大跨徑波形鋼管涵在高填石路堤中的應用探討

劉敬霜 黃華顯

文章通過介紹波形鋼管涵的設計原理、技術要求、施工工藝、技術優勢，結合廣西某高速公路高填方填石路堤中大跨徑波形鋼管涵的應用案例，闡述了波形鋼管涵的應用效果和推廣價值。

高速公路;大跨徑;波形鋼管涵;應用

0?引言

簡單來說，波形鋼管涵是一種采用螺栓將多片波形鋼板片拼接而成的管涵。由于波形鋼板片厚度較薄、重量較輕，且便于運輸存放，使得波形鋼管涵也具有了現場安裝方便、拼裝進度快、施工工藝簡單、工程工期短、環保節能等優點。同時，波形鋼管涵屬于一種柔性結構，拼接完成后與周圍土體形成一種組合結構，分散荷載的應力集中，共同受力。本文結合廣西某高速公路建設工程實例，詳細說明了波形鋼管涵的使用優勢、工作原理、施工工藝及取得的效果。

1?工程概述

廣西某高速公路K29+687段原設計為鋼筋混凝土蓋板涵，涵長102.462 m。根據現場的水文調研，該蓋板涵并不能滿足該處雨季的最大過水量，且施工蓋板涵并不能滿足此處高填方路基填筑進度要求。經設計單位研究，將原設計k29+687段的鋼筋混凝土蓋板涵變更為k29+650段的波形鋼管涵。

2?波形鋼管涵的優勢

2.1?不均勻沉降可能性低

從材料與結構、功能的本質關系來分析，不均勻沉降是破壞高速公路涵洞、通道的主要形式之一。波形鋼管涵作為一種高強度材料的柔性結構，不僅具有適應地基與基礎變形的能力，而且由于波形鋼管涵布設有軸向波紋，可以在更大程度上分散荷載的應力集中，更好地發揮鋼結構的優勢，具有解決因地基、基礎不均勻變形導致涵洞破壞問題的能力。

2.2?地基承載力要求低

一般的鋼筋混凝土蓋板涵要求地基承載力應≥0.25 MPa，而波形鋼管涵一般

要求為0.15 MPa，從而大大減少了清除不適合材料、軟基換填等地基處理的工程量。

2.3?工藝簡單，施工進度快

k29+687段鋼筋混凝土蓋板涵若按原設計圖施工，由于基礎處理工作量大、涵洞長度較長等原因，該涵洞工期約為40 d;而采用波形鋼管涵施工，由于具有自重輕、運輸方便、拼裝工藝簡單、施工進度快等優點，在增加人員及機械等資源的情況下，僅用4 d就可完成管涵拼裝部分的施工。

2.4?有利于環保

采用波形鋼管涵施工時，由于地基承載力要求低，減少了基礎處理時棄土、借土（石）的工程量，同時也減少了原設計鋼筋混凝土蓋板涵的鋼筋、水泥、砂石等材料，具有較好的節能環保效應。

2.5?經濟效益明顯

直徑5 000 mm、波形380 mm×140 mm、壁厚5 mm的鋼波紋管造價為13 500元/m（含安裝費、運費），而對應尺寸的鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵每延米的造價基本在2萬元左右。由此可見，采用鋼波紋管涵有利于施工成本的控制，具有較好的經濟效益。

3?波形鋼管涵的設計方案

3.1?主要設計方案

該波形鋼管涵設計為2孔5 m的過水涵洞，與路線交角90°，涵長90 m，進出口形式為八字墻。主要設計指標如下：

（1）波形鋼管涵的波形尺寸為380 mm×140 mm，壁厚5 mm。波紋管為環向4片拼裝，成型后單塊板寬度為1 620 mm（4個完整波紋）。鋼板材質選用Q345，表面為熱浸鍍鋅，鍍鋅量≥900 g/m2（雙面合計），熱浸鍍鋅后波紋鋼板表面做熱熔覆塑。

（2）波形鋼管拼接成型后各接縫處及螺栓接口處用耐候密封膠密封。

（3）為保證波形鋼管涵的強度及剛度，減少接縫強度衰減，波紋鋼管上的接縫以最少為原則。

（4）波紋鋼板上不允許有任何焊接。

（5）地基承載力≥0.15 MPa，否則應采取換填或其他加固措施。

3.2?波形鋼管涵結構驗算

本項目采用的鋼波紋管涵波形尺寸為380 mm×140 mm，直徑D=5 m，厚度t=5 mm，填石高度H=18.17 m，鋼材材質為Q345。

（1）荷載計算：設計荷載主要考慮管頂以上填土高度恒載和行車荷載的綜合作用，總荷載為：Pv=274.5 kN/m2。

（2）環向壓力：為適應管材管壁受到徑向壓力而產生的變形，管涵結構必須有足夠的強度。作用于管面的波紋管環向壓力C=686.25 kN/m。

（3）極限應力計算：當取安全系數為2時，極限應力的計算值為1 550 kg/ cm2。

（4）波紋管涵強度校核：PC=C/A=686.25/0.713=962.5 kg/ cm2<1 550 kg/cm2。

（5）施工剛度：根據柔度系數FF=D2/EI=0.010 19，<設計值0.114。本工程中波紋管符合施工的剛度要求。

4?波形鋼管涵的施工工藝

拼裝波紋涵管主要施工工藝及程序為：基坑開挖→基礎墊層→拼裝波形鋼管管涵→密封膠密封接縫→涂刷瀝青防水層→管底楔形部位填壓→兩側和管頂部位回填→壓實→洞口處理。

4.1?基坑開挖

基坑開挖應嚴格按施工圖要求進行，當基底土為淤泥等不良土層時，應采取換填碎石等加固處理措施，保證基底承載力≥0.15 MPa。開挖完成后，不得出現長期暴露、擾動、浸泡等安全隱患，應在檢測基坑尺寸、基底標高、基底承載力等指標滿足設計要求后，立即進行基礎施工。

4.2?基礎墊層

波形鋼管涵的地基必須滿足設計承載力要求，并應做成與管身弧度密貼的弧形管座。管座基礎墊層應采用材質均勻、無大石塊硬物等滿足設計要求的材料。當管涵地基為巖石或混凝土時，應在管節與地基之間設置砂礫墊層或其他適宜材料，避免管節受損變形。基礎砂礫墊層根據設計文件要求的寬度、厚度進行施工，每層壓實層厚應≤20 cm，壓實度≥96%。

4.3?波形鋼管管涵拼裝及安裝

波形鋼板片運輸至現場后，一般在涵洞基坑施工完成的基礎墊層上進行拼裝。拼裝的主要流程為：（1）拼裝底板，以涵洞中心軸線和中點為基準定位第一塊波形鋼板片，然后向兩端延伸至管涵進出口;（2）拼裝環向板，從已經確定的基準底板開始拼裝，由下向上環向依次進行，并向兩端延伸至管涵進出口。

拼裝應注意的事項為：（1）相鄰節段的周向搭接縫必須錯位布置，嚴禁接搭處有4層或4層以上的重疊;（2）管節拼裝時，上游管節的端頭應置于下游管節的內側，不得反置;（3）采用法蘭盤或管箍環向拼裝時，應將螺栓孔的位置對準，并應按產品設計規定的扭矩值進行螺栓的施擰;（4）應設置預拱度，通常可為管長的0.6%～1.0%，最大≤2.0%，以保證管道中部不出現凹陷或逆坡為準;（5）波形鋼板上不允許有任何焊縫。

4.4?密封膠密封接縫

在波形鋼管涵鋼片拼裝完成后，應立即開展管涵密封防腐處理工作。通過采用膠槍等專用工具，在鋼管結構鋼片搭接、端部搭接、連接螺栓等空隙較大的位置裝填封孔耐候膠，進一步提高波形鋼管涵的整體密封性。

4.5?涂刷瀝青防水層

波形鋼管板片運輸至現場時，應根據規范要求檢測其鍍鋅層厚度、鍍鋅量等指標，不滿足要求的應堅決退場。如果管節內、外管壁均進行了噴塑，則須在外管壁上增加涂刷瀝青防水層工藝;如果管節內、外管壁均沒有噴塑，則均須在內、外管壁上增加涂刷瀝青防水層工藝。瀝青防水涂層可以采用含有石棉纖維的厚瀝青涂料或含有瀝青煤油的拌合物涂料，厚度須達0.4～0.5 mm。瀝青防水涂層晾干后方可進行下一步的回填工作。

4.6?管底楔形部位回填砂礫

該部位砂礫的回填碾壓質量是整個工程回填質量控制的關鍵，本項目采用了粗砂（天然砂、機制砂）“水密法”進行振搗密實。主要施工流程為：在管涵結構最大直徑兩側20 cm范圍內，人工配合機械攤鋪粗砂，每層松鋪厚度為30 cm。在粗砂攤鋪邊緣處采用黏土袋堆碼包邊，并布設過濾層及直徑≥10 cm的排水PVC管。每層攤鋪粗砂均需在注水的同時進行振搗，振搗棒移動方向應與順坡排水方向一致，由高向低移動。每層攤鋪粗砂完成注水振搗后，應進行壓實度檢測，壓實度≥96%。

4.7?兩側和管頂部位回填

在波形鋼管涵結構兩側1倍直徑及頂部2 m范圍內，應根據施工圖設計中涵背回填的材料、粒徑、級配等具體要求進行施工。回填的先后順序為：管涵底部兩側楔形位置→管涵兩側1倍直徑范圍內→管涵頂部2 m范圍內。回填過程中應確保在兩側對稱且均衡的狀態下作業。

4.8?壓實

涵洞兩側回填時，應該根據現場實際情況采用相適應的碾壓、夯實機具，在確保波形鋼管涵結構安全的同時，應保證涵背回填土的壓實度≥96%。由于該段路基為填石路堤，在管涵結構兩側20 cm至1倍直徑范圍內，應選擇透水性好、易壓實、固結完成快、壓縮變形小的砂性土、砂礫土、碎石土等符合路基施工要求的填料及采用級配碎石填料，其中級配碎石最大粒徑≤37.5 mm，壓碎值≤30%，4.75 mm以下石屑摻量控制在40%左右。管涵結構兩側1倍直徑范圍以外，應采用22 t羊足碾按照填石路堤的工藝要求進行碾壓，填石路堤壓實層厚≤50 cm，填石粒徑≤30 cm。涵管頂部回填土（石）厚度<50 cm時，應采用<6 t的壓路機靜壓壓實，層厚<20 cm，壓實度≥96%。涵管頂部回填土（石）厚度>50 cm時，方可采用12 t以上壓路機進行碾壓，層厚<20 cm，壓實度≥96%。涵管頂部回填土（石）厚度>300 cm時，方可按照填石路堤的方式進行正常碾壓。

4.9?洞口處理

在涵洞兩側回填過程中，波形鋼管涵管壁可能會產生一定范圍的變形現象。為避免該變形現象對洞口混凝土八字墻的影響，應采取如下處理方式：在波形鋼管涵拼裝完成后，八字墻墻身僅施工至管涵頂標高，暫不施工帽石，并采用兩排沙（土）袋進行臨時擋土;待完成涵洞兩側填土及涵頂路基土石方施工15 d后，再清理臨時擋土的沙（土）袋，并繼續施工涵洞八字墻剩余工程。

5?施工效果

該波形鋼管涵施工后，利用原布設觀測點定期觀測了約1.5年。經觀測發現：（1）該段路基穩定性較好，未出現明顯下沉、沉降等現象;（2）波形鋼管涵內部未發現錯臺、凹陷、脫空、腐蝕等現象;（3）內部未見積淤、堵塞現象，管涵排水順暢;（4）波形鋼管涵端頭與八字墻混凝土銜接處未發現開裂現象。工程整體施工情況較好。

6?結語

高速公路的涵洞除了實現基本的排水功能以外，還需綜合考慮環境保護、工程造價、施工進度、施工環境等因素。波形鋼管涵在技術經濟、社會效益，特別是施工進度、工程造價方面均有較大優勢，在高速公路施工中具有較大的推廣價值。

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