箱型涵洞包箍結構的優化與改進

一、優化改進背景

在取水、輸水、排水工程中，箱涵是較常見的一種建筑物型式，具有從河道取水、連接上下游渠道輸送渠水、排泄洪水或澇水等作用。箱涵洞身一般每隔8～15m 一節，節與節之間平接，預留縫寬20mm左右，縫間設止水。由于涵洞地基或節間涵洞上部荷載不均勻等原因，可能導致涵洞節與節之間產生水平位移或不均勻沉降，致使節間縫張大，止水破壞，影響安全。傳統的做法一般為約束箱涵節間不均勻沉降等有害變形，分縫處柔性材料包裹、外抹砂漿、外置普通鋼筋混凝土矩形包箍等，協調箱涵節與節之間垂直變形。在工程實踐中，一些工程因地質和荷載等原因，箱涵產生水平位移，節間縫水平向張大，甚至出現箱涵脫開抱箍底梁，進而止水破壞，對工程安全產生不利影響。為約束箱涵水平位移，對包箍的結構形態進行改進，在包箍底梁增設卡槽，限制箱涵水平位移。

二、主要優化改進內容

為有效限制箱涵分縫水平張開，對傳統的箱涵包箍進行改進，具體如圖1。

包箍結構包括：底梁、兩個側梁和頂梁。具體如圖1所示，箱涵由箱涵頂板、箱涵底板和箱涵側墻組成，箱涵洞頂上有填土層。

兩節箱涵的連接位置形成沉降縫，頂梁安裝在沉降縫上方并覆蓋沉降縫，底梁安裝在沉降縫下方并托乘箱涵，兩個側梁分別安裝在沉降縫兩側。底梁、兩個側梁和頂梁構成口字形封閉結構并包覆沉降縫的包箍。

底梁為凹字型結構，箱涵底板的端頭為下凸結構并與底梁的凹形結構相契合。如此，箱涵分節位置外置卡槽式鋼筋混凝土包箍，利用鋼筋混凝土包箍的剛度，形成封閉式包箍的豎向與側向約束，協調箱涵分縫處的變形，限制箱涵節與節之間的水平與豎向相對位移。

圖1 箱涵包箍改造結構圖

箱涵外壁與包箍之間預留變形縫，且變形縫中填塞柔性填充材料，滿足箱梁結構變形及箱涵與包箍間的變形協調的需要。變形縫寬20mm。箱涵的節與節之間設有止水，包箍包覆在止水外周。

包箍的結構尺寸，頂梁和側梁為矩形，且矩形的邊長為1.0～1.5倍的箱涵底板厚度。底梁下部的矩形結構的寬B為2.4～3.0倍箱涵底板的厚度，高H為1.0～1.5倍箱涵底板的厚度；底梁單側上部凸起的寬度為b，高度為h，其中，h為50～100mm，b=（B-L1-2×L2）/4，L1為箱涵沉降縫寬，L2為包箍與箱涵外壁間變形縫的寬度。箱涵底板端部向下形成的凸起，其寬為b1，高為h1，h1為50～100mm，b1=（B-L1-2×L2）/4，L1為箱涵沉降縫寬，L2為包箍與箱涵外壁間變形縫的寬度。底梁總寬度為B=2×（b+b1）+2×L2+L1，b=b1，有利于保證包箍對兩節箱涵連接位置的束縛力，從而保證箱涵工作的可靠。

三、工程實例

劉拐斗門位于一級堤防長江無為大堤上，主要設計條件：防洪條件長江側13.22m；排澇水位：內河設計排澇水位6.1m，最低水位5.5m；設計排澇流量1.7m3/s。涵洞布置總長88m，共11節，每節長8.0m。涵洞凈寬1.5m，凈高1.8m，底坎高程5.0m。涵洞底板、頂板厚均為0.4m，側墻厚0.4m。涵洞節與節間分縫處設置兩層止水，其中表層為明止水。

根據地質資料，涵洞底部地基主要為：1.淤泥質粉質粘土；2.淤泥質粉質壤土；3.粉細砂。其中淤泥質粉質粘土和淤泥質粉質壤土，承載力低、壓縮性大，其土層厚度近30m。為解決地基沉降及水平位移問題，對地基采用了剛柔性樁與格構墻組合復合地基綜合處理技術進行加固處理。為確保涵洞節間不產生水平位移及不均勻沉陷，在節間分縫位置設置具有三維約束作用的箱型涵洞卡槽式鋼筋混凝土包箍，結構尺寸如圖2。

圖2 卡槽式鋼筋混凝土包箍結構圖

發生在軟土地基上的穿堤箱涵結構縫水平張開較大的問題，主要是由于地基垂直沉降、水平向蠕變及變形不均勻產生的，而在箱涵結構縫處傳統使用混凝土抱箍結構，截面型式為矩形，可有效調整結構縫兩側箱涵沉降差，但對箱涵水平向位移無約束作用。現實工程中少數工程深厚軟土地基水平向蠕變較大，箱涵結構隨地基側向蠕變而水平位移，出現箱涵與抱箍脫開、結構錯位、止水破壞。該工程將卡槽式包箍結構在傳統抱箍底梁增設卡槽，優化包箍底梁的截面形式限制箱涵水平位移，并協調相鄰涵洞間的沉降變形。劉拐斗門利用卡槽包箍結構在箱涵分節處形成了三維約束，有效控制箱涵沉降縫沿豎向或橫向張大而造成的止水破壞，同時箱涵外壁與包箍間的縫，給相鄰涵洞的協調變形預留了空間。工程于2015年開始建設，2016年完工。經過4年多的運行，涵洞沉降在30mm以內，工程運行正常，未發現較大沉降及位移，證明處理取得了很好的效果。

四、優化與改進效果

結構改進后的卡槽式包箍結構在傳統抱箍底梁增設卡槽，卡槽與縫兩側箱涵底板結構咬合，形成箱涵縫兩側橫向約束，實現了箱涵外置包箍由二維約束到三維約束的轉變，有效地限制了箱涵分縫水平張開。根據箱涵結構特征及深厚軟土地基的變形特點，卡槽式包箍結構充分利用橫向強度與剛度，增強了箱涵結構對地基變形的適應能力。這種具有三維約束型卡槽式箱型涵洞鋼筋混凝土包箍結構，不僅用于箱涵工程，還可廣泛用于泵站、水閘等多種形式的建筑物，具有一定的推廣應用價值■