波紋鋼管涵上覆土不均勻沉降防治探討

洪 杰

（安徽省路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230031）

波紋鋼管涵具有現場施工效率高、質量控制好、方便運輸與應用、工程造價低等優(yōu)點，因此其應用前景良好。此外，由于波紋鋼管涵的波紋的存在，使管涵在橫向具有比無波紋時更大的剛度，同時，在管涵縱向具有良好的柔性，其變形性能良好，可充分發(fā)揮鋼材的力學與變形性能。波紋鋼管涵在縱向彎曲變形時，只需改變波紋參數即可彎曲，因此基本不會出現管徑變化。因此波紋鋼管涵在縱向上具有良好的適應地層的變異性，尤其適用于既有公路拓寬工程。

我國對于波紋鋼管涵的研究還處于起步階段，雖然我國已建設了幾座波紋鋼板橋涵，如1997 年上海浦東張橋鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)，跨徑4.46 m、2001年湖北荊州區(qū)里李埠小橋。但主要借鑒國外的實際工程經驗和資料，還沒有比較完善的設計施工規(guī)范，波紋鋼管涵坍塌破壞事故屢屢發(fā)生，阻礙了波紋鋼管涵結構在我國的推廣和應用[l-3]。自19世紀末起，美國、加拿大、英國、日本等國家就開始研制、開發(fā)和應用波紋鋼管涵，并制定了專門的設計、制造、施工安裝手冊和規(guī)范標準；日本在1980 年的《日本高等級公路設計規(guī)范》對波紋鋼管涵做了較為詳細的規(guī)定；國外專家對這種新型的結構也進行了研究，取得了一定的成就[4-5]。然而，從調研結果來看，國外現有的設計規(guī)范主要從管涵結構的強度與穩(wěn)定性來考慮，極少考慮管涵對公路路基與路面的強度、穩(wěn)定性與耐久性的影響[6-11]。

波紋鋼管涵的作為地下結構，其變形性能與其周圍的地層變形性能完全不同，以及工程應用注意事項不明確，導致波紋鋼管涵的應用受限，或應用后易導致工程病害。本論文對波紋鋼管涵對公路路基路面的影響進行了分析，并分別提出了對上埋式與溝埋式波紋鋼管涵進行上覆土加筋的建議與方法。

1 波紋鋼管涵對公路面的影響分析

某公路改建工程項目技術標準為雙向四車道一級公路，設計速度80 km/h，路基寬度25.5 m，路面寬21 m，很大一部分路段為老路拓寬段，瀝青混凝土路面。涵洞達137道，均采用波紋鋼管涵，直徑范圍為1～4.5 m，涵頂上覆土厚度為0.8～4.8 m不等。為了避免因波紋鋼管涵與周圍土體不協調變形導致路面不平順，結合本工程實際面臨的問題分析波紋鋼管涵對公路面的影響。

對于既有的公路，在管涵施工時先開挖溝槽，將波紋鋼管涵放置在溝槽中，再進行填土埋設，因此，管涵在既有公路底部屬于典型的溝埋式管涵，如圖1所示。而對于新建公路或既有公路旁的擴建公路的底部管涵，施工時采逐層填筑的方式完成管涵埋設，因此管涵屬于上埋式管涵，如圖2所示。然而，在傳統(tǒng)的觀念中，上埋式管涵因其剛度大，在逐層填筑時因管涵兩側土體的豎向壓縮量大于管涵的豎向壓縮變形，導致管涵正上部土體單元的沉降量小于其兩側土體的沉降量，同此使管涵正上部土體單元受到兩側土體對其產生的向下剪切力，如圖2所示。但對于本工程的管涵結構，盡管有波紋的存在，但其剛度遠小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管涵，即為柔性管涵。在上部埋土時，管涵的豎向壓縮變形量較大，當管涵的豎向壓縮變形量大于其兩側土體的豎向壓縮量時，導致管涵正上部土體單元的沉降量大于其兩側土體的沉降量，從而導致管涵正上部土體單元受到其兩側土體對產生的向上剪切力，如圖3所示。對于圖2與圖3的兩種不同剛度的上埋式管涵，管涵周圍的土壓力與結構變形明顯完全不同，管涵對路基路面的影響模式也完全不同。

圖1 溝埋式管涵

圖2 上埋式剛性管涵

圖3 上埋式柔性管涵

由圖1～圖3可知，由于管涵結構與土層無法達到協調變形，將導致管涵上覆土層出現不均勻沉降。管涵作為公路路基底部的結構物時，其對路基路面的影響不可忽略。圖4與圖5分別為上埋式剛性管涵與上埋式柔性管涵的上覆土沉降趨勢示意圖。對于柔性管涵，因上覆土易出現較大的沉降量，導致路面基底強度不足，從而導致公路路面出現開裂，如圖6所示。

圖4 上埋式剛性管涵

圖5 上埋式柔性管涵

圖6 路面開裂

2 管涵上覆土不均勻沉降建議

鑒于波紋鋼管涵對路基路面的影響因素復雜，為了減小管涵上覆土不均勻沉降對路基路面的影響，且基于上埋式管涵與溝埋式管涵的影響機基理與施工方法的不同，在此分別提出管涵上覆土加筋措施。

2.1 上埋式管涵上覆土加筋措施

公路新建設或擴建設時，管涵的填埋方式為上埋式，為減少管涵上覆土的不均勻沉降，在管涵上部填土過程中進行鋪設土工格柵，其基本方法如下。

（1） 在管涵頂部開始鋪設土工格柵，直到路床頂面 （包括在床頂面鋪設土工格柵） ；

（2） 每一層土工格柵之間的垂直距離應和填土厚度保持一致，建議土工格柵之間垂直距離值宜在20～35 cm之間，即填土過程中，將每層填土的壓實厚度控制在20～35 cm；

（3） 土工格柵的長度不小于5D （D為波紋鋼管涵的直徑） ，如圖7所示。

圖7 上埋式波紋鋼管涵

2.2 溝埋式管涵上覆土加筋措施

既有公路埋設管涵基本為上埋式管涵，為減少管涵上覆土的不均勻沉降，以及再次填土與原有填土之間的不均勻沉降，在管涵上部填土過程中進行鋪設土工格柵，其基本方法如下。

（1） 溝埋式管涵填埋過程中，從路基面向下進行放坡開挖，坡度根據原有填土的穩(wěn)定性確度，一般約為45° （具體根據原路基填土的穩(wěn)定性確定）。

（2） 開挖到管涵的設計底部時，管涵側部距離基底兩側的距離l不＜2 m，如圖9所示，以方便施工人員進行波紋鋼管涵拼裝、填土和鋪設土工格柵 （l具體大小根據施工的方便性進行考慮）。

（3） 溝埋式管涵從底部填土開始鋪設土工格柵，直到路床頂面 （包括在床頂面鋪設土工格柵） ，以加強回填土與原有填土之間的搭接，減少回填土與原有填料之間的不均勻沉降。

（4） 在回埋過程中，為減小回填土與原有填土之間的不均勻沉降，在邊坡上開挖臺階，臺階的高度與下一層填土的厚度相同，臺階的寬度與臺階的高度相同。

（5） 每一層土工格柵之間的垂直距離應和填土厚度保持一致，建議土工格柵之間垂直距離值宜在20～35 cm之間，即填土過程中，將每層填土的壓實厚度控制在20～35 cm。

（6） 土工格柵的端部應鋪設至臺階的底部，其長度與鋪設位置有關，如圖6所示。

圖8 溝埋式波紋鋼管涵

2.3 溝埋式管涵上覆土加筋措施

土工格柵基本要求

波紋鋼管涵工程中所用的土工格柵需要滿足加筋土路堤和加筋土擋土墻中的基本要求和技術性能指標。具體要求如下：（1） 土工格柵極限抗拉強度不應＜25 kN/m，優(yōu)先選用極限抗拉強度不＜35 kN/m；（2） 優(yōu)先選用強度高、變形小、粗糙度大、抗老化、蠕變變形小的土工格柵；（3） 土工格柵極限抗拉強度對應的延伸率，高密度聚乙烯土工格柵不應＞12%，其他土工格柵不應＞10%。

為了達到良好的加筋效果，在管涵上覆土進行土工格柵加筋時，提出如下施工控制要點。

（1） 鋪設土工格柵時，應將強度高的方向鋪設于垂直管涵的軸線方向 （即公路的縱向） ；

（2） 在垂直于管涵的軸線方向上，土工格柵不允許采用連接；

（3） 同一層的土工格柵在管涵的軸線方向上應有不＜10 cm搭接；

（4） 土工合成材料的鋪設時應拉緊，不得有褶皺，必要時可用插釘固定，筋材拉緊固定后，應立即填鋪上層填料；

（5） 鋪設土工合成材料的填土表面應平整，不得有堅硬凸出物，嚴禁碾壓機械直接在土工合成材料表面上進行碾壓；機械行駛時，其筋材上填料覆蓋厚度不應＜20 cm；

（6） 土工合成材料攤鋪后應及時填筑材料，避免陽光長時間直接照射；

（7） 填料必須分層填筑、碾壓，分層厚度以20～30 cm為宜。

3 結語

因波紋鋼管涵與路基填土屬于不同的變形結構，在上部荷載作用下，波紋鋼管涵與其同深度范圍內的填土的豎向變形無法做到絕對地協調。完成路面鋪設后，在車輛荷載反復作用下，易導致管涵上覆土層出現不均勻沉降，進而易導致路面開裂、破損，直接影響到道路的使用質量，并影響到路基的使用壽命。文章針對具體的工程案例分析，得到了以下結論與建議。

（1） 波紋鋼管的橫向變形剛度遠小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管涵，但是，波紋鋼管涵剛度大小是一個相對概念，具體與管涵周圍的填土有關。不同剛度的上埋式管涵周圍的土壓力與結構變形明顯完全不同，管涵對路基路面的影響模式也完全不同。

（2） 波紋鋼管涵對路基路面的影響因素復雜，為了減小管涵上覆土不均勻沉降對路基路面的影響，建議在波紋鋼管涵上覆土進行土體加筋。

（3） 基于上埋式管涵與溝埋式管涵的影響機基理與施工方法的不同，在此分別提出管涵上覆土加筋措施，并對施工方法提出的具體建議。

（4） 對于溝埋式管涵，在回埋過程中，為減小回填土與原有填土之間的不均勻沉降，在邊坡上開挖臺階，臺階的高度與下一層填土的厚度相同，臺階的寬度與臺階的高度相同，且土工格柵的端部應鋪設至臺階的底部。