黃土地區公鐵涵洞病害特征及其差異性對比研究

趙永虎,米維軍,苗學云

(1.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州　730000； 2.青海省凍土與環境工程重點實驗室,青海格爾木　816000)

涵洞具有跨越狹小溝谷、河流、排泄路基上游水流，并兼行人、動物和車輛通行的作用，是鐵路和公路的重要組成部分。隨著我國《中長期鐵路網規劃》和《國家高速公路網規劃》的實施，高速鐵路、高速公路等重大工程建設逐步向西北地區擴展，因此，在山區高填方、溝壑等地段修建的涵洞工程數量越來越多。目前，針對涵洞構造物及其地基的設計理論與施工技術方面較為成熟，但是在不同地區和不同涵洞所處的地形地貌、地質條件、地基土承載力等方面存在較大差異，涵洞與填土剛度差異引起的涵頂土壓力集中等因素，導致涵洞結構物在運營一定時期后出現各類病害[1，2]，對涵洞的排水通行功能造成一定影響[3]。尤其是在西北黃土地區，由于黃土特殊的工程性質，涵洞在復雜地質條件、地基處理方式等諸多因素的影響之下，導致黃土地區公路涵洞病害不斷發生，甚至嚴重影響公路的正常運營與行車安全[4]。因此，很多科研人員從黃土地區涵洞病害的調研、防治等方面開展了一定的工作，如張衛兵等[4]對西部地區17條高速公路182座涵洞進行現場調研的基礎上，總結了涵洞破壞特征，分析了涵洞病害機理，并提出了針對性防治措施。李彥武[5]將黃土地區公路涵洞的主要病害類型歸納為基礎下沉、沖刷、涵洞淤積、沖毀及溯源侵蝕等5類。趙建斌等[6]探討了黃土地區公路涵洞病害的基本特征，并結合黃土地區特有的地質特征以及設計、施工等因素對病害成因進行了分析。馬騫[7]針對朔黃線鐵路涵洞出現的病害，從地質、氣候、鹽堿腐蝕、設計理論、施工、涵洞頂部填土厚度、運營等方面分析了調研段涵洞病害的形成原因，提出了對應的整套涵洞加固技術。趙永虎等[8]基于現場試驗研究了換填法和灰土擠密樁法在濕陷性黃土地區公路涵洞地基處理中的應用效果。劉宏偉[9]對青海省境內6條公路的部分路段橋涵病害及運營現狀進行了調研，將涵洞病害類型歸結為淤塞、凍害、鋪裝、跳車和斷板5種類型。阮繼紅[10]分析了鐵路涵洞在設計中存在的質量通病，并探討了濕陷性黃土等特殊土地段涵洞地基的處理辦法。這些研究成果為涵洞病害成因認識及其防治提供了理論指導，但是對黃土地區公路涵洞病害類型總結并不全面，按照發育程度或規模對涵洞病害類型沒有進行等級劃分，對公路涵洞病害特征與鐵路涵洞病害特征的差異性對比研究工作開展的較少。

鑒于此，在對青海東部黃土地區鐵路和公路涵洞病害現場充分調研的基礎上，首先分析了公鐵涵洞在結構、荷載、受力特點及管養模式方面的差異，然后依據公路涵洞病害較全面地將涵洞病害類型進行了系統總結，根據發育程度將每一種病害類型劃分為輕微、中等、嚴重3個病害等級，將涵洞病害類型與其發育程度緊密結合起來，并基于實際調研數據對青海東部黃土區公路涵洞和鐵路涵洞(以下簡稱“公鐵涵洞”)病害特征及其差異性進行對比分析，以便為黃土地區新建鐵路、公路涵洞的設計、病害勘察和防治提供理論指導和科學依據。

1　公鐵涵洞結構特點及受力特性對比分析

1.1　結構特點

涵洞按照構造形式可以分為蓋板涵、拱涵、圓管涵和箱涵等，公路涵洞常用的是蓋板涵和圓管涵，而鐵路涵洞多采用蓋板涵和箱涵。圓管涵的尺寸斷面較小，直徑多為1.0～1.5 m，因此，其承受上部荷載的能力相對較小，在公路中多設計為柔性管，而在鐵路中多設計為剛性管。蓋板涵由底板、側墻和蓋板組成，公路蓋板涵的側墻和蓋板多為分離式，鐵路蓋板涵的側墻和蓋板多為整體式。蓋板涵斷面寬度一般為2～4 m，承受上部荷載的能力較強。箱涵多用于鐵路涵洞中，斷面尺寸較大，為超靜定結構，多用于地基承載力較差的地段[11]。

1.2　荷載特點

公鐵涵洞荷載特征最明顯的區別在于承受的行車荷載大小和考慮因素不同，公路涵洞對汽車荷載按照車道荷載和車輛荷載同時考慮，根據車輪著地面積邊緣的30°角向下擴散的應力作為涵洞頂部承受的車輛豎向壓力。鐵路涵洞對列車荷載按照列車豎向靜活載和豎向動力作用2種方式同時考慮進行設計，其中豎向靜活載按鐵路標準活載“中-活載”加載設計，并假定活載在軌底平面上的橫向分布寬度為2.5 m，其在路基內與豎向夾角按正切值0.5(角度約26.5°)向下擴散至涵洞頂部；豎向動活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數計算。顯然，公路僅考慮涵洞頂部土柱荷載，鐵路涵洞頂部荷載考慮因素比較周全，都采用土壓力集中系數反映上部荷載對涵頂土壓力的影響程度，但相比之下，鐵路涵洞承受的荷載較大且受力性質更為復雜[11]。

1.3　受力特點

涵洞的結構特點和荷載特征決定了涵洞洞身承受上部受壓、兩側受擠，而端部承受水平向推力作用的受力特征。研究結果表明[12]，在同等地形、荷載等條件下，不同涵洞結構形式的受力特征略有不同，主要表現在拱涵拱內彎矩較小，拱腳處存在垂直反力和水平推力，可承受較大的荷載。箱涵的頂板和底板跨中位置均存在較大彎矩。圓管涵管壁外圈受壓、內圈受拉，管底敷設剛性墊層可改善圓管涵受力特性。蓋板涵可承受較大荷載，涵頂跨中位置存在較大彎矩，涵頂土壓力隨涵洞高度的增大而增大，隨涵洞寬度的增大而減小。因此，在滿足過水要求的前提下，“寬矮涵”的涵頂土壓力和豎向沉降變形相對于“窄高涵”要略小。

1.4　管養模式

我國對公鐵涵洞在檢查與養護方面也存在一定差異，《公路涵洞養護規范》[13]規定對涵洞檢查分為經常檢查和定期檢查，結合檢查結果對涵洞進行日常養護。經常檢查要求每月至少檢查2次，在冰雪、洪水前后應加強檢查。經常檢查中發現涵洞出現較大損壞或排水堵塞時記錄并上報上級管理單位。定期檢查要求每年至少檢查1次，在接到病害報告后應增加檢查次數，并填寫“涵洞定期檢查表”，基于調查情況對涵洞技術狀況綜合做出好、較好、較差、差、危險5個等級的評定，并對涵洞日常養護、維修、加固、改建等提出合理建議。

我國《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準》(TB2820.2—1997)中涵渠部分明確將鐵路涵洞病害分為開裂、下沉錯位、基底掏空、腐蝕風化、孔徑不足、防護設備損壞等6種類型，并根據發育程度將病害類型分為4個等級。對比來看，公鐵涵洞檢查方式和病害劃分標準并沒有考慮特殊地區的差異性，對病害整治時機、修護標準沒有明確的規定，一定程度上反映出管養模式的弊端，目前對涵洞的管養多依賴公路、鐵路按地域管轄直接管養模式，市場化管養模式還未得到有效推廣，新型管養體制、運作模式等有待深入研究和實踐。

2　涵洞調查概況及涵洞病害類型

2.1　涵洞調查概況

青海省東部分布的黃土面積范圍廣、厚度從幾米到幾十米不等，大部分呈Ⅱ級或Ⅲ級自重濕陷性[14]，境內的多條高等級公路、鐵路工程修建時不可避免地將路基建造于經適當處理后的濕陷性黃土之上，黃土在天然狀態下具有較高的地基承載力和穩定性，但是在雨水下滲、含水率增大條件下會表現出濕陷性，從而導致黃土地基強度降低，出現嚴重沉降變形，長期積累會引發諸如涵洞基礎開裂、涵洞頂部路面開裂、涵洞局部下沉等病害。針對公路和鐵路涵洞病害發育的廣泛性和地域性特征，選擇建造年代相近、等級標準基本一致、交通流量接近、維護管養模式比較相同的公路或鐵路對其涵洞病害進行調研。首先對位于青海省東部黃土地區的4條高等級公路和1條鐵路涵洞病害進行了初步調查，在普查的基礎上，最終確定了在黃土區段涵洞病害發育數量較多且發育類型較全面的2條高速公路、2條一級公路和1條普通鐵路的重點路段進行詳細調查，即西寧—蘭州高速公路(以下簡稱“西蘭高速公路”)老鴨村至平安段、平安—阿岱高速公路(以下簡稱“平阿高速公路”)平安至古城段、西寧—互助一級公路(以下簡稱“寧互一級公路”)、西寧至湟源一級公路(以下簡稱“西湟一級公路”)、蘭州至西寧鐵路(以下簡稱“蘭西鐵路”)高廟村至平安段。為增加可比性，調研段涵洞均分布在黃土區，對比分析的公鐵涵洞運營時間都在12～15年，3條公路的交通流量和管養模式等基本一致。共調查公路涵洞累計里程約113.7 km，各類涵洞408座，其中出現病害的涵洞有379座，占公路涵洞調查總數的92.9%；鐵路涵洞調查里程為K91+040～K141+333，共計調查了59座涵洞。調查期間對每一座涵洞的病害類型、病害特征及其發育程度進行了詳細記錄，并在室內進行統計分析。公鐵涵洞病害調查結果統計見表1。

表1　青海東部公鐵涵洞病害調查結果統計

2.2　涵洞病害類型劃分

為了對涵洞病害做定量統計和定性分析，參考已有文獻并結合工程經驗[6，15，16]，對公路涵洞病害類型總結為8類，分別為涵洞下沉、基礎開裂、護錐翼墻沉降開裂或傾斜錯位、涵節錯位或填縫脫落、內部積水淤塞、進出口積水淤塞、涵背填土塌陷、涵頂路面開裂。其中對涵洞下沉可細分為涵洞整體下沉和弧形下沉2類，對基礎開裂可分為橫向開裂和縱向開裂。這些病害類型基本涵蓋了在黃土地區公路涵洞發生的各種病害，適用于蓋板涵、箱涵、管涵等各類涵洞，對鐵路涵洞病害也具有一定參考價值。這種對公路涵洞病害類型的全面總結和類型劃分，不僅有利于在現場對涵洞病害快速調查和統計，更為在室內對涵洞病害情況做綜合評價奠定了良好基礎。

2.3　涵洞病害發育程度劃分

在調研現場僅僅記錄涵洞病害出現的類型對于室內統計分析工作是遠遠不夠的，還需定性或定量的對涵洞發育的規模或程度進行分析，因此，為了在調研現場快速記錄涵洞病害發育類型對應的發育程度或規模、快捷記錄可靠數據、在室內定量和定性相結合準確評價涵洞病害發育狀況、為管養單位對涵洞病害合理養護方式和最佳整治時機決策提供參考，在分析前期普查資料和參考已有相關規范、文獻的基礎上[16-21]，結合現行有關規范而劃分和總結的，對公路涵洞每一種病害類型劃分為輕微、中等、嚴重3個病害等級，每一病害類型與各自病害等級之間存在數量和規模上的一一對應關系，在現場以實際測量得到的變形量進行統計，并以遵循最不利原則優先確定病害等級，以便為公路管養單位提供及時有效信息和最佳治理時機。表2為黃土地區高等級公路涵洞病害類型及其發育程度等級劃分系統分類，適用于黃土地區高等級公路涵洞病害調查統計，也對其他地區公路涵洞和鐵路涵洞病害類型劃分及統計具有借鑒作用。本文對蘭西鐵路涵洞病害也是基于此劃分結果進行調研統計的。

表2　黃土地區高等級公路涵洞病害類型及其發育程度系統分類表

3　公鐵涵洞病害特征及差異性分析

涵洞病害特征的描述總體上主要包括調查段涵洞病害發育的主要病害類型及其發育程度或規模等2個方面，重點以調研的西蘭高速公路老鴨村至平安段和蘭西鐵路高廟村至平安段涵洞病害調查結果為例，對涵洞病害特征及其差異性進行簡單分析。

3.1　公路涵洞病害特征

對西蘭高速公路老鴨村至平安段現場調研段里程為K1736+000～K1791+200，總共調查了257座涵洞，其中包括208座蓋板涵、48座管涵和1座箱涵，圖1顯示了西蘭高速公路涵洞病害類型在調查段的病害發育比例，可以看出西蘭高速公路出現較多的病害類型是內部積水淤塞、涵洞頂部路面開裂、進出口積水淤塞等，其病害率分別為67.3%、57.6%、55.6%。翼墻沉降開裂或傾斜錯位的比例為39.7%，病害數量達102座，可見涵洞翼墻沉降開裂或傾斜錯位病害發育水平也較高。在8種典型病害中病害發育較多的類型有4種。圖2顯示了不同病害類型與其發育程度之間的對應數量關系，從中可以直接得到不同發育程度的不同病害類型數量，其中涵洞頂部路面開裂和內部積水淤塞發育輕微的數量最多，分別有142座和113座。發育嚴重的病害類型為內部積水淤塞、進出口積水淤塞和翼墻沉降開裂或傾斜錯位，分別有9座、7座和4座。總體來看，各種病害類型以發育程度為輕微的居多，而發育程度為嚴重的占極少數。

圖1　西蘭高速公路調查段涵洞病害類型與發育數量統計

圖2　西蘭高速公路調查段涵洞病害類型與發育程度統計

3.2　鐵路涵洞病害特征

圖3和圖4分別為蘭西鐵路調研段內涵洞病害類型與發育數量、發育程度統計結果，可以看出，鐵路涵洞不存在涵頂路(軌)面開裂的情況，經調查發現，也沒有出現涵背填土塌陷病害。調查的59座涵洞中，56座為蓋板涵，3座為管涵。蓋板涵發生病害的數量有41座，占蓋板涵調查數量的73.2%，主要病害類型有涵洞內部積水、進出口積水、涵洞基礎出現裂縫、翼墻或護錐發生沉降開裂或傾斜錯位等。蓋板涵發生洞內外積水淤塞的病害類型是蘭西鐵路最常見的病害，其病害數量占蓋板涵病害數量的39.3%。基礎發生縱向或橫向裂縫、翼墻或護錐傾斜錯位、洞身錯位與填縫脫落病害數量基本相當，調查中有8～9處，占蓋板涵調查病害數量的14%～16%。而管涵中有2座涵洞的內部和進出口存在一定量的積水，再未發現別的病害。

圖3　蘭西鐵路調查段涵洞病害類型與發育數量統計

圖4　蘭西鐵路調查段涵洞病害類型與發育程度統計

從涵洞病害發育程度來看，蘭西鐵路涵洞的各種病害類型發育程度均以輕微占絕大多數，僅有1座涵洞出現嚴重的進出口和內部積水情況。從整體來看，蘭西鐵路涵洞的病害類型較單一，病害程度也比較輕微，對列車運行的影響很小。

3.3　差異性對比分析

從調查的公鐵涵洞病害發育數量和發育程度等方面綜合分析后，可以看出二者之間存在明顯的差異性，主要表現在以下幾個方面。

(1)在涵洞病害發育典型類型或病害表現形式方面，鐵路涵洞主要是涵洞內部積水和進出口積水等病害，而公路涵洞則是內部積水淤塞、涵頂路面開裂、進出口積水淤塞、翼墻沉降開裂或傾斜錯位等，即鐵路涵洞病害最明顯和最直接的表現形式是洞內外積水，而公路涵洞病害則以水害和由水害導致的涵洞地基沉降引起的病害為主。調查顯示，公鐵涵洞的交通涵和排水涵都存在涵內積水的病害，但排水涵內部積水病害數量比交通涵略多，同比之下，公路排水涵比鐵路排水涵更容易出現內部積水淤塞病害。總體來看，青海東部黃土區調研區段鐵路涵洞出現的典型病害類型明顯比公路涵洞典型病害類型少。

(2)公路涵洞在調研區段基本會間斷出現8種病害類型，有些涵洞會同時出現3～5種病害，而鐵路涵洞出現的病害類型較少，而且大部分涵洞出現的病害類型較為單一，基本沒有出現涵頂路(軌)面開裂或沉降的情況。

(3)從涵洞病害發育程度來看，蘭西鐵路涵洞病害類型的發育程度也以輕微居多，中等病害的比例很小，嚴重病害的比例極其少有。而青海東部黃土地區公路涵洞病害發育程度則以輕微和中等比例較大，個別涵洞的病害已達到嚴重的程度，即鐵路涵洞病害發育程度明顯比公路涵洞病害程度輕。

4　成因分析及對策

之所以存在以上明顯差異性的原因主要是以下幾方面導致的：(1)公鐵涵洞在設計標準規定上的差異。《公路涵洞設計細則》中規定公路涵洞基礎工后沉降不應大于200 mm[17]，而《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》中規定鐵路涵洞基礎工后沉降不應大于100 mm[20]，顯然，僅從工后沉降來看，鐵路涵洞設計標準比公路涵洞設計標準嚴格很多。現場調查顯示，鐵路涵洞基本為現澆整體式鋼筋混凝土結構，涵洞本身結構承載力很強，本身難以發生病害。受造價、工期、地形等諸多因素限制，公路涵洞的設計標準相對較低，涵洞結構本身在運營期出現病害的可能性較大。(2)管養模式或體制的差異性，導致涵洞病害檢查或整治時機不同。鐵路管養部門對涵洞病害養護及時，病害不容易擴展或進一步惡化，在病害初期就已經進行整治或修補，減少了病害的發生率。而公路管養部門對公路涵洞進行維修或整治的頻率相對較少，且管養人員的業務能力、素質和意識有待提高。(3)公鐵涵洞受力特征的差異性，對涵洞出現的病害類型及其發展具有間接的影響，具體來說，鐵路涵洞承受動荷載的持續時間長、頻次低，會引發洞身錯位或填縫脫落、基礎開裂等病害，但基本不會出現涵洞下沉或軌頂開裂的情況；而公路涵洞承受行車動載的持續時間短，但頻次高，對涵洞頂部路面或進出口翼墻的影響較大，因此，導致涵洞出現的病害類型及位置有所區別。

因此，在分析公鐵涵洞病害的差異性的基礎上，可以得到如下認識。

(1)為了從根本上避免黃土地區公路涵洞在運營期出現各類中等病害，應參考鐵路涵洞、尤其是高速鐵路涵洞的設計理念與方法，從設計標準角度出發，在對地形地貌、勘察資料充分考慮的前提下，盡量提高公路涵洞設計標準，從涵洞平面布設、地基處理措施、防排水設計、涵洞類型設計等方面進行優化設計，根本上解決新建各類涵洞或鐵路涵洞在后期出現嚴重病害的問題。

(2)參考鐵路及其附屬設施(包括涵洞等)的管理模式，對公路涵洞尤其是對高等級公路涵洞出現的病害進行定期檢查和養護，發現中等病害及時整治，對病害易發路線或路段應加大維護與排查力度，嚴防病害由輕微向中等、嚴重程度惡化。

(3)應對公路涵洞病害發育程度的劃分標準與鐵路涵洞病害發育程度的劃分標準區別對待，對普通鐵路與高速鐵路、一般地區與特殊地區(如凍土區、軟土區等)的病害類型與其發育程度的劃分等級也應該視實際情況而定。

5　結論與建議

本文在對青海東部黃土地區公鐵涵洞病害現場充分調研的基礎上，對其病害類型及特征進行了分析，并探討了鐵路涵洞和公路涵洞病害差異性，得到如下結論。

(1)黃土地區高等級公路涵洞的主要病害類型有涵洞下沉、涵頂路面開裂、翼墻沉降開裂或傾斜錯位、涵節錯位或填縫脫落、基礎開裂、內部積水淤塞、進出口積水淤塞、涵背填土塌陷等。

(2)蘭西鐵路涵洞在黃土區段出現的病害類型主要是涵洞內部積水和進出口積水等，基本沒有出現涵頂路(軌)面開裂或沉降的情況。

(3)相對于公路涵洞病害，青海東部黃土地區蘭西鐵路涵洞病害明顯較少，病害程度也比較輕微，發育程度以輕微居多，中等病害的比例很小，嚴重病害的比例極其少有。

(4)公鐵涵洞病害的差異性是由涵洞結構自身特征、荷載及受力特征、地基巖土體特性、施工因素、管養模式等綜合因素導致的，因此，應區別對待公鐵涵洞病害類型及其發育程度的劃分標準和等級，同時應考慮特殊巖土體地基特性的影響。

(5)對黃土地區新建高等級公路的涵洞設計應借鑒鐵路涵洞設計標準，避免或減少運營期公路涵洞出現多種病害。

本文分析的公鐵涵洞病害特征及其差異性是針對青海東部黃土地區工程調研得到的，相對于調研的公路涵洞數量，鐵路涵洞調查樣本數量偏少，對鐵路涵洞出現的病害類型及其特征總結并不全面，對公鐵涵洞病害發育程度的等級劃分標準還需進一步研究和完善。受地域特征、地質條件、地形地貌等因素的影響，公鐵涵洞病害特征及差異性會有所不同，應區別對待。

參考文獻：

[1]朱健.高填方涵洞涵頂土壓力及地基承載力研究[D].武漢：湖北工業大學，2016.

[2]陳保國，宋丁豹，王云輝，等.減載式剛性涵洞減載機理與受力特性研究[J].華中科技大學學報(自然科學版)，2016，45(4)：79-84.

[3]趙立巖.混凝土圓涵洞的病害分析及預防[J].公路，2001，46(11)：60-62.

[4]張衛兵，劉保健.西部山區高填路堤涵洞病害及其防治對策[J].中外公路，2007，27(1)：35-39.

[5]李彥武.黃土地區公路路基病害分析與防治對策研究[D].西安：長安大學，2001.

[6]趙建斌，李萬樂，申俊敏，等.黃土地區高速公路涵洞病害調查及分析[J].土木工程與管理學報，2014，31(1)：24-28.

[7]馬騫.朔黃線K549+014涵洞病害原因分析與加固技術[J].鐵道建筑，2017(1)：84-87.

[8]趙永虎，米維軍，孫潤東，等.濕陷性黃土區公路涵洞地基處理措施效果研究[J].鐵道工程學報，2017，34(1)：6-10.

[9]劉宏偉.青海地區公路橋涵病害調査及整治探討[D].合肥：合肥工業大學，2016.

[10] 阮繼紅.鐵路小橋涵設計質量通病探析[J].鐵道標準設計，2011(4)：55-58.

[11] 朱偉亞.既有鐵路涵洞評定與數值分析研究[D].北京：北京交通大學，2015

[12] 周文歡.高填路堤下涵洞結構型式研究[D].西安：長安大學，2006.

[13] 中華人民共和國交通部.JTG H11—2004 公路橋涵管養規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[14] 吳燕開，邱勇，李永利.西湟一級公路濕陷性黃土處理探討[J].公路交通科技，2004，21(4)：28-32.

[15] 戴鐵丁.公路涵洞病害處治技術研究[D].西安：長安大學，2005.

[16] 趙永虎，米維軍，孫潤東，等.黃土區涵洞病害發育特征研究[J].公路，2017，62(6)：8-11.

[17] 中華人民共和國交通部.JTG/T D65—04—2007 公路涵洞設計細則[S].北京：人民交通出版社，2007.

[18] 中華人民共和國交通部.JTGC20—2011 公路工程地質勘察規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[19] 中華人民共和國交通部.JTGD63—2007 公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京：人民交通出版社，2007.

[20] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[21] 杜鵬，譚瀟，王東明.公路涵洞震害分析與破壞等級劃分[J].地震工程與工程振動，2014，34(1)：187-192.