高填路基中裝配式波紋鋼箱拱型涵洞施工技術研究

尹云廳,盛興富,李 維,彭俊文,站福軍

（1.四川交投設計咨詢研究院有限責任公司,四川 成都 610041; 2.南京聯眾工程技術有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

目前，公路通道、箱涵以及中小橋梁工程，大部分是由鋼筋混凝土制成，但存在鋼筋混凝土結構造價很高，現澆施工養護周期長，預制結構接縫多，接縫密封困難，在使用過程中易開裂、漏水，維護成本高，工程水泥、砂石用量大，不利于環保等問題，不符合國家現在積極倡導的綠色建筑和裝配式建筑政策[1]。

傳統的分片搭接結構的圓形截面波紋鋼管，在歐美國家已有百余年的悠久歷史和成功應用案例。該結構是一種典型的柔性結構，通過波紋鋼薄壁與土壤的相互作用，將結構上部的荷載分散到周圍的土體上，以承受較大的活載和較高的填土[2]。

在國內，關于傳統的分片搭接結構的圓形截面波紋鋼管，進入21 世紀后，才逐步展開了公路波紋鋼結構的理論和試驗研究，并發布了相關的產品標準。然而，國內基本上都參照加拿大規范，并根據設計單位和制造商對這種結構的認識和經驗進行設計和施工。由于傳統的分片搭接結構的圓形截面波紋鋼管漏水問題，自身結構問題，無法預變形問題，圓形截面內部空間利用限制問題，局部螺栓無法安裝問題，回填管理盲區問題以及市場管理問題[3]。在實際應用中，出現了很多嚴重問題，致使多個省份禁用，嚴重制約了該類產品大規模的推廣和使用。

該文介紹了一種新型的裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結構構造以及施工要點，希望可為實際工程應用提供一種新型選材參考。

1 波紋鋼箱拱型涵洞概述

1.1 波紋鋼箱拱型涵洞發展簡況

波紋鋼埋置式結構在歐美國家已有百余年的歷史和成功應用案例，是一種典型的半柔性結構，通過波紋鋼結構與周圍土壤的相互作用（土結共同受力原理），以承受較大的活載和較高的覆土[4]。

波紋鋼箱拱型涵（隧道式）結構，是在舊式結構的圓形、拱型（馬蹄形）、大半圓形等多種開口截面與閉口截面結構的波紋鋼管涵洞及通道基礎上，優化升級換代的結構及技術[5]，解決了舊式結構在變形、漏水、耐久性等方面的缺陷，箱拱涵斷面發展變遷見圖1。

圖1 箱拱涵發展變遷圖

波紋鋼箱拱涵（隧道式）結構具有矩形結構物斷面的凈空空間優勢，也具有圓形地下結構的受力性能優勢，高跨比可變，可用于高跨比較小的大型通道，也可用于高跨比較大的綜合管廊，多連孔結構可替代中小型橋梁。

1.2 傳統的分片搭接波紋鋼管涵的問題

（1）傳統的分片搭接結構的圓形截面波紋鋼管在防水密封方法上存在兩個技術難題或者說技術缺陷：①產品的連接方式都是搭接，搭接縫太多，很難密封。并且，搭接縫中間不能設止水墊片，否則會嚴重影響裝配。②螺栓孔全部為貫穿管壁的，幾乎無法有效密封。

（2）傳統的分片搭接結構的圓形截面波紋鋼管對兩側楔形部位回填的密實度依賴性大，但相當多的工程密實度達不到設計要求，且楔形部位回填密實時，管體滾動及上浮難以控制。楔形部位的回填非常重要，且是關鍵性工序，但充填的施工操作非常難，至今沒有合適的施工方法。

（3）傳統的分片搭接結構的圓形截面波紋鋼管作為行車或人行通道時，其圓形斷面凈空利用率低，通行空間受限，很難用于跨度大于6 m 的通道及暗板橋。

（4）傳統的分片搭接結構的圓形截面波紋鋼管安裝時，螺栓需要從管內穿向管外，螺母在管外擰緊，但底部螺栓的管外是地基，無操作空間[6]。

1.3 裝配式波紋鋼箱拱涵洞性能優勢

（1）裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結構下部及標準節段之間的連接，采用法蘭對接連接型式（螺栓不貫穿結構體內外），非傳統板片搭接連接型式（螺栓貫穿結構體內外），再通過布設密封墊、防水布及防水涂料等多重密封方式，用以解決傳統圓形截面波紋鋼管結構漏水問題。

（2）裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結構底部充填流態自密實水泥固化土，用以解決傳統圓形截面下部楔形關鍵部位回填密實度不達標問題。

（3）裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結構截面為箱拱型斷面型式，通道內部凈空間利用率及通行凈寬與凈高得以提高，具有矩形結構物斷面的凈空空間優勢。

（4）裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結構可以根據跨度和填土高度及回填介質情況，在產品制造時設置預變形量。

2 工程項目應用

四川成綿高速公路土建2 標施工范圍為K55+000~K66+100，全長11.1 km，其中高速范圍內共有橋梁17 座，包括大橋11 座，中橋6 座；涵洞32 道，通道47 道。其中15 道為鋼波紋管涵，涵洞孔徑為2~6 m，管頂填土高度為1~45 m。其中K57+415 通道采用1-4×4 m 波紋鋼箱拱型通道，如圖2 所示。該路段部分地形較為復雜，溝壑縱橫，高填深挖較多，傳統的蓋板涵受覆土高度限制，不適合該項目高填路基段采用，而鋼筋混凝拱涵對施工要求高、后期病害多已基本不再使用。

圖2 1-4×4 m 裝配式波紋鋼箱拱型通道

對高填通道可供選擇的結構形式有傳統的圓形波紋鋼管涵（涵底水泥土鋪平）、新型裝配式波紋鋼箱拱涵（隧道式）涵洞。通過以上結構形式對比分析，本著標準化、裝配化原則，該項目涵洞選型原則如下：

（1）過水涵洞選用增加塑料陶瓷層的波紋鋼箱拱涵（隧道式）。

（2）低填土路基段，受箱拱涵凈高要求，不宜采用箱拱涵，采用蓋板涵。

（3）填土不受控地段的通道均采用裝配式波紋鋼箱拱涵（隧道式）。

3 裝配式波紋鋼箱拱涵施工要點

3.1 基礎施工

根據設計圖紙，施工單位放線測量員給出起始樁號線與中心軸線方向標記。澆筑墊層前（施工單位基坑開挖深度按圖保質完成），布置墊層內施工抗浮拉筋，澆筑流態固化水泥土至設計標高，保證墊層表面平整度。

3.2 波紋鋼箱拱涵主體結構施工

施工順序為底板安裝→側板安裝→頂板安裝→節間拼接→底板與墊層間空隙流態固化水泥土澆筑→行車及排水通道設置→洞口施工。

（1）底板吊裝：①吊裝時做好防護措施，起吊和平移應緩慢。將底板豎直下吊至墊層。②底板下部兩側調平塊下放置磚塊（MU30）墊平，前后側中心位置下放置磚或木板微調高差，底板吊裝放置于磚塊上，通過激光水平儀測量底板標高及底板兩端節間連接法蘭孔中心與軸向中心線對齊。③在底板與波紋法蘭連接面位置鋪設密封墊。

（2）側板吊裝：①豎直吊起側板，側板上焊接的波紋式法蘭面直接對接底板。②通道側板與底板用M24 螺栓固定（螺栓初擰）。③側板與底板夾角處設置支撐，支撐上螺栓孔與側板、底板端部螺栓孔栓接防止傾倒。

（3）頂板吊裝：①頂板下吊方式與底板一致，只需注意板片拱向與底板相反。通道頂板與側板用M24 螺栓固定（螺母在通道內側且螺栓初擰）。螺栓未初擰前禁止松開吊索，確保吊裝安全。②拆除兩端頭支撐，組裝完成后進行外形校正，校正完畢后，所有縱向螺栓終擰。③通道用“八”字型或“火”字型拉索定型，拉索在施工回填至頂部填土＞0.5 m 時拆除。④在單節通道螺栓全部擰緊后，在通道外側螺栓、螺柱孔及通道外側頂板分片搭接縫、頂板與側板搭接縫處使用自粘塑料貼膜密封（防水層寬出搭接縫5 cm）；然后在底板外側焊接施工抗浮拉筋，墊層拉筋與對應位置的底板上預焊的焊釘對焊。

（4）節間拼接：①鋪設環向密封墊，環向密封墊鋪設成密閉整環。②按上述步驟3~6 依次完成第二節、第三節……拼裝，節間環向螺栓擰緊。

（5）底板與墊層間空隙流態固化水泥土澆筑：待通道安裝完成后在通道外部做淋水實驗，找出漏點且補漏合格后方可實施底部填充等后續工序。按設計要求立模并控制模板邊界，澆筑流態固化水泥土，待流態固化水泥土與底板外側完全密實即可。

3.3 回填工程

通道兩側及頂部回填前，應清除回填區植被、有機土壤、松散沉積物和粒徑大于80 mm 的卵礫石；結構性回填應分層水平對稱填筑，壓實厚度不得超過20 cm。填筑應在通道兩側同時進行，兩側高差不得大于20 cm，并嚴密監測通道變形。壓實度應滿足相關設計要求，且壓實度應不小于96%。

底板外側楔形部位的填料應與結構緊密壓實，根據不同覆土高度采用流態固化水泥土和C30 混凝土填充。

4 施工注意事項

4.1 密封設計

（1）該結構防水設計應綜合考慮氣候條件、水文地質狀況、結構特點、施工方法和使用條件等因素，并滿足結構的安全、耐久性和使用要求。

（2）結構現場拼接的連接縫，頂板與側板采用自身板片搭接螺栓擰緊后，在通道外側螺栓、螺柱孔及通道外側頂板與側板的接縫處使用自粘塑料貼膜密封（防水層寬出搭接縫5 cm）。

（3）側板與底板之間和節與節之間利用螺栓和法蘭壓緊橡膠密封墊的密封方式。

（4）通道角部縱向接縫與節間環向接縫的交叉點的通道外部底板上最鄰近波槽的外端設置堵板，向波槽內澆筑非固化橡膠瀝青防水材料，其液面應高于上述交叉點。

4.2 耐久性設計

熱浸鍍鋅防腐方式適合于合國家標準《巖土工程勘察規范》（GB 50021）的規定微腐蝕、弱腐蝕和中等防腐等級。

低合金高強度結構鋼的波紋鋼結構墻板以及高強度螺栓、螺母、墊塊等，出廠前宜進行熱浸鍍鋅防腐處理；熱浸鍍鋅所用的鋅應為GB/T 470 規定的1 號鋅或0 號鋅，鋼表面處理的最低等級為Sa2.5，熱浸鍍鋅防腐設計除應符合國家標準《金屬覆蓋層 鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術要求及實驗方法》（GB/T 13912）的規定，尚應符合表1的規定。

表1 熱浸鍍鋅質量要求

5 施工驗收要點

5.1 一般規定

裝配式波紋鋼箱拱型通道主體結構分部工程質量應符合下列規定：①各分項工程質量均應符合合格質量標準。②質量控制資料和文件應完整。③有關安全及功能的檢驗和見證檢測結果應符合合格質量標準的要求。④有關觀感質量應符合合格質量標準的要求。

5.2 基礎工程驗收

裝配式波紋鋼箱拱型通道基礎處理應密實、無積水，地基承載力、壓實度、縱斷高程、軸線偏位以及寬度的檢查數量、檢查方法以及允許偏差應滿足表2 的要求，其中地基承載力、壓實度、縱斷面高程以及軸線偏位為主控項目，其他為一般項目。

表2 裝配式波形鋼箱拱型通道基礎檢查項目及要求

5.3 結構拼裝工程

裝配式波紋鋼箱拱型通道安裝外觀質量驗收標準應符合下列要求：①裝配式波紋鋼箱拱型通道整體順直、無彎曲。②管壁不得有裂紋、凹陷、鼓包、劃痕等缺陷。③法蘭連接嚴密、平整。④涂層應無漏涂，且表面光滑、連續、均勻，無肉眼可見的空隙、裂縫、脫皮、破損等缺陷。⑤管壁無污染。裝配式波紋鋼箱拱型通道尺寸及其允許偏差應符合表3~5 的規定，其中軸線偏位、結構底高程、結構水平向、結構鉛垂向以及螺栓擰緊力矩為主控項目，其他為一般項目。

表3 裝配式波形鋼箱拱型通道結構尺寸及允許偏差

表4 裝配式波形鋼箱拱型通道法蘭連接螺栓擰緊力矩

表5 裝配式波形鋼箱拱型通道搭接連接螺栓擰緊力矩

5.4 防水工程

裝配式波紋鋼箱拱型通道密封材料的性能指標應符合本規程和現行國家標準《城市綜合管廊工程技術規范》（GB50838）的有關規定。密封檢查及其允許偏差應符合表6 的規定，其中縱向拼接間隙、節間拼接間隙為主控項目，其他為一般項目。

表6 密封檢查項目及允許偏差

5.5 防腐工程

裝配式波紋鋼箱拱型通道防腐工程檢查項目及允許偏差應符合表7 的規定，其中鍍鋅層厚度是主控項目，其他為一般項目。

表7 防腐工程檢查項目及允許偏差

5.6 回填工程

裝配式波紋鋼箱拱型通道基槽回填每層填料無超設計要求的粒徑，每層碾壓應平整、密實。回填檢查項目及允許偏差應符合表8 的規定，其中密實度、最小覆土厚度為主控項目，其他為一般項目。

表8 回填工程檢查項目及允許偏差

6 結語

鋼結構具有良好的延性，抗拉、抗壓、抗剪強度高，結構構件自重輕，裝配化施工速度快。裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結構就是一種典型的鋼結構應用，在功能上能解決傳統圓形截面的波紋鋼管的變形、漏水等問題。波紋鋼箱拱型通道結構內部凈空利用率高，裝配式施工工期短，經濟性好，應用前景廣闊，特別在高填方路段相較鋼筋混凝土結構具有明顯經濟優勢[7]。可通過在部分項目上建設樣品工程，現場實驗結合理論研究完成相關參數及標準體系的建設，逐步擴大綠色裝配鋼結構的應用范圍。