波紋管涵在公路設計和施工中的應用分析★

王小元，蒙圣榮，陶有睿，諶世榮，熊戰銘，王佳男，劉衛東

(1.廣西城市職業大學,廣西 扶綏 532199;2.江蘇省公共工程建設中心有限公司,江蘇 南京 210009; 3.中建四局廣西分公司,廣西 南寧 530201)

0 引言

涵洞作為高速公路中的排水設施,在高速公路中是必不可少的。目前在高速公路中常見的涵洞結構有鋼筋混凝土蓋板涵、鋼筋混凝土箱涵、圓管涵、拱涵等。涵洞在運行過程中,由于不均勻沉降等原因容易造成涵洞出現裂縫影響其使用性。西南地區屬于喀斯特地貌,地質條件比較復雜,混凝土結構的涵洞容易出現滲水、不均勻沉降造成開裂等病害。由于鋼筋混凝土工后沉降大、工期長、投資大,為了降低工后沉降,縮短工期,節省投資非常有必要尋求其他涵洞形式[1]。而金屬波紋管作為一種新型材料,在建筑中使用越來越普遍,因此在高速公路涵洞中也非常有必要對其進行研究分析。

1 金屬波紋管涵的優點與設計要點

金屬波紋管涵作為一種新的材料,目前已在很多地質地形情況下應用,并取得了良好的經濟與社會效益,也逐漸為交通業內人士認可并推薦,它的諸多優點被建設者們青睞,在各等級新建項目及舊橋涵加固中發揮著它的專長,隨著波紋管涵的廣泛使用,國內先后制定了交通部行業推薦性標準《公路涵洞設計規范》及《公路橋涵用波形鋼板》,波紋管涵在公路中使用已有法可依。

金屬波紋管涵采用波紋狀結構,使其具有較高的強度和剛度,能夠承受較大的壓力和變形。同時,波紋狀結構還能夠提高管涵的耐久性和抗疲勞性能,使其能夠在惡劣的環境條件下長期使用。金屬波紋管涵的主要材料是鋼材,包括碳鋼、低合金鋼和不銹鋼等。根據不同的使用環境和腐蝕要求,可以選擇不同材質的鋼材。同時,為了提高管涵的耐久性和抗腐蝕性能,還可以在鋼材表面進行鍍鋅、噴塑等處理。金屬波紋管涵的制造工藝主要包括鋼材剪裁、成型、焊接和防腐處理等環節。其中,成型和焊接是關鍵環節,需要采用先進的設備和工藝技術,以保證管涵的結構穩定性和密封性[2]。

金屬波紋管涵是一種新型的排水設施,具有優良的結構特點、材料選擇、制造工藝、安裝方式和使用效果。它能夠有效地解決排水問題,提高道路的使用性能和壽命,是現代化城市建設中不可或缺的一部分。金屬波紋管越來越多地應用于高速公路的修建,從設計到施工都形成了一套比較完善的體系。尤其在一些匝道上,波紋管涵由于其施工工期快、受力性能好等特點被廣泛使用。

1.1 金屬波紋管涵的優點

大量的工程案例表明,金屬波紋管具有以下優點:

1)承載能力強。金屬波紋管涵由高強度的金屬材料制成,能夠承受較大的荷載,包括地震、車輛和水壓等。由于其獨特的波紋結構,使用其比同口徑的水泥管耐壓強度大15倍以上。

2)造價低。金屬波紋管涵相比于常規圬工構造物造價節省約10%～30%,經濟性更好,綜合效益更高。

3)良好的耐腐蝕性能。金屬波紋管涵具有較高的耐腐蝕性能,能夠抵御水、土壤和化學物質等對結構的侵蝕,從而延長使用壽命。

4)綠色環保。金屬波紋管涵使用的材料為金屬,通常是鋼材或鋁合金,這些材料可回收再利用,減少了對環境的破壞,與傳統的混凝土涵洞相比,金屬波紋管涵不需要使用大量的水泥、沙子、石子等資源,從而節約了資源。

5)適應性強。金屬波紋管涵可以根據需要進行定制,適應不同的地形和環境要求,具有較高的適應性。在南方地區地下水多帶有不同程度的腐蝕性,同時山嶺重丘地區地表水流湍急、季節性降雨沖刷嚴重的情況下也適用。

6)高度可靠。金屬波紋管涵由金屬板卷曲成波紋狀,結構穩定可靠,能夠保證通道的安全性和穩定性。

7)工期短。相比傳統的混凝土涵洞結構,金屬波紋管涵連接采用法蘭盤對接加螺栓固定,工藝簡單,操作便捷,因此金屬波紋管涵具有施工周期短、安裝方便的特點,可以減少施工時間和成本[3]。

總而言之,金屬波紋管涵具有承載能力強、耐腐蝕、靈活連接、適應性強、高度可靠以及快速安裝等優勢,因此在工程中得到廣泛應用。

1.2 金屬波紋管涵設計要點

1.2.1 金屬波紋管涵使用的范圍

1)一般公路建設:在滿足水通道、通道等基本要求的情況下,波紋鋼管結構在電壓性能、施工時間、維護成本和綜合成本等方面均優于同跨傳統鋼筋混凝土通道。

2)山路:鋼筋、水泥、沙子和礫石以及淡水等鋼筋混凝土連接材料缺失的地區;當難以在山區修建進場道路或運輸鋼筋混凝土連接的原材料時。

3)搶修項目:搶險、救災等工期要求較緊的項目。

4)不利的地質條件:在特殊地區,如延伸土壤和軟土,不均勻的地基沉積會對剛性錨造成損壞[4]。

5)高填土線段:當弧形噴嘴和天花板噴嘴的地基承載力不滿足要求,地基處理成本較高時。

1.2.2 不建議采用波紋鋼管涵洞的情況

1)長水季度結構(每年超過兩個月)。

2)在地面上維護并與自由材料長期接觸的管道結構(每年超過兩個月)。

3)不穩定或中度至強腐蝕性環境(pH值小于5.5,電阻小于50 mm)。

4)地震活躍區:在地震活躍區,金屬波紋管涵可能會因為地震而受到損壞,從而影響其使用效果。

1.2.3 高速公路中常用的孔徑及填土高度

波紋管涵洞孔徑常用:1.5 m,2.0 m,2.5 m,3.0 m,4.0 m,5.0 m,6.0 m,不同的孔徑對應不同的填土高度,如表1所示。

表1 涵洞填土高度

1.2.4 涵洞洞口形式

涵洞洞口的類型:平頭式(見圖1)、半削竹式、削竹式、一字墻(見圖2)、八字墻,具體設計根據地形、地質、水文條件及景觀要求選用[5]。

1.2.5 工程質量檢驗評定標準

實測項目及要求如下:管涵軸線偏位偏差小于20 mm,采用經緯儀測量;管涵內底高程偏差在±10 mm之內,采用RTK檢測, 回填前管涵內徑偏差在±1%之內,采用尺量;回填后變形(管涵內徑)偏差在±2%之內,采用尺量。

2 金屬波紋管涵在高速公路中的應用實例分析

以貴州高速公路為例,分析金屬波紋管在高速公路中的實際應用狀況。

整個路線全長為104.400 km,等級為高速公路,設計的時速為80 km/h,雙向四車道,路基寬度為25.5 m(整體式),路基寬度為2×12.75 m(分離式)。項目地處云貴高原北部向四川盆地過渡的斜坡地帶,屬大婁山系堯龍山脈,山脈呈北東—南西走向,與地層走向基本一致。路線經過范圍內地勢總體南東高、北西低。地貌類型為喀斯特地貌,地下水豐富,巖溶較多。通過詳細勘察工程地質調繪,場區未發現明顯的大型斷裂通過[6]。

2.1 金屬波紋管涵在設計中的應用分析

以主線K81+870處涵洞為例,原設計方案為1-3.0 m×3.0 m鋼筋混凝土蓋板涵,填土高度10.95 m,涵洞全長82.32 m,如圖3所示。

為了節省投資,縮短工期,最后經過變更后采用1-3.5 m金屬波紋管涵,壁厚3.5 mm,涵長53 m,填土高度3.99 m,如圖4所示。

活載計算理論:采用角分布法和半無限彈性體理論計算。

經過比較最終節省投資將近30萬元,工期縮短5 d。

金屬波紋管涵與鋼筋混凝土蓋板涵每延米綜合造價對比如表2所示。

通過上面的分析可以得到如下結論:

1)孔徑小于5.5 m金屬波紋管涵工程造價低于鋼筋混凝土蓋板涵。建議小孔徑涵洞采用金屬波紋管涵。

2)孔徑不小于5.5 m金屬波紋管涵工程造價高于鋼筋混凝土蓋板涵。大孔徑通道和涵洞維持鋼筋混凝土蓋板涵。

3)貴州高速公路主線涵洞共設置33處排水涵,采用金屬波紋管涵可節約工程造價約480萬元。

表2 金屬波紋管涵與鋼筋混凝土蓋板涵每延米綜合造價對比表

2.2 金屬波紋管涵在施工中的應用分析

2.2.1 基礎部分

1)基坑開挖寬度應為擬用金屬波紋管寬度的3倍。如果場地太小而無法使用,則應確保跨度上至少有一個1.5 m或以上的工作空間。這不僅便于安裝,而且有利于金屬波紋管銷釘周圍的填充和壓實。

2)基礎應保持整個金屬波紋管銷釘的均勻承載能力。為了避免軟弱地基和巖石地基的交叉,如果不可避免,軟弱地基應使用優質砂礫石壓實,巖石地基應在開挖后更換為厚度至少為30 cm的砂礫石,以盡可能減少整個傳力桿的沉降,如圖5所示。

3)鋪設波紋管的管體應留有弧度。其尺寸一般為管道長度的0.3%～1%,這取決于基礎底板可能的沉降、傳力桿底板的縱向和填充高度等因素。最大不應大于2%,以確保管道中間沒有凹陷或滑坡。

4)基礎表面應平整、堅實,無雜物和浮土,以便在現場安裝波紋管。

5)基礎整平夯實后方可在現場安裝波紋管,管壁與基礎之間禁止出現不密實現象。

2.2.2 頂部和兩側回填

1)兩側土方回填應平衡進行,每層壓實厚度不大于20 cm,用小型夯實機械夯實。回填土應采用合適的材料,如砂土、砂礫等,以確保回填質量和穩定性。

2)金屬波紋管涵兩側及頂部的回填密實度應達到95%以上,以確保結構的穩定性和防止水分的滲透。在回填過程中,應采取措施防止對波紋管涵造成損壞或變形。

3)金屬波紋管涵兩側及頂部的回填高度應符合設計要求,一般應高于波紋管涵頂部10 cm以上,以確保波紋管涵的安全使用。在回填過程中,應使用小型夯實機械進行分層夯實,并注意防止對波紋管涵造成損壞。

4)金屬波紋管涵兩側及頂部的回填坡度應符合設計要求,一般應采用1∶1.5～1∶2的坡度。在回填過程中,應保證回填材料的穩定性,防止出現滑坡等現象。

5)金屬波紋管涵兩側及頂部的回填完成后,應對其進行沉降觀測。觀測應持續至沉降穩定后至少7 d,并記錄每次觀測的數據。如果觀測到沉降量過大或出現不均勻沉降等現象,應及時采取措施進行處理,以確保波紋管涵的安全使用。

2.2.3 金屬波紋管的技術和安裝要求

1)金屬波紋管施工的工藝流程如下:施工前準備→施工放樣→平整場地→基礎分層回填→檢測壓實度、含水量等→施工放樣→拼裝管節(板片)→檢測泌水情況及管底縱坡→檢測并涂刷防腐涂層→涵管就位→兩側分層回填→檢測壓實度、含水量等→管頂分層回填→檢測壓實度、含水量等→進出口處理。

2)在安裝金屬波紋管之前,必須了解產品的規格和相關標準。金屬波紋管的規格包括管徑、波高、波距、壁厚等參數,這些參數將直接影響安裝和使用效果。因此,在安裝前應認真閱讀產品說明書,了解產品的各項技術參數和要求。

3)沿通道軸向的周向變形(沉降)縫的距離為4 m～6 m,通常沿通道周向布置在混凝土防沖層區域。變形(沉降)縫的寬度為5 mm～10 mm。變形縫沿傳力桿周向旋轉方向的間距為1 m～2 m,通常沿傳力銷軸線布置在混凝土防沖層框架內。變形(沉降)縫的寬度為5 mm～10 mm。變形(沉降)縫必須用材料填充[7]。

4)金屬波紋管的密封性對其使用效果和使用壽命具有重要影響。因此,在安裝過程中應確保金屬波紋管的密封性。應使用密封材料對連接處進行密封處理,并確保密封材料符合要求且完好無損。同時,應注意在安裝過程中避免劃傷或撞擊金屬波紋管,以免影響其密封性能。

2.2.4 銷釘

1)金屬波紋管涵銷釘的連接方式應牢固、可靠,并能夠適應各種環境條件。常用的連接方式包括焊接、螺栓連接和膠接等。其中,焊接連接具有較高的強度和耐久性,適用于需要承受較大載荷的場合;螺栓連接則具有較好的可拆卸性和可靠性,適用于需要經常維護和更換的場合。2)當密封尺寸與頂部和底部的螺栓和螺母相匹配時,根據波紋鋼板的波形將其加工成弧形表面。3)金屬波紋管涵銷釘的安裝應簡單、方便、快捷,并能夠保證其安裝精度和使用性能。在安裝過程中,應根據設計要求進行定位和固定,以確保金屬波紋管涵銷釘的位置準確無誤;同時應采用正確的連接方式和緊固方法,避免應力集中或松動現象的發生,如圖6所示。

2.2.5 接頭防滲漏

1)抗滲試驗:涵管灌水或水灰質量比為0.5的水泥漿30 min無漏水、漏漿[8]。2)抗彎試驗:金屬波紋涵管彎曲度為曲率半徑的30d時,無漏水、漏漿。3)鋼波紋管通道外圈對接設計完成,螺栓質量及螺栓設計符合要求后,進行封閉施工。管道通道用密封材料密封,以防止波紋板漏水等問題。密封材料根據環境條件選擇,以確保材料的緊密性和彈性。4)當連接多個金屬波紋管時,除了使用高強度緊固螺釘密封管道連接之間的間隙外,還應使用密封劑。連接完成后,應在管道連接的內側和外側噴灑兩次乳化瀝青。5)施工時注意管節接頭處的密封,以確保防水。密封材料可選用橡膠墊片,也可選用硅酮耐候密封膠,如圖7所示。

2.2.6 金屬波紋管涵施工要點分析

金屬波紋管涵施工過程中要重點把握以下施工要點:1)在設置基礎時,應該設置預拱度,預拱度一般在0.4%～1.1%之間。2)波紋管涵的安裝:首先,需要在施工現場進行測量,并將基礎按照設計要求進行施工;然后,根據設計圖紙進行波紋管的拼裝和安裝;最后,確保波紋管的連接牢固,邊緣密封良好。3)施工過程中需要注意環境保護,避免對周圍生態環境造成影響。4)進行波紋管與其他配件的連接操作,如對焊、螺紋連接等,確保其牢固性和密封性。5)在防水處理過程中,應注意保護好波紋管和其他配件,避免損傷或變形。同時應注意檢查防水質量和密封性能,確保防水效果良好。

3 結語

通過對比分析鋼筋混凝土涵和金屬波紋管涵在高速公路中的實際應用,可以得到如下結論:

1)金屬波紋管涵能節省投資、縮短工期。在小孔徑時,金屬波紋管涵與鋼筋混凝土結構項目相比,在成本、工期等方面具有較大的優勢,可用于高速公路的新、改、建等設計和施工項目,尤其在高速公路的連接線,匝道位置使用波紋管涵更加具有優勢。2)金屬波紋管涵安裝更便捷。金屬波紋管涵采用裝配式施工工藝,標準化生產,也更適用于未來智能建造的大趨勢。金屬波紋管涵的安裝方式比較簡單,可以采用人工或機械安裝。在安裝過程中,需要注意管涵的方向和位置,保證其與基礎密貼,避免出現滲漏現象。同時,在安裝過程中還需要進行支撐和固定,以防止管涵移位或變形。3)金屬波紋管涵更環保。從環保上來說,金屬波紋管涵減少了混凝土用量,對環境保護也是大有裨益。