預制裝配式涵洞的應用綜述

王靜

山西省交通規劃勘察設計院有限公司 山西 太原 030012

常規涵洞多采用濕法作業，該施工方法存在諸多技術問題，質量難以控制，施工工期長，對項目總工期影響大，勞動力成本較高。面對上述問題，有必要改變涵洞的設計和作業思路，采用新型結構。預制裝配式涵洞可以彌補傳統涵洞的缺點，工程質量容易保證，施工速度快，能夠降低工程造價，已成為公路行業的最佳選擇。

1 概述

涵洞作為公路工程的重要組成部分之一，每公里約有3～4道，其結構安全和良好的使用性能是公路及其周邊地區交通順暢的重要保障，也是農田水利以及國防安全的必要需求。

現有涵洞主要采用傳統的現場澆注蓋板涵、箱涵及拱涵。根據我國《公路工程技術標準》規定，采用濕法作業的現澆混凝土涵洞施工，“在填埋式混凝土涵洞施工完工后，必須待其強度達到設計強度的75%后，方可進行路堤填筑施工。”濕法作業影響路堤填筑施工的進度；另外，在路堤填筑夯實過程中，機械碾壓的振動會對未完全形成結構強度的混凝土涵洞造成不良影響，導致其結構受力不優，不能充分發揮混凝土材料受壓的力學性能。濕法作業的現澆混凝土涵洞在工程中的技術問題主要體現在：

1）現場澆筑施工質量較難保證。涵洞現場施工場地位于野外，場地條件復雜多變，而且一般施工單位對涵洞重視程度較低，施工人員專業技能參差不齊，導致涵洞現場澆筑及養護質量較難保證，離散性較大。容易出現的主要質量問題有：

（1）構件尺寸誤差大，鋼筋保護層厚度控制較差，耐久性差。

（2）涵洞工點分布較為零散，單個涵洞混凝土體量較小，施工條件差，野外施工混凝土運輸、澆筑、振搗及養護都將影響涵洞質量。

2）施工工期長，對項目總工期影響大。目前現澆涵洞施工工序一般為：地表清理，地基處理，依次施做涵洞基礎、涵洞，路基填筑，完成施工。涵洞現場澆筑施工工期較長，如果遇到軟土地基，涵洞制約項目工期更加顯著。

3）對環境和安全影響不利。涵洞施工路基開槽的現場條件較差，開槽后，較長時間不能回填，若出現溝底地下水上冒，以及長期下雨，都會造成溝槽垮塌的安全隱患。在現場進行涵洞澆筑施工，也會對環境和安全帶來影響。施工時的噪聲、粉塵也會給周邊居民帶來不便。

4）勞動力成本較高。一直以來，較低的勞動力成本是我國制造業高速發展的重要原因之一，也是推動我國經濟高速增長的主要動力。然而，隨著人口老齡化與經濟全球化的不斷加深，勞動力成本急速上升已成為我國交通、建筑行業發展面臨的重要難題，各工程項目工地現場用人難的問題日益突出。現場澆筑涵洞施工周期長、勞動力需求量大，勞動力成本逐年提高。

面對上述問題，近年來，施工構件工廠化是技術發展已是必然趨勢，是提高工程質量和修建速度、降低成本的主要方法，公路工程預制裝配式作業比例不斷上升。預制裝配式通道、涵洞等結構，強度易于保證，可制作自重輕，結構精巧的高強度混凝土管片，與同類現澆混凝土建筑物相比，節省材料、造價低廉，能夠降低工程造價。現場拼裝簡單、結構拼裝后直接進行回填，回填后便可交付使用，施工速度快適合于工廠化生產、工程質量便于控制，克服了野外施工的種種弊端。盡管預制裝配式涵洞與現澆涵洞比較具有較大優勢，但在現場工程實際中發現，預制裝配式涵洞仍存在以下技術問題：

1）預制裝配式結構改變了原有的結構力學體系，現有的涵洞結構力學分析、設計算方法及各構件連接方式等要點理論支持不夠。

2）接縫較多。接縫位置一般為涵洞施工的薄弱環節，接縫填充材料年久老化后容易造成涵洞漏水、漏砂。除此之外，接縫過多，受施工精度影響，會導致涵洞平整度降低。

3）精度要求高。預制涵洞受運輸、安裝等方面制約，一般需要進行模塊化，模塊化后對預制尺寸及精度要求較高，另一方面，對施工安裝精度也高。

4）運輸、吊裝、安裝要求高。涵洞施工時一般路基未拉通，運輸、吊裝及安裝條件較差。

在行業急需工業化、標準化轉型的背景下，針對上述技術問題，開展預制裝配式通道、涵洞成套技術研究，推廣大型公路工程預制裝配式結構應用，在加快建設資源節約型、環境友好型交通行業，實現經濟效益、社會效益和環境效益的有機統一；在規劃、設計、建設、運營、養護等各個環節集約利用資源、注重優化交通基礎設施結構、運輸裝備結構、運輸組織結構和能源消費結構；在提升行業監管能力和企業組織管理水平，提高交通運輸設施裝備節能環保水平；在提高土地、勞動力等資源利用效率，建成以低消耗、低排放、低污染、高效能、高效率、高效益為主要特征的綠色交通系統等方面，具有重要意義。

圖1 預制裝配式涵洞全貌

圖2 預制裝配式涵洞連接部細部圖

2 國內外研究現狀

目前，現有的涵洞建設很多是在現場澆筑混凝土形成的，需要投入大量的人力、物力和鋼模板，施工成本很高，并且現場澆筑受氣候影響較大，施工質量難以控制。近年來，預制裝配式涵洞開始被廣泛應用于城市涵洞，可實現高質量、模數化、標準化和規模化生產。國內外專家在裝配式涵洞結構受力、搭接強度、地基承載特性及施工技術等方面做了很多研究，并提出了很多有價值的研究成果[1-2]。

預制裝配式涵洞在整體式涵洞基礎上，結合預制安裝技術發展而來，形成了模塊化預制、現場裝配的新式技術。裝配式涵洞因其結構形式的改變，其受力特性與整體式涵洞存在顯著差異，因此現有的涵洞結構力學分析、設計計算方法均要進行改變以適應實際。預制裝配式涵洞最早在歐美等西方國家應用。美國在20世紀70年代末80年代初開始采用預制裝配式箱涵，美國材料與試驗協會提出預制裝配式涵洞設計規范ASTM-C1433，其提供了跨徑×凈高（單位：m）從0.9×0.6至3.3×3.3的全斷面預制裝配式涵洞。我國目前僅有少量地方規范尚缺乏行業規范，沒有明確的裝配式涵洞設計方法。目前，發達國家現代化城市中的地下工程大多都由預制箱涵組成，歐、美、日等經濟發達國家已大量采用預制裝配式混凝土箱涵，并由多家專業化預制裝配式混凝土生產廠家提供相關技術支持，如美國Oldcastle公司、OMEGATM、法國的Matière公司等。然而預制裝配式涵洞在我國發展較晚，雖然已在一些省份開展相關研究，但亟需基于我國預制裝配式涵洞的特點、技術條件等因素形成我國標準化的設計與施工一體化方法[3]。

自交通運輸部2011年印發《高速公路施工標準化活動實施方案》以來，我國各省份相繼開展了裝配式涵洞技術的探索與研究，目前已在在安徽、廣東、山西等省份開展了裝配式涵洞與通道的研究，在內蒙古包茂高速[4]、安徽省徐明高速公路[5]、山西昔榆高速公路[6-9]等得到應用。

圖3 裝配式涵洞鋼筋整體吊裝

通過查閱國內外文獻，可將預制裝配式涵洞的主要研究重點歸納為：預制裝配式涵洞的模塊化、裝配式涵洞構件連接方式、裝配式涵洞受力與變形特性、裝配式涵洞設計方法。然而，現有研究并未給出系統的模塊化、構件連接方式、設計方法的深入分析，多為幾種典型的預制裝配式涵洞的受力與變形特性。此外，裝配式涵洞工程當前已開展的現場監測、室內試驗較少，在理論分析深度上有待挖掘，數值模擬的研究結果需進一步驗證和提高精確性，因而在該領域亟需開展系統性研究。

此外，在探明了涵洞巖土體-地基相互作用下地基豎向承載機理的基礎上，解決了預制裝配式通道的合理模塊劃分方法、設計荷載計算、結構受力與變形特性、施工技術及質量控制指標與標準等方面的相關技術難題。

國內外對預制裝配式涵洞生產技術已具有初步的了解，在實際應用中取得了較好效果，但是目前對裝配式涵洞的設計計算，結構力學分析及各構件連接方式等要點都沒有進行深入的研究，工程實踐也比較少；尤其是預制裝配式涵洞進行系統的分析研究，建立一個成熟和完善的工程技術體系。

山西基于理論分析、現場試驗，綜合實際地形地貌特征、地基承載力等因素，建立了填土、涵洞、地基共同作用計算模型，分析了不同拼接方式的涵洞結構內力與變形特性，提出了預制裝配式通道的合理模塊劃分、設計荷載計算、結構受力與變形特性等方面的設計分析方法。結合昔陽（晉冀界）至榆次高速公路的預制裝配式涵洞工程實際，從測量放樣、基坑開挖、地基處理、墊層澆筑、構建運輸與拼裝、臺背回填等方面提出了適于裝配式涵洞施工的施工工藝及洞身質量控制措施，有效確保了裝配式涵洞施工技術的規范性和可靠性，顯著提高了工程質量。

圖4 山西昔榆高速裝配式涵洞斷面

3 研究意義和應用前景

涵洞的設計與施工工藝對于公路建設成功有著極為重要的影響，而涵洞尺寸、混凝土強度及地基土破壞模式等因素都會直接影響到涵洞質量。研究成果應用于預制裝配式通道建設中，大大減小了傳統現澆涵洞施工中存在的環境污染，更大程度上實現了機械化施工。并且，工廠化的施工減少了傳統涵洞施工中作業期間的安全隱患。研究成果一方面能直接用于指導預制裝配式通道涵洞工程的設計和施工，并科學指導涵洞使用期間的維護與安全保障。另一方面，各種研究改進了預制裝配式通道工程的理論支撐體系，可補充和完善現行技術規范、規程中的設計計算理論與施工技術，對預制裝配式涵洞建設具有極其重要的指導、借鑒意義。

各項研究提出的研究成果，在確保涵洞安全可靠的前提下，加快了施工的進度，縮短了施工工期。采用標準化、規模化、工業化的生產和安裝，生產效率顯著提高，實現了模板高效利用，建立了質量控制體系，可準確評價裝配式涵洞的安全性，有效地提高了裝配式涵洞的建設質量，使涵洞工程的耐久性和使用性能得到進一步的提高。并且，裝配式涵洞可將設計施工一體化，保證在施工各階段能夠同步進行信息化的控制和管理，提高施工效率，同時達到減少人力、財力、工期以及節能環保的目的。