波紋鋼管涵填埋技術分析

汪 永 奇

(安徽省路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230031)

1 概述

傳統的鋼筋混凝土涵洞在運營后期，常因結構剛度較大，不能適應地層的變形而帶來一系列問題，如管涵結構開裂與破損、涵頂路面開裂、路面平整度不達標、路面剛度突變導致車輛通過時的不平穩等[1，2]。然而，波紋鋼管涵在合理設計與施工的情況下，理論上更容易避免上述工程病害。由于波紋鋼管涵的波紋的存在，使管涵在橫向具有比無波紋時更大的剛度，同時在管涵縱向具有良好的柔性，其變形性能良好，可充分發揮鋼材的力學與變形性能，從而達到了管涵在縱向上良好地適應地層的不均勻沉降，因此尤其適用于老路拓寬的公路工程。波紋鋼管涵相比傳統的圬工橋涵、鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵、拱涵等而言具有諸多優點，如工程實際造價比同類跨徑的橋、涵洞低；現場拼裝施工，施工工期短[3-6]。

波紋鋼管涵在國內使用十余年，從一開始的在青藏鐵路和公路的應用研究，為后期使用推廣奠定了良好的基礎，目前已在很多地質地形情況下應用，并取得了一定的經濟與社會效益，先后在多年凍土區、濕陷性黃土區、軟土區、沿海區、沼澤區、山區高填方、平原淺填方區、膨脹土區等地形特征中應用。在國外同樣也得到了較好的應用，涉及行業包括公路、鐵路、礦區、市政管線[7]。然而，基于波紋鋼管涵的力學特性，在填埋過程中也將面臨特殊的問題，且波紋鋼管涵的填埋質量問題直接關系到路面質量。本文先對波紋鋼管涵施工面臨的問題及對路面的影響進行了調研，在此基礎上提出了波紋鋼管涵填埋方法及填埋過程中的相關注意事項。論文成果對推廣波紋鋼管涵的應用具有重要作用。

2 波紋鋼管涵的工程應用及面臨的工程問題

2.1 波紋鋼管涵工程應用概述

波紋鋼管涵在我國工程中應用主要是在20世紀末，由于波紋鋼管涵的波紋的存在，使管涵的橫向剛度比同等用鋼量的鋼管涵具有更大的剛度，同時在波紋鋼管涵縱向具有良好的柔性，其變形性能良好，可充分地發揮鋼材的力學與變形性能，從而達到了管涵在縱向上良好地適應地層的變異性，因此尤其適用于老路拓寬的公路工程。結合相關研究與工程應用的調研與分析表明，波紋鋼管主要適用范圍有：

1)高填方路段。

采用拱涵或蓋板涵地基承載力不滿足要求，或施工質量難以保證且費用較高時；

2)山區公路。

澆筑混凝土使用的原材料缺乏，施工用水困難，或水泥、鋼材等材料運輸不便時；

3)不良地質條件。

常年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等特殊地區，地基不均勻沉降可能對剛性涵洞造成破壞時；

4)北方地區。

受工期影響或季節氣候制約，采用混凝土結構難以滿足質量及工期要求時；

5)快修工程。

應急搶險、救災等對工期要求較緊的涵洞；

6)一般公路工程。

與同等跨度的常規混凝土管涵、蓋板涵和箱涵相比，波紋鋼管涵洞在受力性能、施工工期、使用壽命、行車舒適度、養護成本、綜合造價等綜合因素具有可比性時；

7)公路拓寬工程。

新建公路基礎與既有公路基礎易發生差異沉降，而波紋鋼管涵因波紋的存在，可良好地適應地基的不均勻沉降。

2.2 波紋鋼管涵面臨的問題分析

波紋鋼管涵應用主要面臨兩大問題：一是不便施工；二是對路面的不利影響。對已有研究調研表明，現場施工時，波紋鋼管涵在填埋過程中環縫接頭易發生破壞；施工過程中局部荷載作用易導致波紋鋼管涵發生局部內凹；不對稱填土或施工設備直接作用在波紋鋼管上可能導致波紋鋼管發生失穩破壞，如圖1所示。

從已有的波紋鋼管涵頂部路面調研來看，當管涵直徑較大，且上覆土厚度較小時，管涵頂部路面易發生路面開裂，如圖2所示，由于管涵結構與土層無法達到協調變形，由此將導致管涵上覆土層出現不均勻沉降，如圖3所示。

3 波紋鋼管涵填埋施工

3.1 波紋鋼管涵填埋施工方法

現有的上埋式波紋鋼管涵填埋施工過程中，一般先放置波紋鋼管涵，再逐層填土并碾壓。現有的施工方式中，在波紋鋼管涵下半部分的側部不便于碾壓操作；而在波紋鋼管涵上半部分的側部及波紋鋼管涵頂部填筑施工時，因波紋鋼管涵剛度過小，填土與碾壓過程中易導致波紋鋼管涵發生局部變形，因而不利于填土碾壓施工。波紋鋼管涵周圍碾壓不密實，在波紋鋼管涵上部填土過程中，波紋鋼管涵發生橫橢圓變形時其水平地層抗力增加并不多，由此導致波紋鋼管涵的最終橫橢圓變形過大，甚至發生失穩而坍塌。不便碾壓區如圖4所示。

為了確保波紋鋼管涵填埋質量，在此提出采用部分溝埋式填埋方法，同時采用臨時內支撐防止填埋過程中導致波紋鋼管涵發生過大變形，具體包括：

1)填土并碾壓到管涵一半高度；2)開挖形狀與波紋鋼管下半部形狀匹配的溝槽(如圖5a)所示)；3)溝槽整理后管涵放置或拼裝(如圖5b)所示)；4)管涵內部設置內支撐(如圖5c)所示)；5)上部填土；6)填土到管涵頂部1 m～2 m，或水穩層以下后，內支撐拆除；7)在內支撐拆除后再填筑過程中，注意觀測，對變形不穩定的波紋鋼管涵，考慮進行內加形狀匹配的圓鋼管加固。

通過上述施工方法與措施，在波紋鋼管涵填埋時，方便將波紋鋼管周圍的填土壓實，且在填土施工時，防止管涵發生過大變形，甚至坍塌，最大限度地使管涵保持設計形狀，防止道路運營后因管涵變形導致路面發生不均勻沉降。

3.2 波紋鋼管涵填埋注意事項

根據上述調研與分析，并結合現場試驗研究，提出如下波紋鋼管涵填埋建議：

1)管涵基底處理應盡量與兩側同深度位置的路基基底相同；

2)挖至標高的土質基礎不得長期暴露，擾動或浸泡，并應及時檢查基礎高程，基底承載力等；

3)波紋鋼管涵的基礎必須有足夠強度、穩定性和均勻性，但不必比管涵結構周圍承受回填材料的原狀土體更強；

4)對預計地基有一定沉降的情況，考慮到水流的要求和結構的整體性，應該設置基礎的縱向預拱度，基礎在涵管縱向預拱度一般為0.5%～1%；

5)回填材料應符合填料的基本要求，尤其要注意管涵側部的填土。回填料應傾倒在結構兩側1.0倍直徑以外，再采用推土機或挖掘機移至管涵側部或上部；

6)波紋鋼管涵兩側回填應對稱施工，分層回填，每層厚度為25 cm～30 cm；

7)緊挨波紋鋼管涵位置用機械夯實，管底下方楔形部要特別注意，防止壓實不足影響路基路面的穩定性與耐久性；

8)涵洞兩側回填應采用振動壓路機壓實，但不宜離管涵太近；

9)涵管上方當回填厚度小于50 cm時采用手扶振動壓路機壓實或采用小于6 t的靜碾壓路機壓實，壓實度應介于93%～95%之間。當涵管頂填土大于50 cm～100 cm后，方可采用輕型壓路機碾壓施工，每層厚度25 cm～30 cm，壓實度應介于93%～95%之間；

10)管涵填筑施工過程中做好結構變形監測，以便調整填埋施工方案。

4 結論

1)施工過程中局部荷載作用易導致波紋鋼管涵發生局部內凹；不對稱填土或施工設備直接作用在波紋鋼管上可能導致波紋鋼管發生失穩破壞。

2)現場調研表明，波紋鋼管涵上部路面易發生沉陷與開裂破損。

3)提出了采用部分溝埋式填埋方法，同時采用臨時內支撐防止填埋過程中導致波紋鋼管涵發生變形。

4)結合現場試驗研究，提出了波紋鋼管涵填埋建議與注意事項。