黄土地区高速公路钢波纹管涵应用技术研究

2013-07-16李腾云

山西建筑 2013年5期

李腾云

(中铁三局集团有限公司，山西太原 030001)

1 应用现状

在公路施工中，应用钢波纹管涵代替钢筋混凝土涵洞进行施工的历史已经有100多年了。1896年，美国率先进行波纹管涵通道、涵管的可行性研究。其后，在美国、加拿大、澳大利亚等国的公路建设中，均采用了钢波纹管涵进行涵洞的施工。1990年，日本高速公路设计，规范制定了波纹管涵设计技术规范。随着波纹管涵在世界各地的安装使用，证明了此种结构在各种使用情况下的通用性。在我国改革开放后，深圳及大同煤矿开始从国外进口成品波纹管涵进行涵洞施工。之后，上海市公路管理处、上海市政工程设计研究院、上海同济大学对金属波纹管涵进行了动、静载试验，结果表明能满足设计使用要求，填补了国内的空白，且迅速得到推广应用。

目前钢波纹管涵洞在我国西部严寒地区已逐步得到推广应用，相信随着对结构耐久性认识的逐步提高，以及有关钢波纹管涵的设计、施工规范的逐步完善，钢波纹管涵在公路或其他工程中将具有更广阔的应用前景。

波纹钢管是一种挠性、薄壁、有横向波纹的管壳零件。它既有弹性特性又有密封特性，在外力及力矩作用下能产生轴向、角向、侧向及组合位移，密封性能好。

钢波纹管涵洞不仅具有优良的适应地基与基础变形的能力(用于解决因地基基础不均匀沉降导致的涵洞破坏问题)，而且具有自重轻、运输方便、施工简单且施工工期短、造价低、耐久性好、对地基扰动小、对基础要求较低等优点，还具较强的抗拉、抗剪和抗疲劳能力，故其具有较为广泛的应用前景。尤其应用在高寒冻土地区、高填土路基、V字形U字形深沟、软土路基地带，具有明显的经济效益。

2 工程实例——霍永高速公路西段钢波纹管涵应用情况

2.1 工程特点

霍永高速公路西段地处山西省西部的黄土高原，路线范围内黄土地貌主要以黄土塬、梁、沟谷的形式发育。地面起伏较大，地形破碎，V形沟众多，沿线部分高填深挖路段涵洞因地形限制及相邻控制性工程施工干扰，难以形成施工作业面，影响总体工期进度。同时由于该地区湿陷性黄土分布较广，容易发生黄土路基工后不均匀沉降，破坏钢筋混凝土涵洞主体结构，形成变形、渗漏等钢筋混凝土涵洞常见病害。为此，经五方现场实地勘测，共同决定霍永高速公路西段K96+919等6座涵洞采用钢波纹管涵形式施工。

2.2 技术标准

2.2.1 标准规范

1)波形钢板原材料采用低碳钢，应符合GB/T 699和GB/T 700的要求。波形钢板原材料的化学成分应符合表1的规定，并应进行热浸镀锌。

表1 波形钢板原材料的化学成分要求

2)波形钢板的物理性能符合表2规定。

表2 波形钢板的物理性能

3)各部尺寸允许偏差见表3。

表3 管涵允许偏差

4)波形钢板的外观质量。

波形钢板的外观质量除应满足GB/76725外，还应符合表4的规定JT/T 710-2010。

表4 波形钢板的外观质量

2.2.2 设计指标

钢波纹管设计主要技术参数见表5。

钢波纹管设计参数示意图见图1。

所采用的材质为Q235-A热板，表面采用热浸镀锌防腐处理，镀锌量平均厚度不小于84 μm。连接方式采用法兰连接、高强螺栓紧固、石棉垫密封。

表5 主要技术参数表

图1 钢波纹管设计参数示意图

2.3 施工工艺

施工工艺如下:

测量放线→挖(填)基→灰土换填→基础垫层填筑→成品检测、验收→管身安装→端墙施工→洞口铺砌及八字墙(跌水井)施工→涵背回填。

2.3.1 测量放线

根据设计施工图用全站仪放出涵洞纵、横轴线，埋设护桩作为施工中的控制轴线。如护桩被碰动，在下一工序开始前，重新复核中心轴线和标高。

2.3.2 基坑开挖

1)基坑开挖:基坑由机械开挖，底高程预留20 cm，留待人工清理，避免机械扰动基底。

2)基坑的开挖坡度以保证边坡的稳定为原则，由于现场开挖深度在5.5 m左右，开挖过程按1∶0.5坡比放坡，底部预留1 m施工面。在基坑顶面设置截水沟，防止地面水流入基坑。

3)基底回填:半填半挖或填方路段按填方路基施工要求，开挖台阶分层回填，回填至涵底标高后再进行开挖基坑。

4)基坑开挖完成后进行自检，自检合格后报请监理工程师验收基坑。基坑验收应符合表6要求。

表6 基坑验收要求

2.3.3 灰土换填

1)灰土配比。

灰土体积比设计为3∶7，土采用开槽土，土块粒径不大于15 mm，石灰采用生石灰，现场，石灰要求同产地，同品种，同规格，灰土施工时，严格控制灰土含水率。

2)填筑、碾压。

灰土换填应分层填筑，分层碾压。每层虚铺厚度应控制在20 cm以内，压实厚度应控制在15 cm。碾压采用压路机静压压实，边角部位采用小型夯机夯实，确保碾压达到无漏压，无死角，碾压均匀，直至满足设计要求为止。碾压完成经自检人员自检合格后(压实度控制在93%以上)，报请监理工程师验收，验收合格后方可进行下层填筑。

3)灰土养生。

灰土换填每层施工完毕后，采用土工布覆盖，设置专人负责洒水养生，养生期7 d以上，并保持一定湿度。

4)基础砂砾垫层施工。

基础铺设0.5 m厚砂砾垫层，砂砾垫层分两层填筑、分层压实，夯实紧密后方可安装。

5)成品检测、验收计算。

钢波纹管需要由钢波纹管供货方提供结构安全，计算书和质量保证书，波形钢管原材料符合JT/T 710-2008 6.1.1和6.1.2的要求，波形钢板的物理性能应符合JT/T 710-2008 6.1.3的规定。

6)管身安装。

钢波纹管涵洞由波纹管生产厂家配备专业人员进行施工安装。

a.安装前准备。备齐安装工具及所需配件:梅花扳手(16—18和22—24)、活口扳手、小撬棍(φ16 mm长度50 cm左右的圆钢)、撬杠(φ50 mm长度1.8 m左右的钢管)、手锤、凿子、螺丝刀(一字形)、千斤顶、高强螺栓及橡胶石棉垫、绑丝0.5 kg。

b.金属波纹管安装前，检查底部基础轴线偏位、中心点位、平整度、标高、预拱度等技术指标，合格后进行管身安装。

c.连接安装波纹管:涵管安装时从一侧排放第一根管节，使其管子中心和基础纵向中心线平行，支垫牢固后放置第二根管节，相邻两管节法兰间相距3 cm～5 cm的缝隙时，用小撬棍对准法兰上的螺栓孔，使其两根管法兰上的螺栓孔对正，这时从第二节管的另一端用撬杠撬动管节，使其纵向平移，使两法兰间距在2 cm左右，然后全部穿上高强螺栓，拧上螺帽，镶嵌石棉垫，高强螺栓紧固至法兰间缝隙不大于5 mm。依此方式逐节安装。

d.镶石棉垫:由于现场地势等原因，有时相邻两法兰之间间距较小，这时用手锤、凿子把两法兰之间凿开大约1 cm的缝隙，用螺丝刀把石棉垫镶在两法兰之间，有时管子顶部两法兰间距较大，石棉垫镶嵌困难，用绑丝把石棉垫绑在螺栓上固定，然后工人开始对称锁紧螺丝，直至两法兰之间只有2 mm～5 mm的缝隙即可。

e.管壁内外涂沥青:乳化沥青或热沥青两道，一般沥青涂层的厚度要达到1 mm，从外观看管壁内外均匀的涂成了黑管。

f.管涵施工应符合表7要求。

表7 管涵施工要求

7)附属工程施工。

波纹管管涵洞口形式采用直管延长式等。对于有流水冲刷的涵洞，进出口处沟床和涵洞两端处，按设计图纸进水口设混凝土滴井，连接路基侧沟以及隧道洞口排水，有效的将高差比较大的沟壑流水引至涵洞内。施工中应注意:a.砂浆要严格按配合比拌和，标号M7.5，拌和时间不少于2 min，拌和均匀。b.砌筑时砌块错缝，坐浆挤密，嵌紧后砂浆饱满无空洞现象。c.外圈定位和转角处，选择形状方正、较大的片石，并长短相向与里层片石咬接。d.较大的片石用于下层，砌筑时选择形状和尺寸较为合适的片石，敲除尖锐凸出部分，不得用高于砂浆砌缝的小石块在下面支垫。

8)涵背回填。

a.涵背回填料采用级配砂砾回填。

b.管涵两侧回填应对称施工，分层回填，每层厚度不大于20 cm。

c.管涵两侧50 cm范围内采用小型机械夯实，50 cm范围内采用压路机压实，管底下方粗砂用“水密法”振荡器振实或采用截面15 cm×15 cm的木棒夯实。

d.管涵上方填土时，管内设置一排竖向和横向十字临时支撑，防止其在填土过程中产生变形。管内临时支撑应在填土不再下沉后方可拆除。

2.4 沉降变形观测

为有效跟踪研究钢波纹管涵洞在施工过程中及工后随路基沉降而发生发展的变形过程，现场聘请第三方检测机构对已施工4座钢波纹管涵洞均进行了沉降变形观测。每个涵洞分别在进口、涵中心及出口设计1个观测断面。观测频率为涵背回填期间1次/d，通过观测，管内十字临时支撑对控制管体自身变形有很好的作用，钢波纹管管体变形极小，不影响涵管防渗水功能。

涵洞回填完成后，涵管沉降主要为随路基整体沉降和局部不均匀沉降而发生的弯曲变形。观测频率为涵背回填期间1次/7 d，通过现场涵洞施工完成后7月～12月底共计约6个月的沉降观测，涵洞最大沉降为2.6 cm。此时涵身管节法兰连接处最大缝隙为5 mm，与沉降观测初期相比未发生明显变化，分析原因为波纹管的轴向位移大于普通圆管，表现出波纹管具有轴向补偿位移的功能，保证了管节法兰连接处可以满足防水要求。具体沉降观测结果见表8。

表8 沉降观测结果

3 技术经济比较

3.1 缩短施工工期

根据霍永高速公路西段工程进度报表分析，在不同的设计孔径、相似的施工条件、同样的施工班组施工的情况下，不同混凝土板涵与钢波纹管涵施工工期比较结果见表9。

表9 不同混凝土板涵与钢波纹管涵施工工期比较结果

通过比较，由于钢筋混凝土盖板涵因混凝土养护并形成强度需要一定时间，而采用钢波纹管涵则不需要等待涵身形成强度。且部分钢筋混凝土盖板涵可能因盖板预制不及时等因素在一定程度上影响到涵洞施工工期。因此，通常情况下，采用钢波纹管涵比采用钢筋混凝土涵洞约可以缩短近一半的施工工期是可能的。

3.2 工程造价适宜

根据霍永高速公路西段工程造价分析，在同样的填高、同样的施工班组施工的情况下，不同混凝土板涵与钢波纹管涵施工造价比较结果见表10。

表10 不同混凝土板涵与钢波纹管涵施工造价比较结果

根据霍永高速公路西段6座混凝土盖板/箱涵变更为钢波纹管涵的设计变更批复结果对比分析，同样孔径的钢波纹管涵洞每延米造价与钢筋混凝土盖板涵工程造价相近。

3.3 地基适应能力强

霍永高速公路西段混凝土盖板施工地基基础承载力要求不低于250 kPa，对于霍永高速公路西段全线湿陷性黄土分布较广的现状而言，意味着许多涵洞不得不采用强夯、重夯，换填碎石甚至桩基处理等方式进行地基加固处理。而采用钢波纹管涵洞对地基承载力等要求则相对较低。

3.4 提高行车舒适性

一般钢筋混凝土涵洞的基础为混凝土或片石混凝土等刚性基础，其沉降量和路基的沉降量存在差异，而波纹管的基础采用柔性材料沙砾或碎石土，其属于无基础涵洞，建成后和路基的沉降是一致的，且钢波纹管涵是一种柔性结构，波纹管在结构上具有横向补偿位移的优良特性，可充分发挥钢材抗拉性能强、变形性能优越的特点，具有较大的抗变形和抗沉降能力，能有效解决由于钢筋混凝土涵洞的沉降与路基的沉降不一致的问题，因而避免了桥台跳车现象，提高了行车的舒适度与安全性。