公路涵洞加固方案比選

牟 開

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)通過鋼波紋板與混凝土的組合，實(shí)現(xiàn)兩種材料優(yōu)勢互補(bǔ)，形成適用于涵洞的加固結(jié)構(gòu)。該方法在鐵路涵洞加固得到了廣泛應(yīng)用，并逐漸推廣到公路涵洞。目前國內(nèi)對波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固方法的研究有：田英[1]首次將該技術(shù)應(yīng)用于鐵路涵洞加固，論述了拼裝鋼波紋板技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用性；李百建[2]依托于某舊橋加固實(shí)例，系統(tǒng)論述了鋼波紋板-混凝土鋼合梁在舊橋加固中的應(yīng)用技術(shù)和施工方案；賀文濤[3]建立有限元分析模型，計算結(jié)果表明波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固方法能夠有效提高橋梁的剛度和承載能力。

1 工程概況

青蘭高速公路長（治）邯（鄲）段是國家高速公路網(wǎng)青島至蘭州高速公路重要組成部分，全長54.46 km，設(shè)計速度采用80 km/h，路基寬度24.5 m，于2002年建成通車。K777+612涵洞是長邯高速公路上的主線涵洞，結(jié)構(gòu)類型為蓋板涵，孔數(shù)為1孔，跨度4 m，涵洞全長33.5 m。目前涵洞存在不同程度的病害，已影響該路段的安全運(yùn)營。主要病害見圖1。

圖1 涵洞病害

2 涵洞病害原因分析

2.1 設(shè)計因素

長邯高速公路于2002年建成通車，原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，造成涵洞結(jié)構(gòu)斷面單薄、安全儲備低，難以滿足目前的汽車荷載等級及大幅度增長的交通量要求。

2.2 施工質(zhì)量

混凝土振搗不密實(shí)及漏振導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不足，造成涵洞蓋板板底產(chǎn)生橫向裂縫；蓋板保護(hù)層厚度不足導(dǎo)致混凝土耐久性不足，造成鋼筋銹蝕、強(qiáng)度降低，蓋板承載能力下降。

2.3 運(yùn)營管理

隨著汽車荷載等級的提升和交通量的增大，涵洞所受汽車荷載的作用不斷加大，涵洞蓋板受到的沖擊力更加明顯；同時隨著時間的推移，鋼筋和混凝土產(chǎn)生疲勞破壞。涵洞病害情況逐漸嚴(yán)重，導(dǎo)致地基不均勻沉降，使涵洞邊墻和蓋板產(chǎn)生裂縫。

3 涵洞加固方案

3.1 工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固方案

工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固涵洞的基本原理：沿公路方向設(shè)置的縱向工字鋼為承重受力主梁，承受涵洞結(jié)構(gòu)恒載與活載，并將全部荷載傳遞給縱向工字鋼之下的豎向工字鋼上，最后傳遞給工字鋼框架基礎(chǔ)。縱向工字鋼間用連接工字鋼連接構(gòu)成整體承載結(jié)構(gòu)，斜撐工字鋼增加框架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和剛度。加固示意圖見圖2。

圖2 工字鋼框架加固涵洞示意圖

工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固涵洞的基本流程：首先進(jìn)行涵洞基礎(chǔ)開挖，依次安設(shè)框架基礎(chǔ)工字鋼→豎向工字鋼→縱向工字鋼→斜撐工字鋼，工字鋼連接采用單面焊接；然后基礎(chǔ)采用混凝土與工字鋼澆筑一起，澆筑至涵洞進(jìn)水口位置；施工過程中必須保證工字鋼與蓋板底面緊密貼實(shí)，并且保證工字鋼的垂直度。

3.2 波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固方案

波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固涵洞的基本原理：波紋鋼板作為加固材料，將其嵌入既有涵洞下方，拱梁之間填充混凝土形成新的結(jié)構(gòu)體系，利用波紋鋼板拱與拱上混凝土相互作用共同承擔(dān)恒載與活載[4]。加固示意圖見圖3。

圖3 波紋鋼板-混凝土加固涵洞示意圖

波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固涵洞的基本流程：第一步，在原涵洞基礎(chǔ)安裝波紋鋼板基礎(chǔ)的位置鑿除開挖，進(jìn)行基礎(chǔ)植筋并安裝波紋鋼板基礎(chǔ)鋼構(gòu)件，與波紋鋼板通過高強(qiáng)連接螺栓連接；第二步，對邊墻和原涵洞梁底進(jìn)行表面處理，涂刷界面劑；第三步，拼裝波紋鋼板形成波紋鋼板拱，澆筑波紋鋼板基礎(chǔ)混凝土；最后，封堵波紋鋼板端部，波紋鋼板背后灌注微膨脹混凝土。

4 方案比選

本文從結(jié)構(gòu)受力、安全性、施工工期、社會影響等方面對工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固與波紋鋼板-混凝土加固兩種方案進(jìn)行對比分析，確定涵洞加固方案。

4.1 結(jié)構(gòu)受力

a）波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固 波紋鋼板與混凝土共同作用形成組合結(jié)構(gòu)，可以把波紋鋼板、混凝土與原涵洞形成一個整體承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)承載力高、剛度大、施工快速方便的優(yōu)點(diǎn)，有效提高原涵洞的承載能力和剛度，達(dá)到加固涵洞的目的。

b）工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固 在蓋板下縱向增設(shè)工字鋼框架支撐，在縱向工字鋼下采用工字鋼八字支撐進(jìn)行加固，可將簡支結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化為連續(xù)結(jié)構(gòu)，減少涵洞蓋板承受的荷載內(nèi)力。當(dāng)涵洞跨徑或承受荷載較大時，工字鋼承擔(dān)的壓力會過大，有失穩(wěn)的可能。

4.2 安全性

a）波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固 施工期間無需封閉交通。波紋鋼板耐久性能強(qiáng)，采用永久性防腐蝕鍍層的波紋鋼板，其耐久性能最高可達(dá)到100年以上，平均可達(dá)到50年以上。通過波紋鋼板與混凝土的組合能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，形成易于施工，安全儲備大的加固體系，適用于現(xiàn)代涵洞的加固。

b）工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固 工字鋼框架施工期間需進(jìn)行橋上交通管制，橋上單幅交通封閉存在一定的安全風(fēng)險。工字鋼焊接處理施工難度大，施工質(zhì)量難以保證。當(dāng)涵洞承受荷載過大或跨徑較大時，工字鋼框架存在失穩(wěn)的風(fēng)險，安全性較差。

4.3 施工工期

a）波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固 波紋鋼板采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，工廠規(guī)模化生產(chǎn)，生產(chǎn)周期短，效率高，有利于降低成本，提高質(zhì)量。波紋鋼板現(xiàn)場安裝速度快，施工期短，社會經(jīng)濟(jì)效益明顯。一年四季均可施工，施工不受季節(jié)影響，不受環(huán)境影響。涵洞加固施工工期一般為30 d。

b）工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固 工字鋼為工廠預(yù)制成品，可進(jìn)行現(xiàn)場加工，前期無需過長的生產(chǎn)時間。其缺點(diǎn)在于每根工字梁長度長、重量大、運(yùn)輸難，且工字鋼之間焊接工作量大，焊接質(zhì)量要求高。涵洞加固施工工期一般為45 d。

4.4 經(jīng)濟(jì)性

a）波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固 主要費(fèi)用包括波紋鋼板材料費(fèi)、波紋鋼板拼裝費(fèi)、混凝土費(fèi)用及后期可能存在的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等，所需費(fèi)用較低。

b）工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固 主要包括工字鋼材料費(fèi)、工字鋼焊接費(fèi)、混凝土費(fèi)用、后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用及交通管制費(fèi)用等，成本較高。

4.5 社會影響

a）波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固 造價低，施工速度快，基本上不影響公路的正常通行；后期養(yǎng)護(hù)工作量小，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低；施工工期短，可有效節(jié)約施工成本；可減少對周邊環(huán)境的修復(fù)費(fèi)用，全部使用鋼材，節(jié)約廢棄費(fèi)用；對涵洞凈空、凈寬影響小，對涵洞人員車輛通行基本無影響。

b）工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固 施工期間需進(jìn)行橋上交通管制，交通壓力大，整個施工工期會對高速公路通行產(chǎn)生一定的影響；涵洞凈空受框架斜撐影響而減小，影響涵洞內(nèi)車輛人員正常通行。

4.6 方案選擇

對比波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固與工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固兩種方案，結(jié)果如表1所示。

表1 加固方案比選

經(jīng)過綜合比選，選用波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固方案。該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：a）與工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固方案比較，能提高既有涵洞的承載能力和剛度，加固后由原涵洞、混凝土與波紋鋼板共同工作；b）波紋鋼板采用現(xiàn)場拼裝施工，施工速度快，可避免大量焊接作業(yè)，保證施工質(zhì)量；c）涵洞加固過程無需對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，加固工期短，造價低，可實(shí)現(xiàn)不中斷交通施工，安全性高，對高速公路交通影響小。

5 結(jié)語

本文針對長邯高速公路K777+612涵洞及其病害進(jìn)行了分析，根據(jù)涵洞承載能力降低、剛度減小等問題，初步確定對涵洞進(jìn)行波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固和工字鋼框架結(jié)構(gòu)加固兩種方案，從結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性、安全性、施工工期及社會影響等方面對兩種方案進(jìn)行了比較分析，最終確定采用波紋鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固方案。該方案不僅能夠有效加固涵洞，同時也避免了對高速公路正常運(yùn)行造成影響，使得涵洞更加安全、可靠，可為同類涵洞加固提供參考。