鐵路小橋涵勘察淺析

陳澤宇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

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鐵路小橋涵勘察淺析

陳澤宇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

【摘要】高鐵在建設周期極其緊迫的前提下，為了控制沉降，減少通車后的維護工作量，高鐵線路中出現大量以橋代路的情況。但是在車站范圍，或是其他線路標高受限區域，由于線下凈空的要求以及縱坡受控等因素的影響，必須采用結構高度小的構造物跨越控制點，小橋涵在這種情況下被普遍采用。小橋涵結構雖小，但由于數量龐大，在施工過程中出現問題的幾率也比大中橋大，因此小橋涵設置的位置及孔徑尺寸的擬定需反復斟酌。

【關鍵詞】涵位；孔徑；排洪；灌溉；交通

鐵路線路上為了滿足排洪、灌溉或是交通、保護管線等功能，同時滿足線路標高的限制和經濟指標的要求，大量采用小橋涵結構。主要的小橋涵結構為鋼筋混凝土框架涵、鋼筋混凝土蓋板涵，還有預制拼裝的小孔徑圓涵、矩形涵，拱涵則多出現在石材豐富而水資源匱乏的既有線上，如今新建鐵路已較少采用。此外，用于路塹地段的灌溉功能結構物還有倒虹吸和渡槽。

小橋涵雖然結構不大，但在勘測和設計環節比大中橋相對瑣碎，每個工點的附屬結構形式難以統一，均需要在現場現澆完成，對于施工工藝的要求較高。從勘測階段的現場定位到設計階段的出入口及鋪砌設計，以及不良地質區間涵洞的地基處理，小橋涵結構的整個勘察設計流程的要點頗多。在外業勘測階段，主要的工作集中在涵洞位置的選擇和孔徑尺寸的擬定上。

1涵位的選定

涵洞的定位是勘察的第一步，不同功能的涵洞在涵位選擇上有所區別，側重點也不盡相同，但是所有的小橋涵在完成圖上初步定位后，都必須在現場進行核對和準確定位，包括涵洞里程和涵軸方向都以現場實際情況為準。涵洞定位不準是施工過程產生變更的主要原因之一。

1.1排洪涵洞的選位

排洪涵洞的涵位選擇首先需要在地形圖(比例一般為1:2000)上圈定匯水面積，該匯水面積所處山洼匯水線與線位的交點處即為涵洞的初步里程，同時對照線路縱斷面，在這個里程附近查找是否有標高更低的位置，以標高低處為圖定涵位(圖1)。以圖定涵位為定位里程，在現場核對此里程處是否有明顯的沖溝，沿線位方向前后查看，最終定位于沖溝的溝底位置。排洪涵原則上均順溝設置涵軸，夾角以5°為一級，同時應保證涵洞軸線與線路法線的夾角不大于45°，以保證大流量洪水能順暢通過。

圖1　圈定匯水面積確定涵位

1.1.1共用排洪涵

由于兩涵洞之間的凈距不得小于30m，對于距離很近的幾個沖溝，可以幾個溝共用一個涵洞，通過線路邊坡匯水至涵洞處排出，排洪涵一般設置于線路縱坡較低處的沖溝處。但是對于溝深相差太大的幾個沖溝，共用的涵洞一般置于溝的最深處，若其不是縱坡最低處的溝，可通過局部的側溝改坡，將兩側沖溝的水匯至此涵洞排出。

由于鐵路一般只有在路塹段設置側溝，考慮利用側溝將多條沖溝匯水連通的時候，要看溝與溝之間有沒有連續側溝拉通。路堤部分不設置側溝，水直接沿放坡排走，路堤與路塹交接處因為沒有側溝連接，往往會積水，需要將側溝延伸至涵位處，或在此處加設涵洞排水。

1.1.2既有水利設施附近排洪涵

在丘陵地區，水塘往往是正對山洼，靠天然降水補充水塘水量，而線路穿越水塘時，在山洼范圍需要設置排洪涵，但涵洞不能設置在水塘中間，若此水塘不填埋廢棄，則涵洞起不到排水作用甚至會產生倒灌，對涵洞結構不利。若水塘規模不大，在鐵路建設時需要填埋廢棄，則地表覆蓋層有大量淤泥，涵洞若設置于此，基礎處理工程量巨大，不僅不經濟，也很難保證工程質量，容易在后期產生不均勻沉降，導致涵洞結構開裂甚至產生病害。因此對于水塘區域的排洪涵洞，須設于水塘兩側，保證基礎不能落于水塘中。若水塘兩側已經在山洼范圍之外，可以人工開挖，將山洼兩側開放，通過導流溝將匯水引至涵位處排出(圖2)。

圖2　水塘處涵洞確定位置

而在水庫淹沒范圍的涵洞，出口流水面一定要保證高于水庫正常蓄水位，必要時改橋通過。

1.1.3洪積扇地形的排洪涵

洪積扇是戈壁地區常見的地形，其特點就是在小范圍區域內出現放射狀的多條沖溝，這種地形下設置排洪涵洞，需根據區域流量在洪積扇中部(一般此處并無明顯溝型，但暴雨時急流并不順溝流，往往直對埡口沖出)布置較大孔徑涵洞，兩側有明顯溝型處設置小孔徑涵洞，中部的大工點根據線路標高應盡量避免下挖原始地面設置涵洞，可以通過加大孔徑壓低凈高來保證過水面積(圖3)。

圖3　洪積扇地形涵洞設置

1.1.4漫流區的排洪涵

漫流區是荒漠戈壁地區的另一種常見地形，其面積一般比洪積扇大很多，成片分布，這種情況需根據區域流量較為均勻的布置排洪涵洞，并依據地形、線位情況設置導流堤束水，線路橫截漫流時采用封閉導流堤。由于漫流區相鄰沖溝存在溝內水流交叉匯水的情況，還應在圈出的匯水基礎上提高20 %。對于貫通溝(從埡口分出，非支溝)，必須設涵，若貫通溝附近有距離很近的非貫通溝，非貫通溝處可以不設涵洞，此處匯水通過導流堤引入貫通溝處涵洞排出。

1.2灌溉涵洞的選位

灌溉涵洞的涵位選擇與排洪涵洞不同，控制因素往往不是流量，而是既有溝渠的位置和截面尺寸。由于灌溉溝在路堤和路塹段都有分布，因此灌溉功能結構形式也不局限于涵洞，在路塹區間還以渡槽或倒虹吸形式通過線位，在選位上也相應有更多的方式。

丘陵地帶的灌溉溝渠往往非常明顯，且有完整的鋪砌，定位容易。但在平原地帶，線位兩側都是田地，灌溉溝往往是土質結構，不明顯，甚至不具備完整的溝渠結構，在這種情況下，一般沿著線位方向200～300m均勻設置一個孔徑1m的灌溉結構，可以是灌溉涵、倒虹吸或是渡槽，具體灌溉結構類型還要根據線位是在路塹還是路堤區間確定，并參照線路縱斷面核定。

由于灌溉涵洞的設置需要征得地方同意并簽訂協議，所以既有灌溉溝渠位置原則上不改移位置，盡量在滿足條件的情況下原址設置灌溉構造物穿越線位。在路塹區間優先考慮渡槽結構，但需要保證新建渡槽下凈空滿足相應等級鐵路凈空要求。若線路標高難以滿足凈空要求，則只能選擇倒虹吸從鐵路下方通過(圖4)。倒虹吸是有壓管，利用兩頭的水頭差將灌溉水輸送通過鐵路，但由于倒虹吸的孔徑很小，一般在1～1.5m，且兩段出入口特別容易堵塞，往往使用不久即出現病害，甚至喪失結構功能，故在高速鐵路建設中已較少采用，工程中多與地方協調改移此類灌溉用渠道到橋下或是相近的涵洞處通過線路。

1.3交通涵洞的選位

交通涵洞的定位與灌溉涵洞類似，只是控制因素為道路。對于等級道路(高速公路、國道、省道)，一般均以梁式橋或框架小橋、剛構橋、剛架橋等結構跨越，對于路幅寬度較小、等級低且凈寬、凈高要求不高的道路，多選用小橋涵結構。

圖4　路塹區間倒虹吸

在地形圖上進行初步定位時，對于所有與線位相交的道路均應定出里程，并在線路縱斷面圖上進行核對，確定是否具有足夠的填土高度以設置涵洞，對于填土不足甚至是路塹部分的道路，應改做公跨鐵或直接改移至相鄰橋、涵洞處通過。

地形圖上有些小路無法反映或是道路標記不明顯，但只要線位兩側有村莊，一定要在附近合適位置預留交通涵洞，避免因為鐵路的修建阻隔村莊間的交通流。

同樣，若線位兩側是大片農田，且沒有可見的道路通過線位，則需要人為在合適位置設置交通涵洞，方便農用車的往來通行。

對于既有道路寬度在3m以上，或是材質為混凝土、瀝青路面，盡量避免改移道路。斜交角無法滿足小于45°時，需要對既有道路進行適當的扭轉和順接，但前提是保證道路總體順直，不要在鐵路涵洞附近出現小半徑的曲線，避免因為既有道路視距不足，出現交通隱患，必要時可以增加改路長度，以滿足夾角和視距的要求。

1.4多用途涵洞的選位

由于兩涵洞之間凈距需保證30m以上，有的時候不同功能的涵洞會因為距離不夠而合建，還有前文提及的某個位置因為填土高度不足無法設置涵洞，主要功能遷改至相鄰涵洞，形成合建通道，亦有因為投資控制導致的合建涵洞。常見的合建涵洞有交通兼排洪、交通兼灌溉、排洪灌溉、交通兼護管，或是交通、排洪和灌溉三者合建。

一般情況下，有交通功能的合建涵洞，應該以交通功能為主，不宜與流量太大的排洪涵洞合建。設計孔徑應滿足交通規劃凈寬，流水面需高于一般流水面標高。常見的交通、排洪、灌溉合建涵洞，在涵洞正斷面上會在線路大、小里程方向各留一個或在單側留一個0.3m×0.3m或0.5m×0.5m的側溝，專門用于排水，使其與交通功能部分形成物理分隔，上鋪預制混凝土板，并一直沿著道路順溝到涵洞出入口鋪砌以外(圖5)。

圖5　單孔側溝排水合建涵

對于有完整溝渠的灌溉通道，一般不與其他功能涵洞合建，因客觀條件所限而必須合建時，可考慮使用雙孔框架結構，一孔用于交通，另一孔用于灌溉溝渠通過(圖6)。此形式還多用于灌溉溝渠順既有公路布置的情況，由于公路和灌溉水渠標高相差很大，有時候甚至高差能達到0.8m，必須分為雙孔。但合建涵洞一定要注意由于排水功能的加入而對交通凈空、凈寬的壓縮，涵洞正截面布置必須首先滿足交通的凈寬、凈高要求。

圖6　雙孔交通、排水合建涵

灌溉涵和排洪涵在不影響灌溉功能的情況下，可以結合地形進行合建，節約投資。

1.5既有線及站場涵洞的選位

既有線涵洞設置一般出現于樞紐、站場、既有線改造以及增建復線、新線與老線并線等情況。相對于新建線路的涵洞，與既有線發生關系的涵洞要考慮的因素多，勘測、定位也尤為復雜。

與既有線發生關系的新線進行小橋涵的選位，關鍵在于與既有線上原有涵洞很好的順接，保證新線建成后既有涵洞的功能完整，與新設涵洞共同發生作用。因此，對既有涵洞的定位是有別于其他類型涵洞選位的一道工序，也是首要工序。既有線往往修建年代久遠，線位周圍雜草叢生，為了避免既有涵調查的遺漏，在現場調查前，需到該區間所屬車站工務段搜集既有線涵洞的竣工資料(即“臺賬”)，根據臺賬記錄的準確里程，逐一核對，測量其孔徑、凈高與臺賬是否一致，并檢查涵洞病害情況、淤積情況，準確測量既有涵位于新建線路一側的流水面標高以及流水方向，以便新建涵洞準確對接，避免兩線間由于涵洞口標高錯位造成積水，對路基形成水害。

對于已經損壞失去功能且難以恢復的既有涵洞，可以考慮廢棄。既有涵洞若孔徑小于1.0m，可以考慮拆除，與新線側涵洞同時重建。由于現行排洪涵洞孔徑最小不能小于1.25m，灌溉涵洞也不得小于1.0m，對于既有線上小孔徑的涵洞，新線接長涵洞可以采用大孔徑進行接長，但要特別注意流水面的順接以及接口上的防水處理。

新建涵洞的位置，應由既有線涵洞涵軸延長線與新線交點確定，一般情況下角度與既有線涵軸一致，以保證順接。然而在站場范圍內，股道并不是互相平行的，由于站場范圍路基寬度很大，涵洞長度也非常長，同一個里程處同一個涵洞可能會出現折角(為了在穿越股道的時候盡量正交通過，而讓涵洞拐彎)，因此每一個節間，涵洞斜交角度是不同的，這在勘測的時候要尤為注意。定好里程后，要測多個斜交角方向的涵軸斷面。

對于一些交通涵工點，既有線的涵洞設置限制了其道路的拓寬，在確有需求的情況下，會對既有涵洞進行拆除，并借助新線修建，更換大孔徑結構，與新建涵洞同時施工。既有線部分會利用鋼便梁進行架空，并頂推現場澆筑好的框架進行替換既有涵，頂進涵洞的設計是特殊涵洞設計的一個難點，下文會進行具體的介紹。

2孔徑的擬定

對于不同功能的小橋涵，孔徑確定的控制條件各不相同，排洪涵洞控制條件是通過涵洞的流量，交通涵洞則是受控于道路凈寬及凈高要求，灌溉涵洞多是由既有溝渠的尺寸控制其截面大小，護管涵只需能容納受保護管線即可。

2.1過水涵洞的孔徑

過水涵洞包括排洪涵洞和灌溉涵洞，根據水力學計算以及國內多條長大干線的成果總結，筆者得出重現頻率為1%的框架結構尺寸與過水流量速查表，在擬定涵洞尺寸時可參照執行。表1中每一級孔徑都對應有低、中、高邊墻，在條件允許的情況下，盡量選擇高邊墻，以提高涵洞的利用效率以及方便后期的檢修維護。若填土高度及線路標高控制，可適量的選擇中、低邊墻。

表1　涵洞尺寸與流量對照

排洪涵洞的孔徑不得小于1.25m，目前新建鐵路的涵洞最小孔徑一般為1.5m。

2.2交通涵洞的孔徑

交通涵洞的孔徑不得小于2.5m，孔徑主要確定依據應該是道路實際寬度以及地方的規劃，并通過與地方相關部門的協議加以確定。若凈寬大于6m則應按框架小橋進行設計，框架小橋的跨度最大可以達到16m。

交通涵凈高主要分為3m、3.5m、4m、4.7m、5.3m幾檔。如果道路是土路，凈高一般按照3m或3.5m來預留；如果是不太重要的水泥路，一般按3.5m或4m預留，有條件的地方且當地要求強烈，也可預留4.7m；比較重要的水泥路，一般預留4m或4.5m，有條件的地方且當地要求強烈，也可預留5.3m。

2.3需要加大孔徑的涵洞

根據以上原則，可以基本確定涵洞的孔徑尺寸。但以下幾種情況，孔徑應在確定的尺寸基礎上進行適當的加大。

(1)車站內的長涵洞，孔徑應加大一級，且涵長大于30m時孔徑不得小于2m，涵長大于50m時孔徑不得小于3m。

(2)山區鐵路所采用的陡坡錯臺形式涵洞，孔徑應加大一級，以保證錯臺后凈空滿足使用和維修的要求高度。

(3)位于沖溝中，且溝內水中含有泥沙、小石塊等容易造成涵洞淤積，影響正常使用的涵洞，孔徑應在計算孔徑基礎上加大一級。

(4)涵洞入口地勢平坦，且涵前不允許積水或積水高度受限制，經涵洞與小橋比較仍需設置涵洞時，應考慮加大孔徑。

(5)排洪兼交通的涵洞也需要將孔徑加大一級。

3結束語

本文通過對小橋涵結構的勘察過程，如從結構類型選擇到位置確定以及孔徑的擬定方法進行的介紹，將工程實際中出現的瑣碎的小橋涵結構分門別類進行總結，按不同的使用范圍進行羅列，希望對從事小橋涵勘察及設計的工程師有所幫助。

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[作者簡介]陳澤宇(1985～)，男，碩士，工程師，從事高鐵橋梁設計與研究、海外鐵路項目、城市軌道交通設計。

【中圖分類號】U442.5

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-01-14