于 博

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

鋼波紋管作為一種柔性結(jié)構(gòu)物，其在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)M向位移進(jìn)行補(bǔ)償，能夠高效發(fā)揮鋼材的抗彎拉性能，具有較強(qiáng)的抵抗變形和抵抗沉降的特性，且在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中具有運(yùn)輸存放方便、施工工藝便捷、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。文中以京昆國(guó)家高速公路太原繞城西北段改線工程案例作為研究對(duì)象，對(duì)其施工工藝、受力特性、造價(jià)、工期等方面進(jìn)行對(duì)比分析探討，發(fā)現(xiàn)用鋼波紋管涵代替?zhèn)鹘y(tǒng)涵洞，有很大的優(yōu)越性，可為鋼波紋管涵在山區(qū)公路建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供實(shí)踐參考。

1 鋼波紋管涵的構(gòu)造及特性

鋼波紋管涵構(gòu)造形式涵蓋混凝土涵洞的所有常規(guī)類型，連接多采用栓接、鉚接和套接形式，公路建設(shè)中采用管涵形式較為常見。其較混凝土涵洞具有變形能力強(qiáng)、地形適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單周期短、對(duì)周邊環(huán)境破壞少更環(huán)保等特性。

2 波紋鋼管（板）涵洞的適用范圍

2.1 適用波紋管的情況

a）一般公路工程 在滿足過水、通行等基本要求的情況下，波紋鋼管（板）結(jié)構(gòu)在受力性能、施工工期、行車舒適性、養(yǎng)護(hù)成本、綜合造價(jià)等方面與同等跨度的傳統(tǒng)鋼筋混凝土涵洞相比具有優(yōu)勢(shì)。

b）不良地質(zhì)條件 膨脹土、軟土等特殊地區(qū)，地基不均勻沉降可能對(duì)剛性涵洞造成破壞時(shí)。

c）高填方路段 采用拱涵、蓋板涵地基承載力不滿足要求、基礎(chǔ)處理費(fèi)用較高時(shí)。

d）山區(qū)公路 鋼筋混凝土涵洞使用的材料如鋼筋、水泥、砂石料、淡水等缺乏的地區(qū)；山區(qū)便道修建較困難的地段、鋼筋混凝土涵洞原材料運(yùn)輸困難時(shí)。

e）快修工程 應(yīng)急搶險(xiǎn)、救災(zāi)等對(duì)工期要求較緊的工程時(shí)。

f）加固工程 舊橋或涵洞有病害，采用內(nèi)套方式加固時(shí)。

2.2 下列情況下一般不建議采用波紋鋼管（板）涵洞

a）長(zhǎng)期（每年2個(gè)月以上）積水的涵洞結(jié)構(gòu)。

b）易于淤塞且與潮濕性材料長(zhǎng)期（每年2個(gè)月以上）接觸的涵洞結(jié)構(gòu)。

c）近?；蛑小?qiáng)腐蝕環(huán)境（pH小于5.5，電阻率小于50 ohm-m）。

3 鋼波紋管應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程背景

京昆國(guó)家高速公路太原繞城西北段改線工程K23+430—K31+720段路線位于黃土丘陵區(qū)，路線跨越多處黃土沖溝，K26+020處地面經(jīng)年累月受雨水侵蝕，形成如掌紋般縱橫捭闔相互交織的復(fù)雜V型沖溝，溝壁陡峭，地表起伏較大，溝底沉積物為淤泥質(zhì)軟土，匯水面積不大，孔徑建議采用1-2 m涵洞，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和內(nèi)業(yè)比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，此處主線填土高度達(dá)30 m，沖溝輾轉(zhuǎn)徘徊，若采取直線布設(shè)，涵洞軸線無法擬合到自然沖溝范圍，對(duì)此處山體破壞巨大，采用傳統(tǒng)的蓋板涵和拱涵難以滿足地形要求，另由于路基填土高，會(huì)造成結(jié)構(gòu)自重過大，增加對(duì)地基承載力的要求，混凝土結(jié)構(gòu)施工期長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，需要的水泥砂石和鋼筋量較大，且地形狹窄，不利于施工。根據(jù)地形地貌地質(zhì)情況，經(jīng)多方案比選，選用直徑為1-2 m的整體鋼波管涵，更適合施工，后期維護(hù)費(fèi)用較低。涵洞立面見圖1。

圖1 涵洞立面布置圖

3.2 鋼波紋管技術(shù)指標(biāo)

該項(xiàng)目所采用的波紋管的主要技術(shù)指標(biāo)有以下幾條：

a）設(shè)計(jì)安全等級(jí) 二級(jí)；

b）設(shè)計(jì)使用年限 100年；

c）設(shè)計(jì)汽車荷載 公路-I級(jí)；

d）地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，抗震設(shè)防烈度為6度；0.1g及以上可參考使用，并需進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)算；

e）填土容重 γ=20kN/m3，填土彈性模量12 MPa；

f）涵洞孔徑 1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m；

g）涵洞交角（涵洞軸線與路線法線之夾角）0°～45°，每5°一級(jí)?？讖?.0 m、6.0 m涵洞最大斜交角度為30°；

h）涵頂填土高度 見表1。

表1 涵洞孔徑及對(duì)應(yīng)的填土高度 m

i）涵洞洞口的類型 跌水井、八字墻＋急流槽；

j）環(huán)境類別 I類。

3.3 主要材料

該鋼波紋管斷面結(jié)構(gòu)尺寸管身采用Q345熱軋鋼板制作。鋼板滿足《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591－2008）和《熱軋鋼板和鋼帶尺寸、外形、重量及允許偏差》（GB/T709－2006）的要求，屈服強(qiáng)度不小于350 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于470 MPa；采用熱浸鍍鋅對(duì)鋼板表面進(jìn)行處理，鍍鋅M20螺栓緊固，密封膠及EVA泡沫板密封。

3.4 涵身主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1 設(shè)計(jì)計(jì)算采用的規(guī)范

參照美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法（AISI法）、美國(guó)規(guī)范《AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，4th Edition》、加拿大規(guī)范 Canadian Highway Bridge Design Code(CAN/CSA-S6-06)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，具體采用規(guī)范和算法如表2。

表2 計(jì)算校核方法及對(duì)應(yīng)跨徑

3.4.2 荷載計(jì)算

a）永久作用 涵頂填土按土柱重理論計(jì)算，容重 γ=20 kN/m3，內(nèi)摩擦角 φ=30°。

b）可變作用 按汽車荷載公路-I級(jí)計(jì)算，不考慮涵洞頂土柱和周圍填土的摩擦力，考慮車道折減，采用角度分布法計(jì)算，半無限彈性體理論核算。

c）偶然作用 地震作用按加拿大規(guī)范計(jì)算時(shí)，僅取地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g；大于0.05g時(shí)需另行計(jì)算。

3.5 構(gòu)造措施和方法

為了保證管體的整體性、強(qiáng)度、密封性及后期維護(hù)的便捷性，管體拼裝完成后的周向接縫及軸向接縫數(shù)量以最少為原則。

3.5.1 涵底縱坡

涵底縱坡不大于5%。涵洞根據(jù)填土高度和地基情況設(shè)預(yù)拋高；涵洞預(yù)拋高峰值放在與路線中心交點(diǎn)處，往涵洞兩端按二次拋物線過渡，預(yù)拋值需根據(jù)變形計(jì)算擬定。地基沉降較大時(shí)，應(yīng)采用反開挖工藝施工涵洞。

原地面高差較大采用在進(jìn)水口設(shè)置跌水井、出水口設(shè)置急流槽的方式，以降低涵洞流水面坡度。

3.5.2 涵洞預(yù)變形

涵洞頂部填土按規(guī)范完成后，豎直方向產(chǎn)生向下的壓力，涵洞會(huì)出現(xiàn)向兩側(cè)突出，從而引起閉合結(jié)構(gòu)從“圓”變?yōu)椤八綑E圓”的趨勢(shì)[1]；該問題可以采用通過在圓管中心張拉水平拉桿強(qiáng)迫波紋鋼管周向預(yù)變形約1%～2%（具體通過計(jì)算確定）的方法解決。

3.5.3 連接件

整體式波紋管的連接法蘭采用角鋼、鋼板制作。采用性能指標(biāo)符合《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》（GB/T 1231—2006）要求的高強(qiáng)度熱鍍鋅六角螺栓、螺母和墊圈來進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配。墊片和緊固件相匹配。墊片一面是平面，一面為曲面，注意墊片形狀與波紋鋼管（板）的弧形匹配。

3.5.4 密封材料

采用耐久性較好的密封材料；可選用橡膠墊片,應(yīng)滿足《管法蘭用非金屬平墊片技術(shù)條件》（GB/T 9129—2003）規(guī)范的要求；也可選用硅酮耐候密封膠，應(yīng)滿足《硅酮建筑密封膠》（GB/T 14683—2003）規(guī)范的要求。

3.6 耐久性設(shè)計(jì)

3.6.1 金屬構(gòu)件防腐體系（見表3）

表3 金屬構(gòu)件防腐體系一覽表

3.6.2 熱浸鍍鋅

螺栓、螺母、法蘭等熱浸鍍鋅量不小于600 g/m2。

波紋鋼管（板）內(nèi)、外表面均需進(jìn)行熱浸鍍鋅，鍍鋅層（單面）的平均厚度大于84μm，鍍鋅量（單面）不小于600 g/m2。

熱浸鍍鋅采用GB/T 470規(guī)定的1號(hào)或0號(hào)鋅，鋼板表面處理的最低等級(jí)為Sa2.5。

3.6.3 瀝青涂層

波紋鋼管（板）現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢后，在管道外壁及螺栓周邊均勻噴涂瀝青漆或乳化瀝青兩道，涂層厚度不小于0.5 mm。涂層應(yīng)均勻光滑、連續(xù)，無肉眼可分辨的空隙、裂縫、脫皮及其他缺陷。瀝青晾干后方可施工臺(tái)背回填。瀝青涂層應(yīng)滿足《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》（JT/T 722—2008）規(guī)范的要求。

3.7 基礎(chǔ)施工和涵身回填

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為兩層的結(jié)構(gòu)形式，下層為要求高度壓實(shí)的礫石、碎石，以提供地基承載力；上層松鋪粗砂，以保證波紋鋼管（板）與基礎(chǔ)密貼，起到弱化基礎(chǔ)剛度以減載的目的。上層基礎(chǔ)（過渡層）材料的粒徑不得大于12 mm且不得大于波紋鋼管（板）波峰、波谷曲率半徑的1/3。結(jié)構(gòu)性回填區(qū)的填土結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)性回填區(qū)的填土結(jié)構(gòu)

施工安裝注意基礎(chǔ)放樣時(shí)應(yīng)在涵底砂礫基礎(chǔ)頂部沿涵洞軸線設(shè)一定的預(yù)拱度，一般在0.6%～1.0%之間。波紋管涵洞安裝完畢后，應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后，再次進(jìn)行熱涂瀝青防腐處理，防腐措施驗(yàn)收合格后，管身兩側(cè)土方回填嚴(yán)格按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》完成。

3.8 設(shè)計(jì)成果及造價(jià)對(duì)比

本涵位于彎曲的沖溝內(nèi)，根據(jù)所處溝內(nèi)地形，將波紋管進(jìn)行了兩次角度的變換。見圖3。經(jīng)拐彎設(shè)計(jì)后減少了開挖，節(jié)約了造價(jià)。

圖3 平面設(shè)計(jì)圖

經(jīng)過測(cè)算在同等滿足凈空要求的條件下，1-2 m混凝土蓋板涵每延米約17 000元左右，鋼波紋管每延米8 000元，蓋板涵造價(jià)是鋼波紋管涵的2倍，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

通過本次對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，波紋管除在特殊環(huán)境（中、強(qiáng)腐蝕環(huán)境）外，其顯著的優(yōu)越性成為行業(yè)中倍受歡迎的涵洞類型。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

a）從涵洞軸線的布設(shè)考慮，鋼波紋管涵能最大幅度地依山形地勢(shì)布置，不破壞就是最大的保護(hù)，減少對(duì)周邊山體的擾動(dòng)，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)對(duì)路基整體質(zhì)量的提升提供了保障。

b）出于材質(zhì)方面考慮，鋼波紋管涵較普通混凝土蓋板涵抗變形能力更好，且承載力要求不高，降低了施工單位地基處理難度。

c）從安裝施工上考慮，剛波紋管管節(jié)均是工廠統(tǒng)一設(shè)計(jì)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，拼裝施工簡(jiǎn)單，節(jié)約勞動(dòng)力，大幅縮減施工周期。