波纹管（板）在铁路工程中的技术应用与发展

2019-03-23马慧君田四明付兵先马伟斌叶阳升

中国铁路 2019年1期

马慧君，田四明，付兵先，马伟斌，叶阳升

（1.中国铁路总公司工电部，北京 100844；2.中国铁路总公司鉴定中心，北京 100844；3.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

0 引言

我国铁路工程建设中，工务基础设施结构（桥涵、隧道及洞口防护结构）采用的是普通钢筋混凝土或圬工结构，这类结构具有承载力高、刚度大、耐久性好等诸优点。但是由于混凝土为脆性材料，局部较大的变形将导致混凝土结构出现开裂、掉块、渗水及露筋等病害，从而影响结构的服役寿命。此外，在一些应急抢险工程中，采用现场浇筑混凝土方式，施工工期较长，往往不能满足应急抢险要求。另外，一些地区本身缺乏混凝土砂石料原料，因此也制约了混凝土结构在此类工程中的使用。随着钢结构和金属防腐技术的发展，一种能够解决上述问题且快速、经济、便捷的装配式波纹管（板）结构被逐步应用到工程建设中。

1 国内外现状

波纹管（板）技术于1784年诞生在英国，金属波纹管（板）最初被用来代替混凝土桥梁与涵洞[1]。1896年，美国也进行了金属波纹管（板）涵洞的试验性研究，并逐步将波纹管（板）技术应用于公路涵洞。截至目前，英国、美国、加拿大、日本、韩国、印度、中国等国家相继开展了波纹管（板）技术的研究。其中，美国试验与材料协会（ASTM）、美国铁路工程协会、美国钢铁协会（AISI）以及加拿大钢波纹管协会（CSPI）率先开展了波纹管（板）应用环境、腐蚀机理、结构设计以及加工制造等方面的研究，建立了较为完善的波纹管（板）加工制造、结构设计、施工工艺以及检测评定体系，并且制定了相应规范。目前，国外波纹管（板）技术已经被广泛应用到市政工程、铁路工程、建筑工程、矿山工程、港口工程、机场工程、管道工程、军事工程、农业灌溉以及结构加固与修复技术领域。总体而言，波纹管（板）技术在国外已经成熟，加工制造已成规模化，相应的结构设计、施工工艺以及质量验收规范已趋于完善。

我国的波纹管（板）技术应用起步较晚，目前主要在公路行业得到了广泛应用。同时，根据前期开展的研究工作[2-4]，交通运输部与各地方相继出台了多部有关波纹管（板）产品、设计及施工的技术规范[5-6]。与国内外公路行业相比，铁路行业波纹管（板）技术的应用严重滞后。目前，铁路行业尚无波纹管（板）技术相关产品、设计、施工及验收标准。

近年来，随着环境保护力度的加大以及在国内钢材产能过剩的大背景下，波纹管（板）作为低碳环保技术必将在铁路领域有着广阔的应用空间[7]。

2 波纹管（板）技术原理

波纹管（板）结构是由普通热轧碳素结构钢、低合金结构钢、不锈结构钢、耐候结构钢或者热镀锌热轧/冷轧钢板经过冷弯加工，并经过防腐蚀处理（表面镀锌、镀铝或喷涂复合物涂层）后所形成的拱形承载结构。波纹管（板）结构所用钢板经过波纹成型，增加了结构的惯性矩，结构抗弯承载力大幅度提高。另外，由于轴向波纹的存在，可以充分发挥良好的抗弯性能，不但可以承担径向与轴向因荷载产生的应力与变形，而且还可以分散荷载所引起的应力集中，更好地发挥钢结构承载力高的优势。

3 波纹管（板）应用范围

随着钢结构材料的应用，制造和防腐技术不断提高，以及对波纹管（板）结构受力性能的认识，波纹管（板）结构的应用范围越来越广泛。根据现有国内外波纹管（板）技术应用，结合我国铁路实际情况，波纹管（板）技术可以被推广应用到铁路如下领域。

3.1 桥涵领域

3.1.1 新建桥涵结构

在一些混凝土材料缺乏、环境保护要求高、软土以及高寒地区，拼装式波纹管（板）结构可以替代传统意义上的石砌或混凝土拱桥、盖板涵、框构涵以及施工临时便桥等结构。新建波纹板桥涵结构见图1。

图1 新建波纹管（板）桥涵结构

3.1.2 既有桥涵的维修与替换

传统铁路混凝土桥梁与涵洞经过长期运营后，由于自然环境条件发生变化，加上前期设计、施工因素以及后期列车的振动荷载作用，结构出现不同程度的缺陷或病害，或者一些修建年代久远的桥涵构造物因为时代原因达不到现行荷载标准而需要加固维修，或者因铁路改扩建项目中需要对原有桥梁进行加宽，对原有涵洞、通道进行接长。针对上述情况，利用波纹管（板）结构对原有涵洞、通道和中小跨度的桥梁进行更换、加宽或加固，不仅改善了既有结构的受力状态，大量节省工程造价，而且最大限度减少了对现有交通的影响，甚至完全可以达到不中断交通也能进行加固的目的。波纹管（板）加固桥涵结构见图2。

图2 既有桥涵波纹管（板）加固

3.1.3 桥墩加固与防护

对于一些因超过服务年限的旧桥桥墩、受流水或船撞而受到损伤的桥墩以及由于其他原因需要提高承载力的桥墩，利用抱箍加固以及增大截面原理，可在不中断交通的情况下，在原有桥墩外围利用波纹管（板）组合成沉箱，内部填充混凝土进行加固，必要时还可增加角钢和钢筋。除此以外，波纹管（板）还可作为桥墩的防撞结构，充分发挥其施工快捷、抗冲击能力强、耐腐蚀的特点。既有桥墩波纹管（板）加固见图3。

图3 既有桥墩波纹管（板）加固

3.1.4 桥涵桩基础结构

波纹管（板）结构可以在桥墩、建筑基础和塔结构中用作套箱结构。尤其在一些跨海、跨江桥墩施工中，采用波纹管（板）结构可以直接作为桩基础结构，其内部灌注混凝土，形成钢混桩基础。与混凝土桩基础相比，波纹管（板）结构具有明显技术与经济优势。桥梁桩基础套箱结构见图4。

图4 既有桥梁桩基础套箱

3.1.5 波纹腹板箱梁桥

波纹腹板箱梁桥是20世纪80年代出现的一种新型桥梁，它具有自重轻、强度高、纵向刚度小等特点，可以减少下部结构的工程量，降低工程总造价。国内外对波纹腹板桥梁的性能和设计方法也有较深入的研究，设计技术和施工工艺比较成熟。波纹腹板箱梁桥见图5。

图5 波纹腹板箱梁桥

3.2 隧道领域

3.2.1 隧道明洞及洞口防护结构

现有的钢筋混凝土明洞或棚洞防护结构防护性能好，但结构及质量巨大，常需要埋深大、断面尺寸大的基础，施工难度大，建设成本高。尤其在桥隧过渡段，机械设备无法进入施工场地，背后用于缓冲的砂石料填筑难度较大；常用的主、被动防护网尽管结构相对简单，但在山体坡度较大地段，施工锚杆以及固定钢支撑较困难，且防护能力有限。而波纹板结构是一种半刚性结构，具有一定延展性，落石冲击波纹板结构后，瞬时集中冲击荷载被缓冲层、波纹板结构自身以及螺栓所分担，即使波纹板发生较大变形，结构也不会被落石击穿。另外，冲击荷载传递至基础底面时，较大的集中荷载逐渐变为均布荷载，降低了基础应力，从而降低了对基础结构的尺寸要求。另外，采用波纹管（板）明洞后，由于质量轻、可预制，施工进度能大幅提高，且节省造价，符合环保要求。尤其在后期增设明洞时，采用波纹板对既有线设施的影响很小，工期更短。因此，在山岭地段，特别是存在危岩落石的地段，采用波纹板接长明洞结构可防止隧道口的危岩落石。隧道洞口波纹板防护以及波纹板明洞结构见图6。

3.2.2 隧道支护结构

波纹板作为隧道支护结构在国外公路、铁路以及水利行业已经得到应用，我国在公路行业个别隧道进行了试用。由于我国隧道施工机械化程度低，所有工序都需人工完成，当工序较多时，施工质量就难以得到保障，尤其用于初期支护的系统锚杆施工质量往往达不到设计要求。采用波纹板作为初期支护后，取消了拱架安装、挂网与锚喷、系统锚杆施作等工序，施工进度进一步加快，同时总体施工成本也会降低。波纹板的另一个用途是作为隧道二衬结构。在波纹板与初支之间灌注混凝土，最终形成一个钢混组合承载结构。利用波纹板自身承载能力与变形适应能力，不但可以降低二衬厚度，还可以防止出现传统混凝土的易开裂、掉块等问题。同时，波纹板作为二衬时，还可作为二衬模板使用。波纹板隧道支护结构见图7。

图6 隧道洞口波纹板防护及明洞结构

3.2.3 隧道病害加固

铁路隧道衬砌结构开裂、掉块、网裂、渗漏水、冻胀等病害严重威胁运行安全。受既有线天窗时间、隧道限界、施工工期、施工成本、隧道操作空间以及施工环境的限制，现有的整治方法往往达不到预期效果，导致隧道病害反复出现，难以根治。相对而言，采用波纹板套衬技术加固隧道具有一定的优势。波纹板自身厚度较小，可以应用于受隧道建筑限界限制、无法施作钢筋混凝土套衬的地段；由于钢结构为延性结构，可以将波纹板结构应用于隧道受冻胀力、地应力、膨胀力以及水压力作用容易产生较大变形的地段；波纹板结构作为一种面状结构，可以应用于隧道衬砌开裂变形且容易发生大面积剥落、掉块的地段。同样，波纹板作为面状与延性结构，可以将集中荷载进行分散，利用自身的延性，起到缓冲作用，因此，波纹板可以应用于隧道衬砌背后存在较大空洞且容易发生落石冲击衬砌的地段。除此以外，由于波纹板结构为预制装配式结构，将其应用于隧道混凝土原材料、拌合用水缺乏的地段以及工期紧迫、应急抢险工程地段更加具有明显优势。波纹板套衬加固隧道见图8。

图7 波纹板隧道支护结构

图8 波纹板套衬加固隧道

4 结构设计

4.1 桥涵结构

波纹钢板桥涵结构设计主要包含波纹管（板）材和连接件材料选择、结构形状设计、防腐蚀设计、结构与连接件受力检算等。波纹管（板）桥涵主要受到填土荷载、施工车辆动荷载冲击力、运营期动荷载以及经过涵管液体产生的内压力作用，由于波纹钢板桥涵结构需考虑与土的共同作用，受力较为复杂，除采用国外提出的理论设计方法进行设计验算外，还需采用有限元软件进行整体结构和稳定分析。

目前，国外关于波纹管（板）的设计理论主要有美国钢铁协会环向压力设计法、美国试验与材料协会标准（ASTM A796/A796M）设计方法以及加拿大公路桥梁设计规范（Canadian Highway Bridge Design Code）的设计方法[8-10]。其中，美国钢铁协会环向压力设计法提出一种环向压力理论[8]。该理论认为：随着上覆填土荷载的逐步增加，波纹管（板）涵洞通过挤压四周土体获得被动土压力，波纹管（板）涵洞周围土压力分布趋于均匀化。该法主要核算波纹管（板）结构的管壁压力限值。

美国试验与材料协会标准（ASTM A796/A796M）设计方法[9]采用极限状态控制设计，埋置波纹管（板）涵洞按照强度极限状态进行组合，针对施工过程核算波纹管（板）结构的壁面积、压曲、裂缝破坏及施工柔度限值。

加拿大公路桥梁设计规范（Canadian Highway Bridge Design Code）[10]中主要将最小覆土厚度、板壁环压力、接缝强度、波纹管（板）屈曲作为验算指标进行波纹管（板）桥涵结构设计。

除参照以上理论设计方法外，利用数值检算方法，对施工车辆以及后期运营列车荷载进行结构承载力检算[11]，对于掌握波纹管（板）桥涵的承载力具有重要意义。新建不同截面形式波纹板涵洞模型见图9。

尽管国外已经颁布了波纹管（板）结构设计相关规范，但针对既有线病害桥涵波纹管（板）加固设计目前还未有相关设计规范，因此，对既有线桥涵加固设计可采用数值方法进行波纹板承载力检算。波纹板加固涵洞数值检算见图10。

图9 新建波纹板涵洞分析模型

4.2 隧道结构

采用波纹板作为隧道支护、加固及明洞结构时，可按照现有铁路隧道设计规范中的“荷载-结构”或“地层-结构”法进行检算。采用“地层-结构”模型时，必要时二者之间应建立接触面模型，进而考虑波纹板与填充物之间的剪切效应；采用“荷载-结构”模型时，可利用刚度等效原理，将波纹板结构等效为单位长度的平板结构进行结构受力分析。检算时还应考虑二衬是否失效，深、浅埋地段的检算荷载应按照《铁路隧道设计规范》[12]中的要求进行取值；膨胀岩、高地应力及高水压等特殊地段，应根据实测荷载进行计算。波纹板隧道结构设计时需对板壁压力、接缝强度、结构变形、波纹板屈曲、基础承载力等指标进行检算。检算模型见图11。

图10 既有桥涵波纹管（板）承载力校核

图11 波纹板加固隧道检算模型

4.3 洞口防护结构

将波纹板用于隧道洞口防护明洞结构时，需要考虑结构自重荷载、落石冲击荷载、风荷载、地震荷载作用下波纹板结构的受力及变形特征。目前，针对落石冲击荷载作用下隧道结构的动力学响应，国内外研究人员相继提出了一些计算方法[13]。日本道路协会通过落石自由落体试验，分析了冲击力试验数据，结合Hertz弹性碰撞理论，提出了落石冲击力理论计算方法；Labiouseetal通过落石自由落体冲击试验，提出了落石冲击力经验计算公式。此外，《铁路工程设计技术手册隧道》中也规定了落石冲击力的计算方法。由于波纹板为薄壁异型结构，采用传统的计算公式无法真实地模拟结构受力，因此，需根据隧道洞口的具体情况，建立预制装配式波纹板防护结构三维动力学计算模型，进而分析不同荷载组合下波纹板结构的整体安全性。动力学分析见图12。

5 防腐技术

由于波纹管（板）结构主要材料为钢材，其耐久性是影响推广使用的重要因素。波纹管（板）结构作为埋置结构，受大气、土壤以及地下水的侵蚀，必须与普通钢制管道一样做防腐处理，进而延长波纹管（板）结构的寿命。波纹管（板）除处于以上腐蚀环境外，在运输与安装过程中，防腐措施容易被破坏，因此，波纹管（板）防腐涂层的耐磨性也是一项较为重要的指标。

目前，美国钢铁协会、美国试验与材料协会、加拿大钢波纹管协会等对波纹管（板）的抗腐蚀技术进行了研究，并且提出了一系列防腐措施（见表1）[8-10]。

图12 落石冲击荷载下结构动力响应

表1 波纹管（板）防腐技术

上述防腐技术措施是近年来比较常用的波纹板防腐方法。每种方法都具有其局限性。镀铝涂层因为表面镀铝层的硬度不够，常常导致由于施工过程中的刮蹭而破坏；热浸镀锌的酸洗除锈会给防腐蚀留下隐患；涂装聚合物涂层时也会因为硬度不够和抗渗透作用不强而产生脱落或者开裂问题；纳米渗锌耐强酸、强碱性相对较差。波纹板典型防腐技术见图13。

总之，波纹板防腐蚀设计中应综合考虑结构的使用功能要求、结构所处环境的腐蚀因子以及造价等因素，因地制宜地选择防腐技术措施。

6 施工工艺

国内外新建波纹管（板）结构物的安装技术主要是逐片拼装或整环吊装，施工机械主要为吊车与叉车，这在开阔地段施工较为方便，但将波纹管（板）应用到既有线涵洞、隧道的病害整治时，由于作业空间受限，采用常规施工方法已经无法满足要求，因此，需要根据病害涵洞、隧道的实际情况，提出相适应的施工安装方法。新建波纹管（板）结构施工工艺见图14。

7 施工质量控制

波纹管（板）在出厂前，应进行厂内预拼装，这样不但可以保证波纹管（板）板件的尺寸精度，还可以保证现场安装精度，提高安装效率。波纹管（板）进场后，应对波纹管（板）板材、螺栓以及防腐涂层质量进行检验；波纹管（板）结构安装过程中，还应对波纹管（板）连接螺栓的施工扭矩进行控制，并且按照相关要求进行抽检，必要时应对接缝强度进行检测[14-15]。波纹管（板）结构质量检验见图15。

8 铁路应用前景

图13 波纹板典型防腐技术

图15 波纹管（板）结构质量检验

目前，我国相关单位在既有隧道、涵洞病害整治方面进行了波纹管（板）结构技术的研究工作，并在部分铁路隧道、涵洞病害整治中进行了试用，取得了良好的工程效果。今后随着钢材加工制造工艺特别是防腐技术的提高以及行业应用标准和规范不断完善，波纹管（板）结构作为一种新的结构形式，以其良好的力学性能以及施工简便、适应性强等特点，可以广泛应用于新建铁路小跨度桥梁、涵洞、隧道明洞、隧道支护、隧道洞口防护结构以及寒冷地区防风通道中，未来铁路工程用波纹管（板）需求将大幅增长。此外，波纹管（板）技术对于推广新技术、新结构、新产品的应用，促进新时期铁路建设的健康可持续发展也具有重大现实意义，符合“绿色、循环、低碳”的交通建设要求，具有良好的社会效益和经济效益。