鋼波紋管涵洞通道在老谷高速公路中的應用

董世賦，楊 芬，薛家偉，李 新

1.湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051

2.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051

1 高速公路涵洞通道工程概況

隨著國家高速公路建設的發(fā)展以及鋼結構制造工藝和防腐技術的不斷提高，鋼波紋管涵在高速公路中的應用日益增加，并取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。

湖北省老谷高速公路起點位于湖北省紀洪崗東側鄂豫省界，終點與漢十高速相接，全長39.3km，雙向四車道，設計速度為100km/h，路基寬度為26m。因為建設工期緊，當?shù)卦牧先狈Γ疫\距較遠、運輸不方便，所以谷城段原設計鋼筋混凝土涵洞通道成為制約全線按時建成通車的一個關鍵因素。經(jīng)研究論證，決定將部分鋼筋混凝土涵洞通道變更為鋼波紋管涵洞通道。

2 鋼波紋管涵洞通道結構設計

2.1 總體設計

該工程鋼波紋管涵洞通道采用整體式和分片拼裝式波紋管兩種形式。涵洞通道為低填土，分單孔和雙孔并排設置，排水涵洞孔徑分為1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m共6種，總計 15 道；排水兼通行通道孔徑分為 6m、7m、7.5m、8m、8.5m、9m共6種，總計18道。斜交角度包含正交90°，斜交95°、120°、125°和135°。波紋管采用圓管形截面，內徑≤2m時采用整體式波紋管；內徑為2.5～9m時采用分片拼裝式波紋管；內徑≤4m時，波距×波高=200mm×55mm；內徑為6～9m時，波距×波高=300mm×110mm。

波紋鋼管（板）材料采用Q235A鋼材，波紋鋼板件連接件采用M22高強螺栓，洞口設置端墻和八字墻，基礎采用級配良好的砂礫，兩側采用天然砂礫回填。

2.2 最小填土厚度驗算

為了保證鋼波紋管結構頂土拱穩(wěn)定性，同時避免集中荷載直接作用在結構上，應保證結構頂填土最小厚度。該工程涵洞通道為低填土，為了保證結構安全，最小填土厚度按≥1500mm控制，設計中最小填土厚度Hmin取式（1）的較大值。

式中：dh、dv分別為波紋鋼管（板）有效跨度和有效矢高（按波紋鋼板軸線計算），對于圓管式波紋管，有dh=dv。

按式（1）計算，可得內徑≤4m、波距×波高=200mm×55mm時，最小填土厚度取1.5m；內徑為6～8m、波距×波高=300mm×110mm時，最小填土厚度取1.5m；內徑為9m、波距×波高=300mm×110mm時，最小填土厚度取1.52m。

2.3 結構設計及驗算

按照湖北省地方標準《公路波紋鋼埋置式橋涵設計與施工規(guī)范》（DB42/T 1195—2016）進行鋼波紋管設計及驗算，設計方法適用范圍如表1所示。

表1 設計方法適用范圍 單位：mm

結合波紋管結構類型及跨徑，采用極限狀態(tài)法進行結構設計及驗算。設計作用如下：永久作用考慮結構頂部所有回填自重，含路基路面；可變作用考慮營運階段和施工階段車輛荷載作用；偶然作用考慮地震作用。極限狀態(tài)驗算主要內容如下。

以上各式中參數(shù)意義及取值見《公路波紋鋼埋置式橋涵設計與施工規(guī)范》（DB42/T 1195—2016），根據(jù)以往工程經(jīng)驗并參考廠家提供的產(chǎn)品規(guī)格選取波距、波高、壁厚等參數(shù)，結合填土高度進行結構驗算，從而確定波距、波高、壁厚及螺栓連接等設計參數(shù)。以K21+965單孔8m通道為例，波紋管采用Q235A鋼材，內徑為8m，經(jīng)計算后選定波距為300mm，波高為110mm，壁厚為7.5mm。鋼波紋管通道立面圖如圖1所示。

圖1 鋼波紋管通道立面圖（單位：標高以m計，其余為cm）

通道基礎采用級配良好的砂礫，壓實度不小于96%，兩側回填采用天然砂礫，填土分層對稱夯實，壓實度不小于96%。洞身斷面及回填示意圖如圖2所示。

圖2 通道洞身斷面及回填示意圖（單位：cm）

耐久性設計：鋼波紋管內外兩面和緊固連接件等進行鍍鋅防腐處理，單面鍍鋅層厚度≥84μm，波紋鋼板件、法蘭盤和管箍單面附著量≥600g/m2，螺栓、螺母單面附著量≥350g/m2，內外壁均勻噴涂2遍乳化瀝青，接縫進行密封防水防腐處理。

2.4 通道路面及排水涵設計

通道內路面通行凈空及排水涵尺寸以不低于原設計標準為原則，K21+965通道內路面及排水涵構造如圖3所示。通行凈寬×凈高=6m×5m，路面結構采用25cm厚C30混凝土路面+20cm厚水泥穩(wěn)定碎石，兩側設置C30混凝土防撞墻，排水涵尺寸為2m×1m，排水涵蓋板為C30混凝土預制蓋板，基座為現(xiàn)澆C30混凝土。

圖3 通道內路面及排水涵構造圖（單位：cm）

鋼波紋管涵洞通道設計包括選型設計、結構設計、耐久性設計、洞口設計、地基與基礎設計等，各涵洞通道均進行單獨的結構計算和驗算，以確保結構的安全性。完工后的鋼波紋管涵洞通道如圖4所示。

圖4 鋼波紋管通道

3 鋼波紋管涵洞通道設計要點

鋼波紋管涵洞通道主要設計流程如下：確定結構類型、形狀和尺寸→分析設計因素→確定并驗算最小填土厚度→確定構造要求→確定設計方法→結構設計及驗算→確定設計參數(shù)→耐久性設計→洞口設計→地基及基礎設計。

主要設計要點總結如下。

（1）布設原則：遵循因地制宜、滿足功能、方便施工的原則，綜合考慮地形地貌、地質、路基填高、施工條件和養(yǎng)護等合理布設。合理選擇涵洞形式及材料，根據(jù)水文計算選定孔徑。

（2）結構性回填：為了保證結構穩(wěn)定性和發(fā)揮土-結構相互作用，波紋管周邊結構性回填材料應具有良好的透水性，結構性回填區(qū)域應滿足相關規(guī)范、標準要求，回填應對稱分層夯實。

（3）最小填土厚度：應驗算營運車輛荷載、施工荷載或特殊荷載作用下的最小填土厚度，保證結構頂填土厚度滿足要求。

（4）應選用合理的設計方法對結構進行設計及驗算，通過計算確定波形、壁厚等設計參數(shù)，同時需驗算波紋鋼管或板件在運輸及安裝過程中的最大柔度。

（5）雙孔并列設置：雙孔并列設置時，應合理確定相鄰孔間的最小凈距，相鄰孔的間隙應進行結構性回填，分層夯實。

（6）耐久性設計：鋼板及配件整體應具有足夠的耐腐蝕性和磨蝕能力，波紋管及其緊固連接件等均須進行防腐處理，接縫應進行密封防水防腐處理。

（7）斜交及洞口處理：斜交時宜采用斜交正做方式。當采用直立式或削竹式洞口與路線斜交時，可將洞口附近的邊坡做歪斜處理，邊坡坡頂適當加寬形成一個平坦或陡坡較緩的平臺，以避免洞口兩側回填的不平衡。

（8）應根據(jù)涵底縱坡和地基預期最大變形合理確定設置預拱度，預拱度宜采用涵長的0.5%～1%。

（9）地基及基礎設計：地基應具有足夠的強度、穩(wěn)定性和相對均勻性，軟土地基應先進行地基處理再填筑管基。

4 鋼波紋管涵洞通道施工要點

鋼波紋管涵洞通道施工主要流程如下：材料、設備就位→施工放樣→基礎開挖→整平、壓實→設置縱坡、預拱度→結構安裝→密封及防腐處理→回填→進出口處理。

（1）地基施工：基坑開挖后不得長期暴露、擾動或浸泡，基坑尺寸、高程經(jīng)檢查符合要求后及時進行管基填筑和基礎施工。

（2）管基和基礎施工：按設計要求鋪筑管基。管基鋪筑時應設置預拱度，基礎最小厚度和寬度應滿足設計要求。

（3）結構安裝：裝卸和運輸過程中應采取措施避免破壞鋼波紋管表面涂層。拼裝前準確標記，建議從底拱開始，再到側面，最后到拱頂，對稱拼裝。結構安裝建議在廠家的指導下進行，嚴格控制施工質量。

（4）回填：閉口式波紋管拱下方或多管結構之間的楔形區(qū)域的填料應與結構緊密壓實，可采用人工作業(yè)或水密法并使用振蕩器振實。回填應分層水平均勻填筑，松鋪厚度建議不超過200mm。填筑應在結構兩側同時進行，兩側高差建議不大于300mm。結構頂部最小填土厚度范圍以內應按結構性回填區(qū)要求施工，未達到最小填土厚度前嚴禁任何車輛和機械在其上方作業(yè)。

（5）施工變形監(jiān)測：鋼波紋管施工全過程需對其進行應力及變形等監(jiān)測，確保工程質量安全。每節(jié)波紋板拼裝完成后，應對管徑進行跟蹤測量。臺背回填和涵頂路基填筑過程中應做好管身的變形監(jiān)測。

（6）質量檢驗評定標準：涵洞現(xiàn)場施工中土建部分驗收標準可參照《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1—2017），結構性回填區(qū)以外回填土的驗收納入路基工程中。回填及壓實要求應滿足設計及相關規(guī)范、標準要求，并進行鋼波紋管材料檢驗、安裝檢驗及形狀檢驗。

5 結束語

老谷高速公路采用鋼波紋管涵洞通道代替鋼筋混凝土涵洞通道，克服了工期要求緊、原材料緊缺、運距長、運輸不便等困難，加快了工程建設進度，體現(xiàn)了較大的經(jīng)濟社會效益和實際應用價值。涵洞通道施工完成后驗收合格，使用情況良好。該工程的實施為鋼波紋管涵洞通道在高速公路中的應用積累了一定的工程經(jīng)驗，為同類工程的設計和施工提供了一定的參考。