鋼波紋板明洞在搶險保通工程中的運用初探★

廖沛源 魏記承 黎良仆

(四川省交通勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610017)

1 背景

某公路發生高位崩塌地質災害，塌方面距道路高度約700 m，寬約100 m，垮方量約6萬m3。受九寨溝7.0級地震影響發生二次垮塌，垮方量約2萬m3，高位落石不斷，給搶通保通工作帶來了極大的困難。為盡快給地震災區提供交通保障，展開了該段的保通方案研究。

2 方案比較

該段高位崩塌體位于公路右側上方，坡腳距國道邊緣約10 m，山體橫坡50°～60°，坡體表層為薄層崩坡積塊碎石土，厚度約2 m～4 m，下伏三疊系侏倭組砂質板巖夾變質砂巖，局部基巖裸露，表層巖體破碎，風化嚴重，節理裂隙發育，多處可見不利結構面組合，在雨季或地震等惡劣氣候情況下，不利結構面形成卸荷拉裂或楔形破壞，大量塊石崩塌至路面，堵塞公路造成斷道，對行車安全構成嚴重的威脅，災害發生后，內側邊坡仍飛石不斷，給道路搶通保通工作造成了極大阻礙。

該段地處岷江U形河谷，對岸山體為巨厚覆蓋層，兩跨岷江+隧道繞避方案工程投資大，隧道穿越巨厚覆蓋層，地質條件差、進出洞口偏壓嚴重，河岸沖刷嚴重，工期長，綜合考慮確定在本岸研究保通方案，高位崩塌體及對岸覆蓋層如圖1所示。

保通方案比較主要考慮施工安全性、施工工期、投資等方面，經初步篩選，將邊坡防護方案、鋼筋混凝土明洞、鋼筋混凝土棚洞、鋼波紋板明洞納入最終比較。無論采用何種方案，應首先對危巖邊坡進行必要防護，以保證原路保通施工安全，經綜合比較，選用鋼波紋管通道作為實施方案，崩塌路段地形圖如圖2所示。

2.1 邊坡防護方案

邊坡防護方案擬對危巖體采用錨索框架梁進行處治，裸露山坡坡面采用掛網錨噴進行封閉，在路基內側設高6 m路塹擋墻，擋墻頂部設置被動網。

優點：處治工期短，造價相對較低。

缺點：實施難度大，施工安全難以保證，治理范圍有限，未處治范圍仍有崩塌可能，威脅道路行車安全。

2.2 鋼筋混凝土明洞

明洞結構形式多樣，常見的有拱形明洞和整體式矩形明洞，近年來地質災害頻發，公路工程中大量運用明洞進行搶險保通，黎良仆等[1]通過數值計算，研究了箱型明洞受力特性和影響明洞內力因素。袁松等[2]通過對汶川震后公路10年明洞病害及處治工程跟蹤調查，總結了明洞建設選址、設計、施工的經驗與教訓。

以目前的研究成果來看，明洞結構整體性較好，相比一般路基防護結構優勢明顯。明洞方案擬在高位崩塌段落采用拱形明洞，在兩端崩塌影響段落采用矩形明洞方案，矩形明洞開孔，以保證洞內行車視線，明洞方案如圖3所示。

優點：明洞結構受力較好，基本能解決邊坡飛石對公路的影響。

缺點：明洞方案投資高，崩塌現場施工時間長，現場澆筑施工，安全風險高。

2.3 鋼筋混凝土棚洞

棚洞上部結構采用預制頂梁，內外墻(柱)采用現澆施工，頂部回填一定厚度的土石回填等緩沖層。

優點：工期相對較短，造價相對較低。

缺點：棚洞結構受力相比明洞較差，內側虛渣清除后，內側較寬，棚洞不宜回填。高位崩塌落石對棚洞結構造成較大影響，不利于棚洞的安全和穩定。另外投資相對較高，崩塌現場施工時間較長，施工風險較高。

2.4 鋼波紋板明洞

鋼波紋板明洞由工廠將鋼波紋板(成品)運至工地現場安全地方(終點有安全場地)，現場拼裝成管狀結構，吊裝或軌道運輸到位拼接而成。

優點：鋼波紋板明洞為圓形結構，鋼波紋板強度高，受力好，且管狀結構在場外拼裝好再運至現場安裝，大大減少了現場施工時間，極大地降低了施工風險。

缺點：安裝工藝要求較高。

3 結構設計

根據高位崩塌影響范圍及坡腳堆積范圍，并經現場測量，最終確定鋼波紋板明洞設置長度。

3.1 建筑限界及內輪廓

保通階段主要考慮“通”“安全”兩方面的因素，為節約投資，保證通行安全的原則確定限界寬度。

根據《公路工程技術標準》[3]，按四級公路，設計速度20 km/h時，車道寬度為3 m，路肩寬度0.25 m，凈高4.5 m，則建筑限界：6.5 m×4.5 m，據此直徑8 m的鋼波紋板明洞滿足要求。按四級公路，設計速度30 km/h時，車道寬度為3.25 m，路肩寬度0.5 m，凈高5.0 m，則建筑限界：7.5 m×5.0 m，據此直徑9 m的鋼波紋板明洞滿足要求。

考慮到施工難度及投資控制，作為臨時保通工程，設計速度20 km/h更為合適，故采用直徑8 m的鋼波紋板明洞。所以，該明洞能滿足設計速度20 km/h，雙車道通行，鋼波紋板明洞建筑限界及內輪廓如圖4所示。

3.2 結構設計

3.2.1 結構尺寸

鋼波紋板明洞受高位崩塌落石影響，沖擊動能較大，采用大波形，鋼波紋板壁厚應不小于7 mm，其中波距為300 mm，波高為110 mm。

以鋼波紋板明洞為主體結構，設計高程以下管體周圍回填C20早強混凝土，外側設置反壓墻、內側回填土石約束，以期受力均衡，盡可能軸向受力，減少鋼波紋板明洞局部變形。鋼波紋板明洞結構如圖5所示。

3.2.2 結構安裝

根據波紋管拼裝設計圖，首先在預制工廠生產管片，整個波紋管結構由7個管片組成。

管片生產完成后，由車輛運至現場安全拼裝地點，為防止拼裝成管狀時的變形和減少螺栓連接的難度，采用豎向放置拼裝，現場鋼波紋管拼裝。

拼裝節段時應考慮運輸過程中自重的影響，在安裝過程中對鋼波紋管豎向施加+3%～+5%的預變形，采用每節段波紋鋼管布置一道橫向拉鎖實現。管狀結構水平就位后，采用軌道運輸至拼接現場，工人在管道內部進行螺栓拼接作業，施工安全能得以保障。

3.3 防排水

鋼波紋管拼接完后，為防止拱頂回填面地表水沿節段間縫隙滲入通道內，影響行車安全，于波紋管外壁設置無紡布和防水板。

鋼波紋管表面“凹凸不平”，且有連接螺栓，若直接在表面鋪設防水板，土石回填后防水板將被螺栓突起刺破，影響防水效果，因此在鋼波紋管外壁鋪設一層8 cm厚的EPE，該材料柔韌性好，不易被螺栓刺破，鋪設好EPE后，再鋪設防水層。

王東坡、黎良仆等[4,5]利用動力有限元模擬了采用EPE(聚乙烯)和EPS(聚苯乙烯)材料換填回填土層，可增加明洞結構的抗沖擊性能，本項目在鋼波紋管外壁鋪設EPE有助于提高結構抗沖擊性能，現場EPE及防水板鋪設見圖6。

3.4 土石回填

鋼波紋管外側墻澆筑應嚴格與內側回填土石同步進行，防止偏壓。施工時要采用輕型靜碾壓路機，減少施工期間的動荷載。土石回填應碾壓密實，減少后期土石沉降造成的不利影響。

側墻澆筑和土石回填時，波紋管頂部是不受約束的，為自由端，受兩側擠壓，拱部將會產生向上變形，因此在鋼波紋管頂部放置沙袋壓重，施加豎向力，當管頂覆土高度達到100 cm后拆除拉鎖。

3.5 路面結構

保通路面采用C40混凝土回填，考慮到道路重型貨車較多，在路面下12.5 cm處設置鋼筋網，C40混凝土回填每隔5 m～10 m設置一道沉降縫，縫寬2 cm，縫間用瀝青麻絮填充，鋼波紋板明洞內路面如圖7所示。

3.6 耐久性

本鋼波紋板明洞為臨時性通道(使用年限至永久繞避工程投入使用為限)，工期緊，未進行鍍鋅防腐，采用防銹底漆涂于鋼波紋管內部、外部、連接件進行防腐，確保臨時保通期內不會出現銹蝕或磨損等現象。

管節之間、翻邊結合面之間以及搭接的波紋鋼板件之間應采取密封措施。密封料應具有彈性和不透水性，并應填塞緊密。低溫條件下密封材料應具有良好的抗凍、耐寒性能。密封料可采用天然橡膠、氯丁橡膠、聚乙烯泡沫或耐候密封膠。

4 結構計算

4.1 有限元模型

本文采用常用的ANSYS進行計算，模型中鋼波紋管采用梁單元模擬(Beam3)；回填土石和地基用彈簧單元模擬(Combin14)，整個計算用二維平面模型進行計算，縱向計算長度為1 m，采用結構荷載模型進行計算。鋼波紋板明洞計算模型如圖8所示。

土石回填壓力計算根據JTG 3370.1—2018公路隧道設計規范[6]中附錄H明洞回填荷載計算方法進行計算。

1)回填土石垂直壓力。

qi=γihi。

其中，qi為結構上任意點的回填土石垂直壓力，N/m2；γ1為回填土石的重度；hi為任意一點的土柱高度。

2)回填土石側壓力。

ei=γ1hiλ。

其中，ei為結構上任意點的側壓力；N/m2；λ為側壓力系數。當回填坡面向上傾斜時：

其中，φc為墻背回填土石的計算摩擦角，按地質工程手冊[7]取值為35°。

鋼波紋板明洞計算所涉及的材料主要包括鋼波紋管結構、兩側C20回填基座，洞身周圍回填土石，其中鋼波紋管采用Q345C熱軋鋼板制作，壁厚為7 mm，采用大波形鋼波紋管，其中波距為300 mm，波高為110 mm，根據等效原則換算出每延米鋼波紋管的剛度，以上材料參數如表1所示。

表1 材料參數

4.2 計算結果

通過對鋼波紋板明洞標準斷面的計算，得到鋼波紋管結構變形如圖9所示。

圖10～圖13分別為鋼波紋管的軸力分布圖、剪力分布圖、彎矩分布圖及應力分布圖。

4.3 結果分析

由應力圖可知最大拉壓應力出現在鋼波紋左下部與混凝土地基的交界處，其他部位均比較小，根據結算結果提取出單元應力及變形最大值，如表2所示。

表2 計算結果

從表2可知：最大豎向位移為3.58 cm，最大水平位移為3.66 cm，考慮到鋼波紋管本身為柔性結構，能承受一定程度的變形，且為臨時保通項目，因此滿足使用要求。

鋼波紋管最大拉應力為122 MPa，最大壓應力為228 MPa，鋼波紋管采用Q345C鋼材，其抗拉壓強度470 MPa～630 MPa，結構安全系數在2.0以上，因此滿足使用要求。

此外，本項目鋼波紋管道通車已近3年，從歷次調查情況來看，結構完整性較好，無滲水，較好滿足了該道路臨時保通需求。

5 結論與建議

本文以某一公路搶險工程為例，根據工程實際情況及ANSYS數值計算，總結了一種新型的隧道結構——鋼波紋板明洞的設計與施工經驗，得出以下結論與建議：

1)鋼波紋板明洞作為一種預制拼裝結構，大部分作業在工廠和安全地點完成，具有施工時間短，安全性高等特點，尤其適合應急搶險臨時工程。2)鋼波紋管為圓形結構，且采用高強度的鋼波紋鋼，受力較好，能承受較高位的落石沖擊。3)鋼波紋管拼裝接頭較多，為防止漏水，可采用柔性的EPE材料包裹管體，從而避免防水層被突起的螺栓刺破，也能提高鋼波紋管抗沖擊性能。4)鋼波紋管為柔性結構，在兩側回填時一定要對稱回填，在鋼波紋管頂部放置沙袋壓重，施加豎向力，并在管體內部設置橫向拉鎖，管頂回填至一定高度時方可拆除。5)從鋼波紋管變形及內力圖分析，有條件時內外側應采用彈性模量基本一致的回填材料，以達到受力均勻的目的。6)鋼波紋管安裝完成后應布設監控量測點，觀察鋼波紋管在回填土石完成后的變形特點。7)鋼波紋管在過水涵洞、人行通道案例較多，但作為公路通道的應用實例較少，本文提出的設計思路與方法供廣大工程建設者參考借鑒。