拐彎鋼波紋涵在山區公路中的應用

于 博

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

鋼波紋管作為一種柔性結構物，其在結構上能夠對橫向位移進行補償，能夠高效發揮鋼材的抗彎拉性能，具有較強的抵抗變形和抵抗沉降的特性，且在現場施工過程中具有運輸存放方便、施工工藝便捷、施工工期短等優點。文中以京昆國家高速公路太原繞城西北段改線工程案例作為研究對象，對其施工工藝、受力特性、造價、工期等方面進行對比分析探討，發現用鋼波紋管涵代替傳統涵洞，有很大的優越性，可為鋼波紋管涵在山區公路建設中的推廣應用提供實踐參考。

1 鋼波紋管涵的構造及特性

鋼波紋管涵構造形式涵蓋混凝土涵洞的所有常規類型，連接多采用栓接、鉚接和套接形式，公路建設中采用管涵形式較為常見。其較混凝土涵洞具有變形能力強、地形適應性強、施工簡單周期短、對周邊環境破壞少更環保等特性。

2 波紋鋼管（板）涵洞的適用范圍

2.1 適用波紋管的情況

a）一般公路工程 在滿足過水、通行等基本要求的情況下，波紋鋼管（板）結構在受力性能、施工工期、行車舒適性、養護成本、綜合造價等方面與同等跨度的傳統鋼筋混凝土涵洞相比具有優勢。

b）不良地質條件 膨脹土、軟土等特殊地區，地基不均勻沉降可能對剛性涵洞造成破壞時。

c）高填方路段 采用拱涵、蓋板涵地基承載力不滿足要求、基礎處理費用較高時。

d）山區公路 鋼筋混凝土涵洞使用的材料如鋼筋、水泥、砂石料、淡水等缺乏的地區；山區便道修建較困難的地段、鋼筋混凝土涵洞原材料運輸困難時。

e）快修工程 應急搶險、救災等對工期要求較緊的工程時。

f）加固工程 舊橋或涵洞有病害，采用內套方式加固時。

2.2 下列情況下一般不建議采用波紋鋼管（板）涵洞

a）長期（每年2個月以上）積水的涵洞結構。

b）易于淤塞且與潮濕性材料長期（每年2個月以上）接觸的涵洞結構。

c）近?；蛑小姼g環境（pH小于5.5，電阻率小于50 ohm-m）。

3 鋼波紋管應用實例

3.1 工程背景

京昆國家高速公路太原繞城西北段改線工程K23+430—K31+720段路線位于黃土丘陵區，路線跨越多處黃土沖溝，K26+020處地面經年累月受雨水侵蝕，形成如掌紋般縱橫捭闔相互交織的復雜V型沖溝，溝壁陡峭，地表起伏較大，溝底沉積物為淤泥質軟土，匯水面積不大，孔徑建議采用1-2 m涵洞，現場調查和內業比對后發現，此處主線填土高度達30 m，沖溝輾轉徘徊，若采取直線布設，涵洞軸線無法擬合到自然沖溝范圍，對此處山體破壞巨大，采用傳統的蓋板涵和拱涵難以滿足地形要求，另由于路基填土高，會造成結構自重過大，增加對地基承載力的要求，混凝土結構施工期長，結構穩定性差，需要的水泥砂石和鋼筋量較大，且地形狹窄，不利于施工。根據地形地貌地質情況，經多方案比選，選用直徑為1-2 m的整體鋼波管涵，更適合施工，后期維護費用較低。涵洞立面見圖1。

圖1 涵洞立面布置圖

3.2 鋼波紋管技術指標

該項目所采用的波紋管的主要技術指標有以下幾條：

a）設計安全等級 二級；

b）設計使用年限 100年；

c）設計汽車荷載 公路-I級；

d）地震動峰值加速度為0.05g，抗震設防烈度為6度；0.1g及以上可參考使用，并需進行相應的驗算；

e）填土容重 γ=20kN/m3，填土彈性模量12 MPa；

f）涵洞孔徑 1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m；

g）涵洞交角（涵洞軸線與路線法線之夾角）0°～45°，每5°一級。孔徑5.0 m、6.0 m涵洞最大斜交角度為30°；

h）涵頂填土高度 見表1。

表1 涵洞孔徑及對應的填土高度 m

i）涵洞洞口的類型 跌水井、八字墻＋急流槽；

j）環境類別 I類。

3.3 主要材料

該鋼波紋管斷面結構尺寸管身采用Q345熱軋鋼板制作。鋼板滿足《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591－2008）和《熱軋鋼板和鋼帶尺寸、外形、重量及允許偏差》（GB/T709－2006）的要求，屈服強度不小于350 MPa，抗拉強度不小于470 MPa；采用熱浸鍍鋅對鋼板表面進行處理，鍍鋅M20螺栓緊固，密封膠及EVA泡沫板密封。

3.4 涵身主體結構設計

3.4.1 設計計算采用的規范

參照美國鋼鐵協會的設計計算方法（AISI法）、美國規范《AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，4th Edition》、加拿大規范 Canadian Highway Bridge Design Code(CAN/CSA-S6-06)進行設計和校核，具體采用規范和算法如表2。

表2 計算校核方法及對應跨徑

3.4.2 荷載計算

a）永久作用 涵頂填土按土柱重理論計算，容重 γ=20 kN/m3，內摩擦角 φ=30°。

b）可變作用 按汽車荷載公路-I級計算，不考慮涵洞頂土柱和周圍填土的摩擦力，考慮車道折減，采用角度分布法計算，半無限彈性體理論核算。

c）偶然作用 地震作用按加拿大規范計算時，僅取地震動峰值加速度值為0.05g；大于0.05g時需另行計算。

3.5 構造措施和方法

為了保證管體的整體性、強度、密封性及后期維護的便捷性，管體拼裝完成后的周向接縫及軸向接縫數量以最少為原則。

3.5.1 涵底縱坡

涵底縱坡不大于5%。涵洞根據填土高度和地基情況設預拋高；涵洞預拋高峰值放在與路線中心交點處，往涵洞兩端按二次拋物線過渡，預拋值需根據變形計算擬定。地基沉降較大時，應采用反開挖工藝施工涵洞。

原地面高差較大采用在進水口設置跌水井、出水口設置急流槽的方式，以降低涵洞流水面坡度。

3.5.2 涵洞預變形

涵洞頂部填土按規范完成后，豎直方向產生向下的壓力，涵洞會出現向兩側突出，從而引起閉合結構從“圓”變為“水平橢圓”的趨勢[1]；該問題可以采用通過在圓管中心張拉水平拉桿強迫波紋鋼管周向預變形約1%～2%（具體通過計算確定）的方法解決。

3.5.3 連接件

整體式波紋管的連接法蘭采用角鋼、鋼板制作。采用性能指標符合《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》（GB/T 1231—2006）要求的高強度熱鍍鋅六角螺栓、螺母和墊圈來進行現場裝配。墊片和緊固件相匹配。墊片一面是平面，一面為曲面，注意墊片形狀與波紋鋼管（板）的弧形匹配。

3.5.4 密封材料

采用耐久性較好的密封材料；可選用橡膠墊片,應滿足《管法蘭用非金屬平墊片技術條件》（GB/T 9129—2003）規范的要求；也可選用硅酮耐候密封膠，應滿足《硅酮建筑密封膠》（GB/T 14683—2003）規范的要求。

3.6 耐久性設計

3.6.1 金屬構件防腐體系（見表3）

表3 金屬構件防腐體系一覽表

3.6.2 熱浸鍍鋅

螺栓、螺母、法蘭等熱浸鍍鋅量不小于600 g/m2。

波紋鋼管（板）內、外表面均需進行熱浸鍍鋅，鍍鋅層（單面）的平均厚度大于84μm，鍍鋅量（單面）不小于600 g/m2。

熱浸鍍鋅采用GB/T 470規定的1號或0號鋅，鋼板表面處理的最低等級為Sa2.5。

3.6.3 瀝青涂層

波紋鋼管（板）現場安裝完畢后，在管道外壁及螺栓周邊均勻噴涂瀝青漆或乳化瀝青兩道，涂層厚度不小于0.5 mm。涂層應均勻光滑、連續，無肉眼可分辨的空隙、裂縫、脫皮及其他缺陷。瀝青晾干后方可施工臺背回填。瀝青涂層應滿足《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》（JT/T 722—2008）規范的要求。

3.7 基礎施工和涵身回填

基礎設計為兩層的結構形式，下層為要求高度壓實的礫石、碎石，以提供地基承載力；上層松鋪粗砂，以保證波紋鋼管（板）與基礎密貼，起到弱化基礎剛度以減載的目的。上層基礎（過渡層）材料的粒徑不得大于12 mm且不得大于波紋鋼管（板）波峰、波谷曲率半徑的1/3。結構性回填區的填土結構見圖2。

圖2 結構性回填區的填土結構

施工安裝注意基礎放樣時應在涵底砂礫基礎頂部沿涵洞軸線設一定的預拱度，一般在0.6%～1.0%之間。波紋管涵洞安裝完畢后，應進行檢測，檢測合格后，再次進行熱涂瀝青防腐處理，防腐措施驗收合格后，管身兩側土方回填嚴格按照《公路橋涵施工技術規范》完成。

3.8 設計成果及造價對比

本涵位于彎曲的沖溝內，根據所處溝內地形，將波紋管進行了兩次角度的變換。見圖3。經拐彎設計后減少了開挖，節約了造價。

圖3 平面設計圖

經過測算在同等滿足凈空要求的條件下，1-2 m混凝土蓋板涵每延米約17 000元左右，鋼波紋管每延米8 000元，蓋板涵造價是鋼波紋管涵的2倍，經濟效益顯著。

4 結語

通過本次對比研究發現，波紋管除在特殊環境（中、強腐蝕環境）外，其顯著的優越性成為行業中倍受歡迎的涵洞類型。主要體現在以下幾點：

a）從涵洞軸線的布設考慮，鋼波紋管涵能最大幅度地依山形地勢布置，不破壞就是最大的保護，減少對周邊山體的擾動，節約經濟成本，同時對路基整體質量的提升提供了保障。

b）出于材質方面考慮，鋼波紋管涵較普通混凝土蓋板涵抗變形能力更好，且承載力要求不高，降低了施工單位地基處理難度。

c）從安裝施工上考慮，剛波紋管管節均是工廠統一設計生產的標準件，拼裝施工簡單，節約勞動力，大幅縮減施工周期。