鋼波紋板明洞在搶險(xiǎn)保通工程中的運(yùn)用初探★

廖沛源 魏記承 黎良仆

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610017)

1 背景

某公路發(fā)生高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害，塌方面距道路高度約700 m，寬約100 m，垮方量約6萬m3。受九寨溝7.0級地震影響發(fā)生二次垮塌，垮方量約2萬m3，高位落石不斷，給搶通保通工作帶來了極大的困難。為盡快給地震災(zāi)區(qū)提供交通保障，展開了該段的保通方案研究。

2 方案比較

該段高位崩塌體位于公路右側(cè)上方，坡腳距國道邊緣約10 m，山體橫坡50°～60°，坡體表層為薄層崩坡積塊碎石土，厚度約2 m～4 m，下伏三疊系侏倭組砂質(zhì)板巖夾變質(zhì)砂巖，局部基巖裸露，表層巖體破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，多處可見不利結(jié)構(gòu)面組合，在雨季或地震等惡劣氣候情況下，不利結(jié)構(gòu)面形成卸荷拉裂或楔形破壞，大量塊石崩塌至路面，堵塞公路造成斷道，對行車安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，災(zāi)害發(fā)生后，內(nèi)側(cè)邊坡仍飛石不斷，給道路搶通保通工作造成了極大阻礙。

該段地處岷江U形河谷，對岸山體為巨厚覆蓋層，兩跨岷江+隧道繞避方案工程投資大，隧道穿越巨厚覆蓋層，地質(zhì)條件差、進(jìn)出洞口偏壓嚴(yán)重，河岸沖刷嚴(yán)重，工期長，綜合考慮確定在本岸研究保通方案，高位崩塌體及對岸覆蓋層如圖1所示。

保通方案比較主要考慮施工安全性、施工工期、投資等方面，經(jīng)初步篩選，將邊坡防護(hù)方案、鋼筋混凝土明洞、鋼筋混凝土棚洞、鋼波紋板明洞納入最終比較。無論采用何種方案，應(yīng)首先對危巖邊坡進(jìn)行必要防護(hù)，以保證原路保通施工安全，經(jīng)綜合比較，選用鋼波紋管通道作為實(shí)施方案，崩塌路段地形圖如圖2所示。

2.1 邊坡防護(hù)方案

邊坡防護(hù)方案擬對危巖體采用錨索框架梁進(jìn)行處治，裸露山坡坡面采用掛網(wǎng)錨噴進(jìn)行封閉，在路基內(nèi)側(cè)設(shè)高6 m路塹擋墻，擋墻頂部設(shè)置被動(dòng)網(wǎng)。

優(yōu)點(diǎn)：處治工期短，造價(jià)相對較低。

缺點(diǎn)：實(shí)施難度大，施工安全難以保證，治理范圍有限，未處治范圍仍有崩塌可能，威脅道路行車安全。

2.2 鋼筋混凝土明洞

明洞結(jié)構(gòu)形式多樣，常見的有拱形明洞和整體式矩形明洞，近年來地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，公路工程中大量運(yùn)用明洞進(jìn)行搶險(xiǎn)保通，黎良仆等[1]通過數(shù)值計(jì)算，研究了箱型明洞受力特性和影響明洞內(nèi)力因素。袁松等[2]通過對汶川震后公路10年明洞病害及處治工程跟蹤調(diào)查，總結(jié)了明洞建設(shè)選址、設(shè)計(jì)、施工的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。

以目前的研究成果來看，明洞結(jié)構(gòu)整體性較好，相比一般路基防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯。明洞方案擬在高位崩塌段落采用拱形明洞，在兩端崩塌影響段落采用矩形明洞方案，矩形明洞開孔，以保證洞內(nèi)行車視線，明洞方案如圖3所示。

優(yōu)點(diǎn)：明洞結(jié)構(gòu)受力較好，基本能解決邊坡飛石對公路的影響。

缺點(diǎn)：明洞方案投資高，崩塌現(xiàn)場施工時(shí)間長，現(xiàn)場澆筑施工，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

2.3 鋼筋混凝土棚洞

棚洞上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制頂梁，內(nèi)外墻(柱)采用現(xiàn)澆施工，頂部回填一定厚度的土石回填等緩沖層。

優(yōu)點(diǎn)：工期相對較短，造價(jià)相對較低。

缺點(diǎn)：棚洞結(jié)構(gòu)受力相比明洞較差，內(nèi)側(cè)虛渣清除后，內(nèi)側(cè)較寬，棚洞不宜回填。高位崩塌落石對棚洞結(jié)構(gòu)造成較大影響，不利于棚洞的安全和穩(wěn)定。另外投資相對較高，崩塌現(xiàn)場施工時(shí)間較長，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。

2.4 鋼波紋板明洞

鋼波紋板明洞由工廠將鋼波紋板(成品)運(yùn)至工地現(xiàn)場安全地方(終點(diǎn)有安全場地)，現(xiàn)場拼裝成管狀結(jié)構(gòu)，吊裝或軌道運(yùn)輸?shù)轿黄唇佣伞?/p>

優(yōu)點(diǎn)：鋼波紋板明洞為圓形結(jié)構(gòu)，鋼波紋板強(qiáng)度高，受力好，且管狀結(jié)構(gòu)在場外拼裝好再運(yùn)至現(xiàn)場安裝，大大減少了現(xiàn)場施工時(shí)間，極大地降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

缺點(diǎn)：安裝工藝要求較高。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)高位崩塌影響范圍及坡腳堆積范圍，并經(jīng)現(xiàn)場測量，最終確定鋼波紋板明洞設(shè)置長度。

3.1 建筑限界及內(nèi)輪廓

保通階段主要考慮“通”“安全”兩方面的因素，為節(jié)約投資，保證通行安全的原則確定限界寬度。

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]，按四級公路，設(shè)計(jì)速度20 km/h時(shí)，車道寬度為3 m，路肩寬度0.25 m，凈高4.5 m，則建筑限界：6.5 m×4.5 m，據(jù)此直徑8 m的鋼波紋板明洞滿足要求。按四級公路，設(shè)計(jì)速度30 km/h時(shí)，車道寬度為3.25 m，路肩寬度0.5 m，凈高5.0 m，則建筑限界：7.5 m×5.0 m，據(jù)此直徑9 m的鋼波紋板明洞滿足要求。

考慮到施工難度及投資控制，作為臨時(shí)保通工程，設(shè)計(jì)速度20 km/h更為合適，故采用直徑8 m的鋼波紋板明洞。所以，該明洞能滿足設(shè)計(jì)速度20 km/h，雙車道通行，鋼波紋板明洞建筑限界及內(nèi)輪廓如圖4所示。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

鋼波紋板明洞受高位崩塌落石影響，沖擊動(dòng)能較大，采用大波形，鋼波紋板壁厚應(yīng)不小于7 mm，其中波距為300 mm，波高為110 mm。

以鋼波紋板明洞為主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高程以下管體周圍回填C20早強(qiáng)混凝土，外側(cè)設(shè)置反壓墻、內(nèi)側(cè)回填土石約束，以期受力均衡，盡可能軸向受力，減少鋼波紋板明洞局部變形。鋼波紋板明洞結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2.2 結(jié)構(gòu)安裝

根據(jù)波紋管拼裝設(shè)計(jì)圖，首先在預(yù)制工廠生產(chǎn)管片，整個(gè)波紋管結(jié)構(gòu)由7個(gè)管片組成。

管片生產(chǎn)完成后，由車輛運(yùn)至現(xiàn)場安全拼裝地點(diǎn)，為防止拼裝成管狀時(shí)的變形和減少螺栓連接的難度，采用豎向放置拼裝，現(xiàn)場鋼波紋管拼裝。

拼裝節(jié)段時(shí)應(yīng)考慮運(yùn)輸過程中自重的影響，在安裝過程中對鋼波紋管豎向施加+3%～+5%的預(yù)變形，采用每節(jié)段波紋鋼管布置一道橫向拉鎖實(shí)現(xiàn)。管狀結(jié)構(gòu)水平就位后，采用軌道運(yùn)輸至拼接現(xiàn)場，工人在管道內(nèi)部進(jìn)行螺栓拼接作業(yè)，施工安全能得以保障。

3.3 防排水

鋼波紋管拼接完后，為防止拱頂回填面地表水沿節(jié)段間縫隙滲入通道內(nèi)，影響行車安全，于波紋管外壁設(shè)置無紡布和防水板。

鋼波紋管表面“凹凸不平”，且有連接螺栓，若直接在表面鋪設(shè)防水板，土石回填后防水板將被螺栓突起刺破，影響防水效果，因此在鋼波紋管外壁鋪設(shè)一層8 cm厚的EPE，該材料柔韌性好，不易被螺栓刺破，鋪設(shè)好EPE后，再鋪設(shè)防水層。

王東坡、黎良仆等[4,5]利用動(dòng)力有限元模擬了采用EPE(聚乙烯)和EPS(聚苯乙烯)材料換填回填土層，可增加明洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，本項(xiàng)目在鋼波紋管外壁鋪設(shè)EPE有助于提高結(jié)構(gòu)抗沖擊性能，現(xiàn)場EPE及防水板鋪設(shè)見圖6。

3.4 土石回填

鋼波紋管外側(cè)墻澆筑應(yīng)嚴(yán)格與內(nèi)側(cè)回填土石同步進(jìn)行，防止偏壓。施工時(shí)要采用輕型靜碾壓路機(jī)，減少施工期間的動(dòng)荷載。土石回填應(yīng)碾壓密實(shí)，減少后期土石沉降造成的不利影響。

側(cè)墻澆筑和土石回填時(shí)，波紋管頂部是不受約束的，為自由端，受兩側(cè)擠壓，拱部將會(huì)產(chǎn)生向上變形，因此在鋼波紋管頂部放置沙袋壓重，施加豎向力，當(dāng)管頂覆土高度達(dá)到100 cm后拆除拉鎖。

3.5 路面結(jié)構(gòu)

保通路面采用C40混凝土回填，考慮到道路重型貨車較多，在路面下12.5 cm處設(shè)置鋼筋網(wǎng)，C40混凝土回填每隔5 m～10 m設(shè)置一道沉降縫，縫寬2 cm，縫間用瀝青麻絮填充，鋼波紋板明洞內(nèi)路面如圖7所示。

3.6 耐久性

本鋼波紋板明洞為臨時(shí)性通道(使用年限至永久繞避工程投入使用為限)，工期緊，未進(jìn)行鍍鋅防腐，采用防銹底漆涂于鋼波紋管內(nèi)部、外部、連接件進(jìn)行防腐，確保臨時(shí)保通期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)銹蝕或磨損等現(xiàn)象。

管節(jié)之間、翻邊結(jié)合面之間以及搭接的波紋鋼板件之間應(yīng)采取密封措施。密封料應(yīng)具有彈性和不透水性，并應(yīng)填塞緊密。低溫條件下密封材料應(yīng)具有良好的抗凍、耐寒性能。密封料可采用天然橡膠、氯丁橡膠、聚乙烯泡沫或耐候密封膠。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 有限元模型

本文采用常用的ANSYS進(jìn)行計(jì)算，模型中鋼波紋管采用梁單元模擬(Beam3)；回填土石和地基用彈簧單元模擬(Combin14)，整個(gè)計(jì)算用二維平面模型進(jìn)行計(jì)算，縱向計(jì)算長度為1 m，采用結(jié)構(gòu)荷載模型進(jìn)行計(jì)算。鋼波紋板明洞計(jì)算模型如圖8所示。

土石回填壓力計(jì)算根據(jù)JTG 3370.1—2018公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[6]中附錄H明洞回填荷載計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

1)回填土石垂直壓力。

qi=γihi。

其中，qi為結(jié)構(gòu)上任意點(diǎn)的回填土石垂直壓力，N/m2；γ1為回填土石的重度；hi為任意一點(diǎn)的土柱高度。

2)回填土石側(cè)壓力。

ei=γ1hiλ。

其中，ei為結(jié)構(gòu)上任意點(diǎn)的側(cè)壓力；N/m2；λ為側(cè)壓力系數(shù)。當(dāng)回填坡面向上傾斜時(shí)：

其中，φc為墻背回填土石的計(jì)算摩擦角，按地質(zhì)工程手冊[7]取值為35°。

鋼波紋板明洞計(jì)算所涉及的材料主要包括鋼波紋管結(jié)構(gòu)、兩側(cè)C20回填基座，洞身周圍回填土石，其中鋼波紋管采用Q345C熱軋鋼板制作，壁厚為7 mm，采用大波形鋼波紋管，其中波距為300 mm，波高為110 mm，根據(jù)等效原則換算出每延米鋼波紋管的剛度，以上材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果

通過對鋼波紋板明洞標(biāo)準(zhǔn)斷面的計(jì)算，得到鋼波紋管結(jié)構(gòu)變形如圖9所示。

圖10～圖13分別為鋼波紋管的軸力分布圖、剪力分布圖、彎矩分布圖及應(yīng)力分布圖。

4.3 結(jié)果分析

由應(yīng)力圖可知最大拉壓應(yīng)力出現(xiàn)在鋼波紋左下部與混凝土地基的交界處，其他部位均比較小，根據(jù)結(jié)算結(jié)果提取出單元應(yīng)力及變形最大值，如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果

從表2可知：最大豎向位移為3.58 cm，最大水平位移為3.66 cm，考慮到鋼波紋管本身為柔性結(jié)構(gòu)，能承受一定程度的變形，且為臨時(shí)保通項(xiàng)目，因此滿足使用要求。

鋼波紋管最大拉應(yīng)力為122 MPa，最大壓應(yīng)力為228 MPa，鋼波紋管采用Q345C鋼材，其抗拉壓強(qiáng)度470 MPa～630 MPa，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)在2.0以上，因此滿足使用要求。

此外，本項(xiàng)目鋼波紋管道通車已近3年，從歷次調(diào)查情況來看，結(jié)構(gòu)完整性較好，無滲水，較好滿足了該道路臨時(shí)保通需求。

5 結(jié)論與建議

本文以某一公路搶險(xiǎn)工程為例，根據(jù)工程實(shí)際情況及ANSYS數(shù)值計(jì)算，總結(jié)了一種新型的隧道結(jié)構(gòu)——鋼波紋板明洞的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，得出以下結(jié)論與建議：

1)鋼波紋板明洞作為一種預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，大部分作業(yè)在工廠和安全地點(diǎn)完成，具有施工時(shí)間短，安全性高等特點(diǎn)，尤其適合應(yīng)急搶險(xiǎn)臨時(shí)工程。2)鋼波紋管為圓形結(jié)構(gòu)，且采用高強(qiáng)度的鋼波紋鋼，受力較好，能承受較高位的落石沖擊。3)鋼波紋管拼裝接頭較多，為防止漏水，可采用柔性的EPE材料包裹管體，從而避免防水層被突起的螺栓刺破，也能提高鋼波紋管抗沖擊性能。4)鋼波紋管為柔性結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)回填時(shí)一定要對稱回填，在鋼波紋管頂部放置沙袋壓重，施加豎向力，并在管體內(nèi)部設(shè)置橫向拉鎖，管頂回填至一定高度時(shí)方可拆除。5)從鋼波紋管變形及內(nèi)力圖分析，有條件時(shí)內(nèi)外側(cè)應(yīng)采用彈性模量基本一致的回填材料，以達(dá)到受力均勻的目的。6)鋼波紋管安裝完成后應(yīng)布設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，觀察鋼波紋管在回填土石完成后的變形特點(diǎn)。7)鋼波紋管在過水涵洞、人行通道案例較多，但作為公路通道的應(yīng)用實(shí)例較少，本文提出的設(shè)計(jì)思路與方法供廣大工程建設(shè)者參考借鑒。