鋼波紋管涵在農村公路中的設計及應用

劉慧

（甘肅省天水公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅 天水 741500）

0 引言

涵洞作為公路新改建工程中常用的排水結構，必要時也可做通道、臨時渡河工程使用，其應用范圍極其廣泛[1]。目前，在農村公路建設中，涵洞結構多采用鋼筋混凝土及圬工材料構筑的箱涵、蓋板涵、圓管涵、拱涵等幾種形式。涵洞存在設計施工復雜、施工工期長的特點。此外，在不良地質以及高填、深埋等條件下，涵洞易在運營期間產生較大的損壞，為公路行車安全帶來較大的隱患，且其養(yǎng)護、維修投入成本巨大。隨著鋼波紋管涵在常年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等不良地質條件及高填路段中的成功應用，使其成為替代圓管涵、蓋板涵、拱涵、小橋的極佳選擇。鋼波紋管涵尤其適用于公路涵洞，其簡潔的施工工藝使其在工期要求較短的農村公路建設中，發(fā)揮了巨大作用。

1 鋼波紋管涵的概念

鋼波紋管涵又稱波紋管涵,是一種在管壁上形成波紋斷面,在管面上進行防腐處理的金屬管狀結構,由碳鋼板冷成形而成，在一些公路和鐵路工程中代替混凝土涵洞和小橋，是一種具有一定柔性的高強度鋼波紋管。鋼波紋管涵不僅對基礎和基礎變形的適應能力強,還能有效解決基礎不均勻沉降所引起的涵洞破壞問題。由于軸向波紋的存在,使其具有優(yōu)良的應力特性,承受軸向和徑向荷載引起的應力和應變,能更大程度地分散荷載的作用,更好地發(fā)揮鋼結構的優(yōu)點。

作為最常用和最經濟的涵洞形式，鋼筋混凝土蓋板涵、拱涵的優(yōu)點很多，對底座承載能力要求較高，是其主要缺點。以1孔2×2m鋼筋混凝土板涵洞為例，當涵洞頂部填充高度為12m時,要求整體基礎（加固）的基礎承載力約為250kPa;當涵洞頂填高為20m時,要求整體基礎（加固）的基礎承載力約為400kPa;當涵洞頂填高為32m時,要求整體基礎（加固）的基礎承載力約為620kPa。如果蓋板涵距增大,對基礎承載力的要求也會隨之增加。如果是相同跨度的拱涵,其基礎承載力要高于板式涵洞。對于圓管涵洞和箱形涵洞來說,當涵洞填充高度超過8m時,隨著結構尺寸的增大,已經變得非常不經濟,這里不做討論。

2 農村公路涵洞設計的基本要求——涵洞布設的要求

其一，應在設計中盡可能完整地收集相關資料。對改、擴建工程，還應收集既有涵洞的相關資料，詳細了解涵洞的使用、養(yǎng)護、水毀等情況，并進行實地調查。

其二，進行涵洞測設時，可以繪制簡單的涵洞平面示意圖[2]。如果涵址地形及水文條件復雜，還應繪制詳細的涵址地形圖。圖上應標示出涵洞的位置、改溝的位置及其附屬設施；改、擴建工程還應對既有涵洞的墩臺、進出口構造及鋪砌的位置和高程等進行標示。

其三，涵洞布設是指如果遇到溝形復雜、洞口布設難度大的情況時，可以不采用沿路線方向的涵址中線溝渠斷面進行布設，而是選擇上、下游洞口附近的補充斷面。

其四，在農村公路的涵洞設計時，可以采用挖探或其他較為簡單的方式對地質進行探查，如果遇到不良地質的涵址，應進行補充地質勘探，探明其地基的地層巖性、地質構造、巖土承載力等相關設計參數。

其五，涵洞的布設應與水流方向保持一致，設計中應盡量減少斜交正做的使用。

其六，在農村公路的涵洞設計中，應考慮后期養(yǎng)護等情況，并充分結合現(xiàn)場情況，選用無壓力式涵洞。

3 鋼波紋管涵洞的通病

其一，由于基礎的不均勻沉降，會導致管體變形甚至開裂。因此，應根據不同的地質條件和施工環(huán)境對地基進行處理,選擇合適的結構形式和地基處理方法。其二，管體回填材料的某些部位存在較大的石塊,導致管體的某些部位出現(xiàn)硬割傷或凸起，因此,必須嚴格篩選管體特殊壓實區(qū)的回填材料,填料的粒徑不得大于30mm。其三，兩側回填不對稱,嚴重時甚至出現(xiàn)塌陷。因此,涵管兩側應同步對稱充填,兩側回填高差不得大于30cm。其四，兩側填土不密實，會導致變形過大的問題，因此，填筑時應按標注線，每20cm進行一次分層填筑、分層碾壓，壓實度達到95%后，方可進行下層填筑。

4 鋼波紋管涵的結構及挑選

4.1 鋼波紋管涵結構

鋼波紋管涵按其截面形式可分為閉口截面結構、開口截面結構兩種，具體應根據工點條件及使用功能進行選擇。在農村公路的涵洞設計中，多選用閉口截面結構，小跨徑橋涵可選用開口截面結構。

4.1.1 閉口截面結構：橫截面是封閉的結構物，如圓形、橢圓形、梨形等。閉口截面又分為整體式和拼裝式兩種。整體式宜采用鋼波紋管節(jié)，使用加強螺栓進行拼裝。拼裝式則是由波紋鋼板件拼裝而成的管形結構物。

4.1.2 開口截面結構：橫截面不封閉的結構物，一般指拱式結構，腳處與基礎相連，如圓弧拱、多圓弧拱等。開口截面結構物由波紋板件拼接而成。

4.2 鋼波紋管涵的基礎設計

4.2.1 鋼波紋管（板）涵為金屬結構，其底部不得與巖石地基以及混凝土基礎直接接觸，應先設置柔性墊層進行過渡，其材料多使用砂礫或其他適宜材料，使其緊密相貼。

4.2.2 開口截面結構為波形鋼板拼裝板，其多為拱式結構，基礎多采用鋼筋混凝土等圬工材料，拱腳處采用錨釘、槽鋼墊板與基礎相連接。基礎的設置應在可靠的持力層中，并設置砂礫墊層以滿足基地應力的要求。

5 鋼波紋管涵結構的施工技術和要點

5.1 基槽開挖

根據管涵分布情況和實際的地質條件,采用機械開挖和人工配合進行施工。機械開挖采用10.5～11的放坡系數。開挖棄土保留一部分符合填土要求的土方，其余土方外運；在基坑開挖的過程中,應加強對中線和邊坡穩(wěn)定標高的監(jiān)測,防止超挖和中線位移的情況。機械開挖至設計管底標高上部0.2m時,停止機械作業(yè),改用人工開挖至設計標高處。基坑施工完成后,應對以下項目進行檢查：基坑開挖尺寸、基底標高、放坡系數是否滿足設計要求;基坑底部土體狀況是否符合設計要求;槽底排水條件是否符合要求等。開挖時，要控制好基礎標高,清除多余土方和雜物。有些過度挖掘的地方不能用松散土方直接回填，而要等基底墊層施工時統(tǒng)一調平并夯實。波紋管涵洞屬于開挖斷面時,其基礎承載力應達到0.18MPa及以上。基礎填充的密實度應達到92%以上。

5.2 兩側及頂部回填

按地基置換方法,在0.5～2m處進行回填,頂部采用路基填筑材料。在對楔形處進行回填時，應確保密實度合格，也可將C15混凝土澆筑成管座。為方便填充，每隔15cm做一次標記;密實度應≥96%,每層單面不大于2m。只有在緊實度合格后才能填充下一層建筑。

兩側同步對稱回填時,兩側高差應≤30cm;管涵兩側至少25m的范圍內不得有強夯作業(yè)。仔細檢查管涵兩端,清理涵洞內的積水及雜物。如果板材之間有空隙,應填塞緊密，并在內部涂抹脫模劑。混凝土澆筑過程中,為了不造成離析，自由落體的高度應控制在2m以內。為防止管涵受到大型機械的沖擊，距離管體0.5m內,禁用超過50mm的石塊或其他硬物。該項目鋼波紋管涵洞由中心向兩端回填,不設擋土墻。最終的截面尺寸與裝配尺寸相差應≤2%。如發(fā)生嚴重變形,應立即停止所有工序,查明原因并采取有效措施進行處理。

5.3 涵管拼裝連接的控制要點

5.3.1 在將波紋鋼板運至施工現(xiàn)場后,應逐塊檢查其完整性。安裝時，拼接處必須清理干凈，確保拼縫、搭接緊密。

5.3.2 為保證施工安全,波紋管組裝平臺應采用搭設盤扣支架。

5.3.3 由于管涵所受土壓力中間大、兩端小，因而洞中間的沉降往往大于兩邊,造成在管道內積水,甚至無法排水的情況。因此,將管體的預拱度設置為管長的0.8%,可以確保管道中部不出現(xiàn)凹陷或逆坡。

5.3.4 將外圈搭接處的螺栓擰緊并符合要求后，在鋼板連接處和螺栓孔處采用專用密封材料進行密封，以防止波形鋼板板縫、螺栓孔處和防波紋板連接處滲水。

5.3.5 安裝完畢后,在管道內、外均勻涂上兩層熱瀝青,瀝青涂層的總厚度為1mm。

5.4 鋼波紋管（板）的防腐處理

5.4.1 鋼波紋管（板）出廠前一般會做鍍鋅防腐處理，防腐材料及工藝亦可采用其他新材料、新工藝。甘肅省天水公路事業(yè)發(fā)展中心于實踐中總結出了在鍍鋅處理的基礎上增設防腐瀝青的處理方法。

5.4.2 當鋼波紋管（板）涵處于較強腐蝕或磨蝕條件下時，應做內襯設計。一般可在鋼波紋管（板）涵底部的一定范圍內澆筑混凝土或使用其他內襯材料。

5.5 回填設計

5.5.1 回填寬度應不小于有效跨度的2倍，且當涵洞跨徑小于1m時，涵洞兩側最小的回填寬度不小于0.5m。

5.5.2 設計時，應結合工點供料情況選用經濟、合理的材料作為回填土。回填材料應選用天然級配砂礫或水穩(wěn)性好的材料，如礫類土、砂類土，或者礫、卵石與細粒土的混合料。

5.5.3 回填土不得采用大型機械進行填筑、壓實。閉口截面結構管底下的方楔形部填料，可采用水密法，并用振蕩器振實。

5.5.4 回填土應嚴格按照相關規(guī)范要求，兩側保持對稱、均勻，分層攤鋪，逐層壓實。如因偏土壓導致鋼波紋管截面變形，則應對截面形狀進行校正，校正后再重新夯實。

5.5.5 在回填的施工過程中，從鋼波紋管（板）涵外邊緣向外2m以內，應嚴格控制重型機械的運行。側面進行夯實時，機械應與鋼波紋管（板）涵的軸向平行行駛；夯實鋼波紋管（板）涵上方回填土時，應沿路向行駛。

5.6 驗算

5.6.1 進行鋼波紋管（板）涵設計時，可不考慮涵身自重產生的等效荷載的作用效應，對于跨徑較大和填土高度較大的鋼波紋管（板）涵，應進行柔度計算或施工階段的強度驗算。

5.6.2 驗算時，應按承載能力的極限狀態(tài)和正常使用的極限狀態(tài)對鋼波紋管（板）涵的覆土高度、結構內力、結構穩(wěn)定、連接強度和變形等分別進行驗算。

5.6.3 若工點存在腐蝕性水體、土體，或存在對涵洞有沖刷、磨蝕等損害其結構耐久性的安全隱患時，應按現(xiàn)行的鋼結構橋梁耐久性處理措施，進行耐久性設計。

5.6.4 鋼波紋管涵洞施工技術是近年來引進的新技術[3]，施工單位在實際施工過程中加強了對該技術的應用,從而促進了我國工程施工的效率和質量。隨著該技術的有效實施及進一步發(fā)展,將更有力地推動我國工程建設的發(fā)展。鋼波紋管結構具有經濟、耐用、應用廣泛等優(yōu)點。目前,小跨度涵洞已在我國得到了廣泛應用,初步形成了一套小直徑鋼波紋管涵洞設計施工模式。如果在此技術的基礎上對大跨度結構進行研究和應用,針對我國多變且復雜的地形，鋼波紋管結構將獲得更廣闊的應用前景。

隨著我國經濟、技術的高速發(fā)展，交通運輸業(yè)也經歷了一個快速發(fā)展的時期。對鋼波紋管、特別是大跨度波紋鋼管結構進行研究,并將其研究成果應用到公路建設的過程中,將產生巨大的經濟和社會效益。

與普通的橋涵相比，鋼波紋管涵洞具有柔韌性好、強度高的特點，可以較好地適應地基與基礎變形，亦能較好地解決寒冷地區(qū)由于溫度低、地基基礎不均勻沉降而產生的涵洞破壞問題。此外，鋼波紋管涵洞對地基的要求低,不需要大型施工設備,安裝迅速,施工周期短,工程造價比橋梁和其他普通涵洞的造價低。

6 鋼波紋管涵的施工應用

6.1 挖基

6.1.1 溝渠開挖需要按照設計要求進行，當基底土為淤泥等一系列不良土層時，需要對其進行換填處理。

6.1.2 需要防止出現(xiàn)超挖的情況。

6.2 基礎砂墊層

6.2.1 基礎結構一定要有足夠的強度，其穩(wěn)定性及均勻性都應得到提升。基礎結構通常可使用30～80cm厚的砂礫，可使用級配理想的粗砂，使其能夠在基礎表面建立一層厚度為10cm的墊層，其中粒徑比較大的是12mm的砂礫。

6.2.2 當前基礎砂礫層的壓實度不可低于96%。

6.3 回填

6.3.1 回填料可以用砂礫或應用與路基填料相同的材料。

6.3.2 管涵兩邊的回填需要對稱進行，每層的厚度需保持在20cm。

6.3.3 當管涵上方回填的土厚度超過30cm時，應采用扎路機對其完成靜壓；如果填土的厚度超過了60cm，則需使用扎路機對其進行靜壓和振壓，壓實度應不低于96%。

7 結語

在農村公路建設中，鋼波紋管涵與傳統(tǒng)的圬工涵洞或鋼筋混凝土結構相比，具有設計施工簡單、施工工期短、相對環(huán)保等優(yōu)點，在后期運營過程中，更有使用壽命長、養(yǎng)護成本低、綜合造價低等優(yōu)勢，因而，值得在農村公路建設中進行推廣。