公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)內(nèi)容

明 艷

(衡水公路工程總公司)

1 公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)要求

(1)公路鋼波紋管涵孔徑的設(shè)計(jì)必須保證設(shè)計(jì)洪水以內(nèi)的各級(jí)洪水及流冰、泥石流、漂流物等安全通過(guò)，并應(yīng)考慮壅水、沖刷對(duì)上下游的影響，確保橋涵附近路堤的穩(wěn)定。

(2)鋼波紋管涵孔徑的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮上下游已建或擬建橋涵和水工建筑物的狀況及其對(duì)河床演變的影響。

(3)鋼波紋管涵孔徑設(shè)計(jì)尚應(yīng)注意河床地形，不宜過(guò)分壓縮河道、改變水流的天然狀態(tài)。

(4)小橋、涵洞的孔徑，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)洪水流量、河床地質(zhì)、河床和錐坡加固形式等條件確定。當(dāng)小橋、涵洞的上游條件許可積水時(shí)，依暴雨徑流計(jì)算的流量可考慮減少，但減少的流量不宜大于總流量的1/4。

(5)涵洞宜設(shè)計(jì)為無(wú)壓力式的。無(wú)壓力式涵洞內(nèi)頂點(diǎn)至洞內(nèi)設(shè)計(jì)洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)水位的凈高應(yīng)符合的規(guī)定。

(6)計(jì)算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時(shí)，車輪按其著地面積的邊緣向下30°角分布。當(dāng)幾個(gè)車輪的壓力擴(kuò)散線相重疊時(shí)，擴(kuò)散面積以最外邊的擴(kuò)散線為準(zhǔn)。

2 公路鋼波紋管涵洞的適用條件

2.1 適應(yīng)范圍

從國(guó)外鋼波紋管涵洞的應(yīng)用及防腐調(diào)研情況看，鋼波紋管涵洞具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，經(jīng)過(guò)防腐處理后的鋼波紋管涵洞完全能夠使用50年。綜合分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)防腐技術(shù)，雖然距離國(guó)外防腐技術(shù)存在一定差距，但采用防腐方案后的鋼波紋管涵洞的壽命應(yīng)達(dá)到20～30年。如果考慮鋼波紋管涵洞防腐的養(yǎng)護(hù)(大修、二次防腐)、設(shè)計(jì)腐蝕富余量(厚度)的安全系數(shù)，鋼波紋管涵洞的耐腐蝕壽命也可達(dá)到50年(或以上)。

從公路的壽命周期和服務(wù)水平的變化看，涵洞服務(wù)年限達(dá)到50年時(shí)完全能滿足一般公路的需求，所以鋼波紋管涵洞完全可以適合一般公路。

對(duì)特殊巖土地區(qū)，如多年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等地區(qū)，一般情況下鋼筋混凝土圓管涵或蓋板涵在使用過(guò)程中均出現(xiàn)不同程度的損壞，較嚴(yán)重的病害為地基或基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致涵洞破壞。這些地區(qū)鋼筋混凝土圓管涵或蓋板涵的使用壽命有時(shí)低于20年。而應(yīng)用鋼波紋管涵洞則完全可以解決因地基變形導(dǎo)致的涵洞破壞，同時(shí)可以減小路面因地基沉降引起的應(yīng)力集中。所以，鋼波紋管涵洞在上述地區(qū)更具優(yōu)越性。涵管為柔性結(jié)構(gòu)，有利于改善軟土地基結(jié)構(gòu)物與路堤交界處的“錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象”，提高行車的舒適度與安全性。

2.2 適用條件

從國(guó)內(nèi)外鋼波紋管涵洞的使用情況及其受力特征、防腐分析看，應(yīng)用鋼波紋管涵洞必須滿足以下條件：

(1)相應(yīng)波形必須具有滿足足夠的壁厚，確保鋼波紋管結(jié)構(gòu)在受荷時(shí)最大應(yīng)力低于鋼結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力(或屈服應(yīng)力)。

(2)鋼波紋管的防腐處理必須不低于一定的要求，以確保一定年限內(nèi)鋼波紋管涵洞具有足夠的耐腐蝕能力;鋼板壁厚應(yīng)適當(dāng)考慮防腐富余量。

(3)鋼波紋管應(yīng)能夠承受標(biāo)準(zhǔn)荷載引起的變形，不致產(chǎn)生非線性破壞，且不影響其上結(jié)構(gòu)層的功能。

對(duì)高速公路等路面變形要求較高且涵頂填土高度較小時(shí)，應(yīng)根據(jù)涵洞孔徑合理選用相應(yīng)的波形和壁厚，以控制荷載作用下涵管變形不致路面底部的變形過(guò)大;也可根據(jù)變形狀況控制涵頂填土高度及其他設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.3 選用原則

公路鋼波紋管涵洞的選用必須遵循適用、安全、經(jīng)濟(jì)的原則，在滿足功能需求基礎(chǔ)上充分發(fā)揮鋼波紋管結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持因地制宜、發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、不盲目使用的原則。設(shè)計(jì)中除應(yīng)充分考慮工程項(xiàng)目的基本特征，包括公路等級(jí)、重要性程度、地形地貌、不良地質(zhì)狀況、路基修筑等等方面之外，還應(yīng)考慮下列因素：施工條件和便利性;養(yǎng)護(hù)條件;二次防腐。下列地區(qū)宜優(yōu)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)人力資源缺乏或高危險(xiǎn)、高原缺氧地區(qū)等工程;

(3)砂石資源缺乏地區(qū)，水泥、鋼材等運(yùn)距較遠(yuǎn)的邊遠(yuǎn)地區(qū);

(4)為加快施工進(jìn)度、達(dá)到快速通車目的的應(yīng)急搶險(xiǎn)、救災(zāi)等工程。

下列情況使用時(shí)應(yīng)慎重使用。

(1)高速公路重要路段或維護(hù)困難路段。鋼波紋管涵洞為鋼結(jié)構(gòu)，必然存在腐蝕的威脅，高速公路對(duì)路基和涵洞的壽命周期要求較高，因此必須考慮防腐養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)管理困難路段應(yīng)慎重使用。由于鋼波紋管涵洞存在一定的使用壽命周期，在高速公路的一些重要路段應(yīng)慎重考慮其服務(wù)壽命或改建的便利等。

(2)泥石流堆積扇或排泄砂石流量大、流速高的區(qū)段。這些區(qū)段泥砂或砂石的沖刷將形成對(duì)防腐材料或鋼結(jié)構(gòu)的磨蝕，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視，必要時(shí)應(yīng)針對(duì)具體情況進(jìn)行防腐獨(dú)立設(shè)計(jì);局部區(qū)段可能存在淤積等，采用鋼波紋管涵洞應(yīng)考慮該問(wèn)題。

(3)高填土路段。高填路段，應(yīng)根據(jù)施工工藝及施工后路堤不同土拱效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，確保涵洞受力安全。

(4)孔徑較大或截面非圓形時(shí)。一般鋼波紋管涵洞孔徑小于2.5m，當(dāng)大于2.5m時(shí)應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算分析，確保涵洞受力安全。大孔徑涵洞采用拼裝式施工時(shí)尤其要加強(qiáng)連接部位的設(shè)計(jì)分析。異型截面鋼波紋涵洞和小橋，由于其受力特征與圓形截面截然不同，應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立分析，確保安全使用。

2.4 鋼波紋管涵洞的效益分析

(1)鋼波紋管涵洞的經(jīng)濟(jì)效益

由于建筑材料(主要為水泥、砂、石料)及人工單價(jià)、運(yùn)距等的差異，部分地區(qū)(特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)及水泥、砂、石料缺少地區(qū))的鋼波紋管涵洞的實(shí)際造價(jià)低于鋼筋混凝土蓋板涵。就青藏公路來(lái)說(shuō)，每道波紋管涵工程造價(jià)比同樣孔徑的鋼筋混凝土蓋板涵低4萬(wàn)多元。

由于目前生產(chǎn)鋼波紋管涵洞的廠家多為轉(zhuǎn)產(chǎn)型，生產(chǎn)規(guī)模不大，加工費(fèi)用高，運(yùn)輸費(fèi)用也相對(duì)較高。如從上海、南京、無(wú)錫等地運(yùn)送鋼波紋管涵洞，運(yùn)費(fèi)有時(shí)占總造價(jià)的l/3左右。隨著鋼波紋管涵洞的推廣應(yīng)用和市場(chǎng)的有序開放以及生產(chǎn)的規(guī)模化，鋼波紋管涵洞的單價(jià)將逐漸降低。

從施工期看，一般鋼波紋管涵洞施工期僅為3～5 d，相比鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵，節(jié)省工期1個(gè)多月，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯。在多年凍土及寒區(qū)，節(jié)省工期不僅可以降低成本，而且可以相對(duì)延長(zhǎng)施工季節(jié)，加快工程總進(jìn)度。多年凍土地區(qū)，節(jié)省工期還可以大幅度減少因施工引起的傳熱，減少多年凍土的熱干擾。

隨著國(guó)內(nèi)鋼波紋管涵洞的廣泛應(yīng)用，關(guān)于波形和壁厚優(yōu)化的研究將逐步深入，優(yōu)化后的波形可以采用相對(duì)較薄的鋼結(jié)構(gòu)適應(yīng)相同的填土及汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)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(jià)。

(2)鋼波紋管涵洞的社會(huì)效益

相對(duì)于鋼筋混凝土圓管涵和蓋板涵，鋼波紋管涵洞的應(yīng)用，一方面節(jié)約了大量的石材、水泥，有利于環(huán)保;另一方面建設(shè)工期可以大幅度縮短，不僅加快了建設(shè)步伐，充分體現(xiàn)了建設(shè)工期縮短及相對(duì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，特別是在局部地區(qū)如寒冷地區(qū)一年中施工期僅5～6個(gè)月，這樣應(yīng)用鋼波紋管涵洞更具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在搶險(xiǎn)、保通工程中應(yīng)用鋼波紋管涵洞更能體現(xiàn)其明顯的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。