黃明溪，李自坤，李連生，高 翔

(廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450)

0 引 言

截至2018年底，中國高速公路總里程增加至14萬km，公路涵洞的建設(shè)與發(fā)展也在飛速前進(jìn)。中國各等級公路涵洞工程的主要材料為鋼筋混凝土[1-2]，混凝土涵洞為剛性結(jié)構(gòu)，和一般路基協(xié)同變形能力差，極易使地基出現(xiàn)不均勻沉降，管涵也隨之產(chǎn)生開裂，并且在涵洞位置出現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象，最終使得路基產(chǎn)生無法挽回的破壞[3-4]。在高寒地區(qū)，混凝土涵洞還有凍融難題[5-6]。近些年新興起一種波紋管涵洞，被用來取代鋼筋混凝土涵洞[7-8]。波紋管涵洞變形能力較強(qiáng)，可以適應(yīng)各種地基環(huán)境，還能夠減少由于地基不均勻沉降帶來的危害[9-11]。但是波紋管隨著時間的推移會出現(xiàn)銹蝕，使承載能力降低，在荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻等問題，使得涵洞直徑受到嚴(yán)重限制[12-13]。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵，并將其施工方法應(yīng)用于工程中。此種新型波紋管通道涵不僅克服了上述鋼筋混凝土涵洞和普通波紋管涵洞的缺點(diǎn)，而且耐腐蝕性好，臺背回填密實(shí)，受力合理，整體結(jié)構(gòu)與路基協(xié)調(diào)變形能力強(qiáng)，節(jié)能、環(huán)保，具有推廣應(yīng)用價值。

1 工程概況

廣東省茂名市那霍服務(wù)區(qū)K143+100附近有一條鄉(xiāng)道橫穿汕湛高速公路云浮至湛江段及支線工程TJ12標(biāo)，要在K143+083處原鄉(xiāng)道附近增加一條孔徑不小于8 m、凈高大于5 m、兼具排水功能的通道。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)計(jì)單位決定采用以下方案：K143+004中橋下原設(shè)計(jì)路面寬7 m的改路方案不變，在K143+083處增加鋼波紋管通道涵。鋼波紋管通道涵和路線夾角為42°，涵長120.24 m(包括洞口部分鋼波紋管)，管徑為10 m，波形參數(shù)為400 mm×150 mm，板材中部為10 mm，兩端厚8 mm，涵洞進(jìn)出口為削竹式加八字墻，進(jìn)出口接順原道路。涵洞內(nèi)設(shè)置混凝土路面及水溝，洞身斷面如圖1所示。

圖1 涵洞洞身斷面

2 超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵施工

2.1 工藝概念

波紋鋼板的截面慣性矩高于平鋼板，在承受相同荷載的情況下，波紋鋼板具有更強(qiáng)的承載特性，具體的承載力特性試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼板承載力特性試驗(yàn)

從圖2可以看出，波紋鋼板與平面鋼板相比具有更強(qiáng)的承載力，通過外力將平直的波紋鋼板彎曲成管涵形狀，經(jīng)過熱鍍鋅防腐處理后，再沿軸向和周向拼接，使其成為圓形或其他形狀的管道，用來代替公路、鐵路工程中的鋼筋混凝土圓管涵、箱涵、蓋板涵、拱涵及單跨小于30 m的小橋。

2.2 受力原理

管、土共同受力是鋼波紋管涵洞的承載原理。管片在外荷載作用下，會使襯砌產(chǎn)生變形，但是襯砌周圍的土體對管片有一個約束力，這個力阻止了襯砌的變形，也產(chǎn)生了土的抗力。在上部動荷載的作用下，管片襯砌和周圍土體均對拱塊產(chǎn)生反作用力，使拱圈頂部受力逐步隨著拱塊向下傳遞，此時主要為拱塊之間的作用力，沿拱圈切線方向，被稱作管拱效應(yīng)，如圖3所示。

圖3 管拱效應(yīng)示意

管體與周圍的回填土，缺一不可。如果周圍的回填土反作用力不夠或者不均勻，管體與土體之間就會開始產(chǎn)生協(xié)同變形，這是允許的，但是要控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

鋼波紋管涵洞具有很強(qiáng)的變形能力，且變形量遠(yuǎn)大于常規(guī)的盾構(gòu)襯砌變形量，但是只要在控制標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，就不會出現(xiàn)安全隱患。

2.3 施工工藝流程

超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管涵施工工藝流程如圖4所示。

圖4 施工工藝流程

2.3.1 基礎(chǔ)施工

(1)放出涵洞軸線，并通過測量原地面標(biāo)高，計(jì)算出基坑開挖邊線。

(2)按設(shè)計(jì)方案開挖基坑。首先清除基坑底部的軟雜土，并將基底整平；若基底軟土平整度很差，則需要開挖臺階或者設(shè)置放緩坡。軟土底部的開挖寬度不得小于路堤加放坡寬度。

(3)排干地表水后，用挖掘機(jī)按設(shè)計(jì)一次開挖到位，以25 cm為一層，用碎石分層回填、碾壓密實(shí)。

(4)基底不應(yīng)超挖，否則清除超挖部分土層，然后等監(jiān)理和設(shè)計(jì)方審核批準(zhǔn)現(xiàn)場處理方案，方可繼續(xù)施工。

(5)基礎(chǔ)施工完成后，必須滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和均勻性的要求。現(xiàn)場基礎(chǔ)開挖放樣如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)開挖放樣現(xiàn)場

2.3.2 鋼波紋管涵身安裝

(1)放出涵軸線，復(fù)核基礎(chǔ)頂面平整度和標(biāo)高，合格后方可安裝管片。

(2)吊第1張板片，小頭朝上，大頭朝下，放置于地面上。將第2張板片與第1張板片外側(cè)貼緊，對正連接口，將墊圈套在螺栓上，從內(nèi)側(cè)向外側(cè)插入，然后用套筒扳手預(yù)緊螺母。將第3張板片與第1張板片另外一側(cè)貼緊，用同樣的方法預(yù)緊螺母。第2圈板片采用上板覆蓋下板的方法搭接，以階梯形在圓周方向連接，將第1圈板塊連接縫處用第2圈板塊覆蓋，也就是通常所說的疊縫錯位。對正連接孔后穿入螺栓，然后預(yù)緊螺母。

(3)放倒拼裝好的2圈管節(jié)，對準(zhǔn)管節(jié)中心與基礎(chǔ)中心。然后開始安裝第3圈板片，安裝順序?yàn)橛上孪蛏掀囱b，將板片大頭貼緊第2圈的小頭上。采用定扭電動扳手在管體的內(nèi)部將底部螺栓緊固。當(dāng)圓周拼裝滿3圈波紋板時，要對截面形狀進(jìn)行校核，需滿足規(guī)范要求才可以進(jìn)行下一步。圓周拼裝直至環(huán)形圖合攏后結(jié)束，然后校驗(yàn)截面形狀，用定位拉桿固定位置，調(diào)整預(yù)緊螺栓，進(jìn)行頂部第1塊波紋板的拼裝。

(4)按照上述步驟完成管涵拼裝后，將定扭電動扳手預(yù)緊力扭矩調(diào)成340 N·m±50 N·m，并按照順序依次緊固所有螺栓。在土體回填前應(yīng)擰緊縱、環(huán)向接縫的所有螺栓，保證重疊部分的波紋嵌套緊密。在土體回填前要將定扭電動扳手預(yù)緊力扭矩調(diào)成340 N·m±50 N·m，進(jìn)行抽檢試驗(yàn)，保證螺栓扭矩達(dá)到要求值。當(dāng)鋼波紋管涵外圈搭接處的扭矩達(dá)到規(guī)范要求值后，要對波紋管涵連接處進(jìn)行環(huán)氧樹脂砂漿密封。超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管涵身拼裝如圖6所示。

圖6 超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管涵身拼裝

2.3.3 管內(nèi)預(yù)變形控制

(1)首先要對鋼波紋管進(jìn)行豎向2%～5%的預(yù)變形處理，每2節(jié)波紋管安裝一道橫向拉鎖，當(dāng)進(jìn)行土體回填時，將橫向拉鎖進(jìn)行收緊。

(2)在兩側(cè)土體回填過程中，由于拉鎖不斷收緊，使得鋼波紋管涵界面變?yōu)闄E圓形，當(dāng)頂部土體回填完成后，將安裝的拉鎖拆除，此時管內(nèi)預(yù)變形工作結(jié)束。具體管內(nèi)預(yù)變形控制如圖7所示。

圖7 管內(nèi)預(yù)變形工藝

2.3.4 密封防腐處理

(1)鋼波紋管在敷設(shè)就位后、回填前，需進(jìn)行密封防腐處理。采用專用膠槍和耐侯膠，填封板片重疊搭接處、圓管端部接合處和緊固件連接的螺栓孔空隙處。

(2)通過除銹噴鋅、噴涂環(huán)氧樹脂等方法，對安裝完畢的鋼波紋管涵內(nèi)外表面防腐層的損傷處進(jìn)行修理。現(xiàn)場防腐、密封處理如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場防腐與密封處理

2.3.5 臺背回填

(1)鋼波紋管密封防腐處理全部完成后，方可進(jìn)行臺背回填。

(2)回填材料級配應(yīng)符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。波紋管殼周圍30 cm不得有超過3 cm的石塊、混凝土塊、高塑性黏土塊或其他有害物質(zhì)，以免損傷涵管。

(3)要嚴(yán)格按照路基施工技術(shù)規(guī)范選擇回填材料。

(4)按照底部兩側(cè)棋形部位、后管體兩側(cè)、最后管體頂部的順序進(jìn)行回填，保證兩側(cè)的填土均衡對稱。從涵洞中間向兩端縱向施工，分層填筑、攤鋪、壓實(shí)回填土。管側(cè)楔形部位采用“水密法”施工，壓實(shí)度大于95%。

(5)管體基礎(chǔ)壓實(shí)度達(dá)到93%以上，頂部回填部分壓實(shí)度達(dá)到96%以上。

管頂1 m以上壓實(shí)度則與該處路基的壓實(shí)度一致，并按要求，管頂以上填土每隔1 m加鋪一層鋼塑土工格柵?，F(xiàn)場臺背回填如圖9所示。

圖9 臺背回填

2.3.6 洞口與洞內(nèi)施工

(1)涵身臺背回填過頂以后，開始洞口施工。

(2)本設(shè)計(jì)洞口為混凝土八字形式，施工方法同本項(xiàng)目其他通涵結(jié)構(gòu)物洞口。

(3)利用石屑填充洞內(nèi)混凝土路面以下部分，分層填筑，每層不超過25 cm，采用小型機(jī)械壓實(shí)，并且壓實(shí)度不低于93%。

(4)按連接線工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洞內(nèi)混凝土路面以及水溝施工。洞口及洞內(nèi)施工如圖10所示。

圖10 洞口及洞內(nèi)施工

2.3.7 施工變形監(jiān)測

從拼裝施工開始，直至涵頂路基填筑完畢，整個施工過程都需要對超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道進(jìn)行變形監(jiān)測，確保工程的質(zhì)量安全和施工安全。具體步驟如下。

(1)在管涵拼裝過程中，要同時進(jìn)行變形和應(yīng)力監(jiān)測。在波紋板拼裝過程中，徑向變形量不應(yīng)大于管徑±2%，若超出該范圍，應(yīng)及時調(diào)整。

(2)填筑管涵臺背和涵頂路基時，應(yīng)對管身變形進(jìn)行監(jiān)測，若出現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止施工?，F(xiàn)場變形監(jiān)測如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場變形監(jiān)測

3 超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1.1 鋼波紋管涵與常規(guī)涵洞經(jīng)濟(jì)對比分析

經(jīng)調(diào)查和分析，鋼波紋管涵比常規(guī)涵洞節(jié)省投資約10%～40%，特別是當(dāng)直徑大于3 m時，或者在高填方涵洞以及軟土地帶，節(jié)省造價更多。大直徑鋼波紋管涵(8 m以上)的影響因素較多，需根據(jù)具體項(xiàng)目及方案進(jìn)行比較。覆塑熱鍍鋅鋼波紋管與圓管涵、箱涵和蓋板涵的經(jīng)濟(jì)對比如表1～3所示。

表1 超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管涵與圓管涵經(jīng)濟(jì)對比

表2 超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管涵與箱涵經(jīng)濟(jì)對比

從表1中可以看出，波紋管涵的綜合造價比混凝土圓管涵便宜很多，并且隨著管涵直徑的增大，總造價的節(jié)約比例大體呈現(xiàn)增加的趨勢，說明直徑越大，采用鍍鋅鋼波紋管涵節(jié)省的造價越多。從表2中可以看出，波紋管涵的綜合造價比箱涵便宜很多，尤其是大孔徑(跨徑)箱涵，改用鋼波紋管涵的經(jīng)濟(jì)效益尤其明顯。從表3中可以看出，相較于大跨徑，小跨徑鋼波紋管涵比蓋板涵節(jié)約資金的比例更大。

表3 超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管涵與蓋板涵經(jīng)濟(jì)對比

3.1.2 在云湛TJ12標(biāo)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性與工期分析

該涵洞位置的填土高度約為20 m，新建路基和原有地方道路相交，若要滿足原有地方道路的雙向通行能力，需設(shè)置雙孔6.0 m×4.5 m蓋板涵，或20 m以上的通道橋。

如表4所示，為滿足工程要求，可以采用2種方案。采用超大直徑(10 m)覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵，雖然總造價比蓋板涵多475.29萬元，但是節(jié)約了90 d工期。對于工期緊張的管涵工程，覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵具有明顯的優(yōu)勢。

表4 經(jīng)濟(jì)性及工期對比分析

3.2 社會效益分析

超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵的成功應(yīng)用，既加快了施工進(jìn)度，又節(jié)約了投資，其工期優(yōu)勢是普通管涵無法相比的。設(shè)置大孔徑鋼波紋管通道涵，對比設(shè)置雙向蓋板涵或箱涵通道，通行能力極大提高，且從實(shí)際效果看，鋼波紋管通道涵內(nèi)自然采光良好，行車視線好。該通道涵及時解決了被交道路的通行問題。在搶險、保通工程中，應(yīng)用波紋管涵洞更能體現(xiàn)其明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語

本文提出了一種超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵及其施工方法，系統(tǒng)地闡述了該新型鋼波紋管通道涵的工藝概念和受力原理，并將它應(yīng)用于某工程，得到以下結(jié)論。

(1)超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵變形能力強(qiáng)，可以減少由于地基不均勻沉降帶來的開裂與橋頭跳車現(xiàn)象。

(2)超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵耐腐蝕性好，臺背回填密實(shí)，受力合理，整體結(jié)構(gòu)與路基協(xié)調(diào)變形能力強(qiáng)，節(jié)能、環(huán)保。

(3)將超大直徑覆塑熱鍍鋅鋼波紋管通道涵應(yīng)用于工程中，表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，并且具有更好的工作性能，值得推廣應(yīng)用。