。施工前組織測(cè)量人員根據(jù)設(shè)計(jì)文件放出管涵軸線,打好中邊樁,在涵管中軸線和基礎(chǔ)范圍邊緣撒上白色灰線,測(cè)出原地面高程。

3.4 基礎(chǔ)墊層填筑

基礎(chǔ)墊層材料采用碎石土或砂礫填筑,厚度7～15 cm,其最大粒徑不得超過12mm。

3.5 鋼波紋管安裝技術(shù)要求

1)施工工藝流程。

施工前準(zhǔn)備→施工放樣→設(shè)置圍堰→排水清淤→平整場(chǎng)地→基礎(chǔ)分層回填→檢測(cè)壓實(shí)度、含水量等→水準(zhǔn)測(cè)量→平整場(chǎng)地→施工放樣→拼裝管節(jié)→檢測(cè)密水情況及管底縱坡→檢測(cè)并涂刷防腐涂層→涵管就位→兩側(cè)分層回填→檢測(cè)壓實(shí)度、含水量等→管頂分層回填→檢測(cè)壓實(shí)度、含水量等→進(jìn)出口處理。

2)涵管安裝前在基礎(chǔ)頂部均勻鋪設(shè)7～15 cm的砂墊層,按圖紙要求拼裝鋼波紋管節(jié)。

3)施工步驟。

①施工前準(zhǔn)備。

a)備齊安裝工具:梅花扳手、活口扳手、小撬棍、撬杠、手錘、鑿子、螺絲刀(一字形)、千斤頂、綁絲1 kg。

b)備齊涵管安裝所需配件:螺絲及橡膠石棉墊。

c)檢測(cè)波紋管各管節(jié)的長(zhǎng)度、直徑是否與該處涵洞相符合。

d)設(shè)涵管安裝指揮員一名,負(fù)責(zé)指揮起吊及施工人員現(xiàn)場(chǎng)操作。

e)涵洞施工前必須對(duì)到現(xiàn)場(chǎng)的涵管節(jié)及其附屬配件進(jìn)行檢測(cè),一方面檢測(cè)其結(jié)構(gòu)尺寸,另一方面檢測(cè)其表面防腐是否達(dá)到要求;必要時(shí)需在鍍鋅涂層表面再增涂瀝青或其它防腐材料。

f)涵洞施工前應(yīng)根據(jù)具體情況修筑相應(yīng)長(zhǎng)度的施工便道,并合理組織過往車輛。

②涵管拼裝流程主要為:檢查涵管管節(jié)→吊裝涵管→運(yùn)輸至施工場(chǎng)地→拆除包裝→校對(duì)涵管進(jìn)出口等次序→對(duì)齊法蘭盤及法蘭孔→初步上螺栓和螺母→填充橡膠或石棉密水墊→對(duì)稱擰緊螺栓→均勻在涵管內(nèi)外側(cè)涂瀝青→涵管吊裝就位。

③安裝操作方法。

a)安裝前工作:檢查涵管底部基礎(chǔ)平整度、斷面尺寸、進(jìn)出口標(biāo)高;核對(duì)涵洞位置、軸線、中點(diǎn)。

b)連接安裝波紋管:安裝時(shí)從下游開始排放第一根管節(jié),使管節(jié)中心與基礎(chǔ)縱向中心線平行,同樣把第二根管放置就位,當(dāng)兩根管相鄰法蘭間相距3～5 cm的縫隙時(shí),用小撬棍對(duì)準(zhǔn)法蘭上的螺栓孔,使其兩根管法蘭上的螺栓孔對(duì)正,這時(shí)從第二節(jié)管的另一端用撬杠撬動(dòng)管節(jié),使其縱向平移,使兩法蘭間距在2 cm左右,然后全部穿上螺栓,擰上螺絲,帶平扣即可。此后依此方式逐節(jié)依次連接。

c)鑲石棉墊:由于現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)等原因,有時(shí)相鄰兩法蘭之間間距較小,這時(shí)用手錘、鑿子把兩法蘭之間鑿開大約1 cm的縫隙,用螺絲刀把石棉墊鑲在兩法蘭之間,有時(shí)管子頂部?jī)煞ㄌm間距較大,石棉墊鑲嵌困難,用綁絲把石棉墊綁在螺栓上固定,然后工人開始對(duì)稱擰緊螺絲。直至從外觀看兩法蘭之間只有2～5mm的縫隙即可。

d)管壁內(nèi)外涂瀝青:乳化瀝青或熱瀝青兩道,從外觀看管壁內(nèi)外均勻的涂成了黑管即可。一般瀝青涂層的厚度要達(dá)到0.3～1 mm。

e)用千斤頂校正整道涵管,使其中心在所規(guī)定的中心線上。

④其它要求。

a)鋼波紋管組裝完畢后,為防止波形鋼板板縫和螺栓孔處滲水,在鋼板連接處和螺栓孔處采用專用密封材料密封,填土前應(yīng)將管壁涂刷瀝青防水層。

b)如施工環(huán)境對(duì)鋼波紋管涵有腐蝕,應(yīng)采取增加管壁厚度或增涂保護(hù)膜等措施。

c)如波紋管涵的涵底縱坡大于5%,應(yīng)采用必要的防滑移措施。

3.6 兩側(cè)及頂部回填

1)鋼波紋管涵的楔形部密實(shí)很重要,回填料采用粗砂,其含水量比正常大3%左右,楔形部可采用截面15 cm×15 cm的木夯搗實(shí),單次沖擊力要達(dá)到9 kg;或可以用“粗砂”水密法振搗器密實(shí)。

2)兩側(cè)填土壓實(shí)采用20 t的壓路機(jī)壓實(shí),靠近管體30 cm范圍采用小型夯實(shí)機(jī)械夯實(shí),達(dá)到96%密實(shí)要求。靠進(jìn)管體周圍0.5 m范圍內(nèi),不允許有大于50mm的石塊等硬物。

3)壓實(shí)后壓實(shí)厚度每層松鋪厚度控制在20 cm以內(nèi),壓實(shí)要求要滿足設(shè)計(jì)要求。

4)與回填土相接觸的堆土或挖土的斜坡面應(yīng)處理成鋸齒或階梯狀并壓實(shí),松軟部分在填土前應(yīng)處理。

5)鋼波紋管涵兩側(cè)回填應(yīng)同時(shí)進(jìn)行,壓實(shí)落差應(yīng)小于30 cm,對(duì)于有端部擋墻的涵洞,從兩端向結(jié)構(gòu)的中心進(jìn)行回填;對(duì)于沒有端部擋墻的涵洞,從結(jié)構(gòu)的中心向兩端進(jìn)行回填。如果因偏土壓造成鋼波紋管涵變形時(shí),應(yīng)修正截面形象后重新壓實(shí)。

6)上部壓實(shí)時(shí),從頂部到最小填土高度范圍內(nèi),應(yīng)對(duì)照各種規(guī)格波紋涵管最小填土高度要求施工。

7)跨徑小于3 m時(shí),涵洞最小填土厚度不小于50 cm,涵管上方當(dāng)回填土厚度超過30 cm后,才能采用YZ20壓路機(jī)靜壓,填土厚度超過50 cm后,采用YZ20壓路機(jī)振壓,壓實(shí)度不小于90%。

8)波紋涵管回填沒達(dá)到最小填土高度前,嚴(yán)禁一切重型車輛通行。

9)鋼波紋管涵洞頂部及周圍20m范圍內(nèi),不允許強(qiáng)夯。

4 結(jié)束語

瀏醴高速軟基段k51+760處采用鋼波紋管,目前已經(jīng)完成施工,從施工的結(jié)果來看,鋼波紋管建設(shè)時(shí)間短,施工方便,節(jié)約造價(jià)。目前,在湖南省高速公路軟土路基中采用鋼波紋管涵的情況較少,該工程的成功實(shí)施對(duì)類似地形條件下的涵洞設(shè)置具有借鑒意義。