公路鋼波紋管涵洞設計內容

明 艷

(衡水公路工程總公司)

1 公路鋼波紋管涵洞設計要求

(1)公路鋼波紋管涵孔徑的設計必須保證設計洪水以內的各級洪水及流冰、泥石流、漂流物等安全通過，并應考慮壅水、沖刷對上下游的影響，確保橋涵附近路堤的穩(wěn)定。

(2)鋼波紋管涵孔徑的設計應考慮上下游已建或擬建橋涵和水工建筑物的狀況及其對河床演變的影響。

(3)鋼波紋管涵孔徑設計尚應注意河床地形，不宜過分壓縮河道、改變水流的天然狀態(tài)。

(4)小橋、涵洞的孔徑，應根據設計洪水流量、河床地質、河床和錐坡加固形式等條件確定。當小橋、涵洞的上游條件許可積水時，依暴雨徑流計算的流量可考慮減少，但減少的流量不宜大于總流量的1/4。

(5)涵洞宜設計為無壓力式的。無壓力式涵洞內頂點至洞內設計洪水頻率標準水位的凈高應符合的規(guī)定。

(6)計算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下30°角分布。當幾個車輪的壓力擴散線相重疊時，擴散面積以最外邊的擴散線為準。

2 公路鋼波紋管涵洞的適用條件

2.1 適應范圍

從國外鋼波紋管涵洞的應用及防腐調研情況看，鋼波紋管涵洞具有較強的適應能力，經過防腐處理后的鋼波紋管涵洞完全能夠使用50年。綜合分析現(xiàn)有國內防腐技術，雖然距離國外防腐技術存在一定差距，但采用防腐方案后的鋼波紋管涵洞的壽命應達到20～30年。如果考慮鋼波紋管涵洞防腐的養(yǎng)護(大修、二次防腐)、設計腐蝕富余量(厚度)的安全系數，鋼波紋管涵洞的耐腐蝕壽命也可達到50年(或以上)。

從公路的壽命周期和服務水平的變化看，涵洞服務年限達到50年時完全能滿足一般公路的需求，所以鋼波紋管涵洞完全可以適合一般公路。

對特殊巖土地區(qū)，如多年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等地區(qū)，一般情況下鋼筋混凝土圓管涵或蓋板涵在使用過程中均出現(xiàn)不同程度的損壞，較嚴重的病害為地基或基礎不均勻沉降導致涵洞破壞。這些地區(qū)鋼筋混凝土圓管涵或蓋板涵的使用壽命有時低于20年。而應用鋼波紋管涵洞則完全可以解決因地基變形導致的涵洞破壞，同時可以減小路面因地基沉降引起的應力集中。所以，鋼波紋管涵洞在上述地區(qū)更具優(yōu)越性。涵管為柔性結構，有利于改善軟土地基結構物與路堤交界處的“錯臺現(xiàn)象”，提高行車的舒適度與安全性。

2.2 適用條件

從國內外鋼波紋管涵洞的使用情況及其受力特征、防腐分析看，應用鋼波紋管涵洞必須滿足以下條件：

(1)相應波形必須具有滿足足夠的壁厚，確保鋼波紋管結構在受荷時最大應力低于鋼結構的容許應力(或屈服應力)。

(2)鋼波紋管的防腐處理必須不低于一定的要求，以確保一定年限內鋼波紋管涵洞具有足夠的耐腐蝕能力;鋼板壁厚應適當考慮防腐富余量。

(3)鋼波紋管應能夠承受標準荷載引起的變形，不致產生非線性破壞，且不影響其上結構層的功能。

對高速公路等路面變形要求較高且涵頂填土高度較小時，應根據涵洞孔徑合理選用相應的波形和壁厚，以控制荷載作用下涵管變形不致路面底部的變形過大;也可根據變形狀況控制涵頂填土高度及其他設計參數。

2.3 選用原則

公路鋼波紋管涵洞的選用必須遵循適用、安全、經濟的原則，在滿足功能需求基礎上充分發(fā)揮鋼波紋管結構的力學性能優(yōu)勢。公路鋼波紋管涵洞設計時應堅持因地制宜、發(fā)揮優(yōu)勢、不盲目使用的原則。設計中除應充分考慮工程項目的基本特征，包括公路等級、重要性程度、地形地貌、不良地質狀況、路基修筑等等方面之外，還應考慮下列因素：施工條件和便利性;養(yǎng)護條件;二次防腐。下列地區(qū)宜優(yōu)先考慮鋼波紋管涵洞。

(1)不良巖土地基的涵洞，包括多年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等;

(2)人力資源缺乏或高危險、高原缺氧地區(qū)等工程;

(3)砂石資源缺乏地區(qū)，水泥、鋼材等運距較遠的邊遠地區(qū);

(4)為加快施工進度、達到快速通車目的的應急搶險、救災等工程。

下列情況使用時應慎重使用。

(1)高速公路重要路段或維護困難路段。鋼波紋管涵洞為鋼結構，必然存在腐蝕的威脅，高速公路對路基和涵洞的壽命周期要求較高，因此必須考慮防腐養(yǎng)護，在養(yǎng)護管理困難路段應慎重使用。由于鋼波紋管涵洞存在一定的使用壽命周期，在高速公路的一些重要路段應慎重考慮其服務壽命或改建的便利等。

(2)泥石流堆積扇或排泄砂石流量大、流速高的區(qū)段。這些區(qū)段泥砂或砂石的沖刷將形成對防腐材料或鋼結構的磨蝕，設計時應予以重視，必要時應針對具體情況進行防腐獨立設計;局部區(qū)段可能存在淤積等，采用鋼波紋管涵洞應考慮該問題。

(3)高填土路段。高填路段，應根據施工工藝及施工后路堤不同土拱效應進行計算分析，確保涵洞受力安全。

(4)孔徑較大或截面非圓形時。一般鋼波紋管涵洞孔徑小于2.5m，當大于2.5m時應進行獨立計算分析，確保涵洞受力安全。大孔徑涵洞采用拼裝式施工時尤其要加強連接部位的設計分析。異型截面鋼波紋涵洞和小橋，由于其受力特征與圓形截面截然不同，應進行獨立分析，確保安全使用。

2.4 鋼波紋管涵洞的效益分析

(1)鋼波紋管涵洞的經濟效益

由于建筑材料(主要為水泥、砂、石料)及人工單價、運距等的差異，部分地區(qū)(特別是邊遠地區(qū)及水泥、砂、石料缺少地區(qū))的鋼波紋管涵洞的實際造價低于鋼筋混凝土蓋板涵。就青藏公路來說，每道波紋管涵工程造價比同樣孔徑的鋼筋混凝土蓋板涵低4萬多元。

由于目前生產鋼波紋管涵洞的廠家多為轉產型，生產規(guī)模不大，加工費用高，運輸費用也相對較高。如從上海、南京、無錫等地運送鋼波紋管涵洞，運費有時占總造價的l/3左右。隨著鋼波紋管涵洞的推廣應用和市場的有序開放以及生產的規(guī)模化，鋼波紋管涵洞的單價將逐漸降低。

從施工期看，一般鋼波紋管涵洞施工期僅為3～5 d，相比鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵，節(jié)省工期1個多月，社會經濟效益明顯。在多年凍土及寒區(qū)，節(jié)省工期不僅可以降低成本，而且可以相對延長施工季節(jié)，加快工程總進度。多年凍土地區(qū)，節(jié)省工期還可以大幅度減少因施工引起的傳熱，減少多年凍土的熱干擾。

隨著國內鋼波紋管涵洞的廣泛應用，關于波形和壁厚優(yōu)化的研究將逐步深入，優(yōu)化后的波形可以采用相對較薄的鋼結構適應相同的填土及汽車荷載標準。相應地，鋼波紋管涵洞壁厚的減薄及波形的減小，可以減少用鋼量，降低造價。

(2)鋼波紋管涵洞的社會效益

相對于鋼筋混凝土圓管涵和蓋板涵，鋼波紋管涵洞的應用，一方面節(jié)約了大量的石材、水泥，有利于環(huán)保;另一方面建設工期可以大幅度縮短，不僅加快了建設步伐，充分體現(xiàn)了建設工期縮短及相對運營時間增加的經濟效應，特別是在局部地區(qū)如寒冷地區(qū)一年中施工期僅5～6個月，這樣應用鋼波紋管涵洞更具有明顯的優(yōu)勢。在搶險、保通工程中應用鋼波紋管涵洞更能體現(xiàn)其明顯的社會效應和經濟效益。