公路鋼波紋管涵洞施工工藝及受力變形分析

■范必強

（福建省交通建設工程監理咨詢有限公司，福州 350000）

1 引言

店下互通D 匝道DK0+460 原設計為蓋板涵[（1～2）m×2 m，長10 m]，由于工期較緊，施工期間多雨，為加快施工進度，經變更采用φ1～2 m 鋼波紋管涵，其為功能排水涵，涵長10 m，入口與窨井相接，出口采用八字墻與改溝相接。 采用鋼波紋管涵洞代替混凝土涵洞具有以下優勢：（1）踐行“綠色公路、品質工程”理念，減少了混凝土材料的使用，環保意義深遠；（2）工廠集中化生產，現場安裝方便，與蓋板涵相比，可大大縮短工期[1-4]；（3）適應地基變形能力強，對地基承載能力要求較低；（4）鋼波紋管涵分片拼裝成整體后安裝，施工標準化程度高[5-7]；（5）減少了沙石、水泥的用量，避免了礦石開采產生的環境破壞，有利于環保；（6）鋼波紋管涵后期只需涂刷乳化瀝青，養護維修簡便且易操作。

為了驗證了鋼波紋管涵施工技術的可行性，本文總結了公路鋼波紋管涵施工技術要點，并通過在管內不同角度設置應變測試裝置分析施工過程中的受力變形特征， 同時對鋼波紋管的施工工藝、經濟適用性也進行了分析。

2 鋼波紋管涵施工技術要點

2.1 施工準備

鋼波紋管涵材料加工廠家選定前應考察廠家資質及許可證件、近期供用業績、生產能力等，材料到場后應提供產品合格證書、檢驗報告等，并經業主、 監理及施工單位現場隨機取樣送外委單位檢測，主要檢測指標有：原材料力學性能（屈服強度、抗拉強度、伸長率），鍍鋅防腐層質量（鍍鋅附著量、鍍鋅層厚度），波紋管外觀尺寸（壁厚、波距、波高），以上指標符合設計規范要求后方可正式開始安裝。

2.2 施工放樣

施工放樣應注意：（1）測量儀器、水準點精度應符合要求；（2）根據施工圖紙，精確放樣出鋼波紋管涵基坑開挖邊線，邊線采用白灰標識，便于開挖人員施工，開挖到位后及時放樣出中線、邊線；（3）現場放樣結束后，按照圖紙放出鋼波紋管涵洞基礎的中線和邊線。

2.3 基坑開挖

基坑開挖示意圖如圖1 所示， 開挖過程應注意：（1）應避免超挖，如超挖，應及時將松動部分清除；（2）基坑開挖后排水措施應考慮到位，可采取四周開挖排水溝和集水井等措施， 及時引排積水，避免雨水浸泡而影響地基承載力；（3）基坑開挖到位后，應進行地基承載力檢測， 當測試值小于設計值時，應進行地基處理，一般采用換填處理。

圖1 基坑開挖示意圖

2.4 基礎墊層

基礎墊層應注意：（1）基礎應分層進行填筑，每層填筑厚度不宜超過20 cm， 逐層碾壓到位后檢測壓實度，符合要求后方可進行下一層填筑，填筑至設計基礎頂標高以下10 cm 時，采用級配良好的粗砂進行填筑；（2）根據現場基底地質情況，若基底存在沉降情況， 考慮流水的要求和結構的整體性，應在基礎的頂部應預留鋼波紋管涵長的0.5%～1%預拱度，防止鋼波紋管涵洞中部產生較大凹槽，進而引起結構破損；（3）砂墊層應采用機械進行充分壓實，且壓實度不應小于96%，防止鋼波紋管涵產生較大變形。

2.5 管身安裝

2.5.1 安裝前工作

管身安裝前應檢查鋼波紋管材料在運輸、搬運過程是否存在損壞防腐涂層，若有應涂刷防銹漆修補。 檢查鋼波紋管涵位置、中心軸線、基礎壓實后頂面的平整度和標高及預拱度等是否滿足圖紙要求，當不滿足要求時應及時進行處理，保證管身密貼砂礫墊層應平順，使鋼波紋管與墊層緊密接觸，避免管道中部因填筑不密實而引起凹陷或逆坡。

管節拼裝時步驟如下（圖2）：（1）拼裝板片：拼裝板片應先進行圓周向拼裝再依次進行軸向拼裝，圓周向板與板之間搭接長度不應小于50 mm；（2）拼裝環形圈：先拼裝管底第一塊板，然后兩側對稱由下往上依次采用階梯形拼接， 軸線搭接寬度為170 mm，螺栓套上墊圈由內向外安裝入孔，并用扳手鎖緊螺母；（3）螺栓的扭矩檢測：管節拼裝完成后，隨機選取縱向接縫上2%的螺栓進行試驗。

圖2 鋼波紋管組裝

2.5.3 管壁涂刷瀝青

管節內外管壁需加強防腐處理（圖3），一般可噴涂乳化瀝青或熱瀝青，瀝青總厚度應不小于1 mm。

圖3 管節內外管壁瀝青防腐處理

2.5.4 密封

波紋鋼板管涵拼裝時板與板之間搭接處采用專用密封膠條進行密封，拼裝完成后，板與板縫隙處及螺栓連接處采用密封膠進行處理，以免拼裝處出現滲水等現象，影響結構長期安全使用。

2.5.5 就位

鋼波紋管涵安裝后， 為確保中心軸線準確，需進行校正，可采用千斤頂進行調整，頂升接觸面應增設鋼板，加大接觸面防止造成頂升點變形。

金沙江地處滇西北三江并流區，流域面積廣，海拔高差顯著，支流眾多，氣候濕熱，降水充沛，植被覆蓋率高。金沙江良好的氣候條件及多樣的植被類型造就了該區豐富的物種多樣性。淡水真菌作為水體微生態系統的重要組成部分，目前尚未有金沙江淡水真菌方面的相關研究。本項目采集金沙江不同海拔、不同河段的腐木進行木生淡水真菌多樣性研究，了解該地區淡水真菌資源、多樣性特征及群落組成，為金沙江木生淡水真菌的保護與利用提供本底資料。

2.6 涵管兩側及頂部回填

涵管兩側及頂部回填應注意：（1）鋼波紋管兩側應對稱分層填筑施工，且每層填筑的厚度應符合圖紙要求；（2）逐層檢測壓實度，符合要求方可繼續填筑，壓實度不小于96%；（3）現場應配備小型夯實機械及振動壓路機，管周兩側50 cm 范圍內采用小型夯機進行夯實， 同時應避免夯機碰撞鋼波紋管，使其產生凹槽，影響結構安全；對于距離鋼波紋管50 cm 外的區域可采用振動壓路機進行充分碾壓，確保壓實度符合圖紙或規范要求。 （4）鋼波紋管管頂填土高度小于50 cm 時，應禁止振動壓路機碾壓施工，同時禁止大型機械從管頂通過。 （5）回填之前，為防止鋼波紋管涵受壓變形，應在管內設置臨時十字支撐，待填土結束整體穩定后方可拆去。

3 鋼波紋管涵洞受力變形分析

3.1 鋼波紋管涵洞受力分析

3.1.1 試驗方案

依托工程為福建省沙埕灣A4 標店下互通DK0+460 鋼波紋管涵，直徑2 m，波形參數為波距200 mm×波高55 mm，壁厚為4 mm，采用工廠標準化生產，并進行鍍鋅防腐。 具體方案如下：（1）管內應變布置。 在路中位置以波峰、波谷為測試斷面，按照0°、90°、180°和270°的角度進行布置 （圖4、5）。（2）測試工況。 鋼波紋管涵洞管頂以上采用壓路機進行壓實，分層壓實達到設計要求后，壓路機遠離鋼波紋管，采用數據采集儀進行測試。 現場測試工況如表1 所示。

圖4 應變片布設平視示意圖

圖5 應變片布設俯視示意圖

表1 測試工況

3.1.2 測試結果分析

（1）波峰隨填土高度變化的應變規律。 由圖6可知：填土初期，各角度均為拉應變；管頂填土為2.0 m 時，各角度應變值波動變化，這是由于管頂填土在1 m 內， 為防止壓路機碾壓對鋼波紋管的破壞，未進行碾壓，后期壓路機碾壓使得土層更密實，鋼波紋管受到力的作用引起的。 鋼波紋管涵洞在整個填筑過程中， 管頂0°和管底180°均為拉應變；而管側90°和管側270°在管頂填土3.1 m 時轉為壓應變，且管側270°＞管側90°。 整體上，鋼波紋管涵洞管底180°為最大拉應變， 管側270°為最大壓應變，施工時應進行重點觀測。

圖6 波峰隨填土高度增加應變測試結果

（2）波谷隨填土高度變化的應變規律。 由圖7可知： 波谷各角度應變值在管頂填土2.0 m 以內波動變化，存在應力的重新分配。 與波峰對比分析，波谷同一角度應變屬性正好相反，說明波峰與波谷有一定的互補性，鋼波紋管涵洞受力更加穩定。

圖7 波谷隨填土高度增加應變測試結果

（3）波峰沿管周角度變化的應變規律。 由圖8可知： 沿管周角度變化波峰應變分為兩個階段：第一階段管頂填土高度小于2.0 m 時， 各角度均為拉應變；第二階段管頂填土高度3.1 m 以上時，管頂0°為拉應變，后在管側90°轉化為壓應變，而管底180°又轉為拉應變，后管側270°轉為壓應變。管側90°和管底180°存在應力集中的現象，且隨著角度的變化， 整體上存在拉應變至壓應變交替變化的過程。

圖8 波峰沿管周角度變化的應變測試結果

（4）波谷沿管周角度變化的應變規律。 由圖9可知： 隨管周角度變化波谷應變同樣分為兩個階段：第一階段管頂填土高度小于2.0 m 時，各角度均為拉應變；第二階段管頂填土高度3.1 m 以上時，與波峰變化規律正好相反， 波谷管頂0°為壓應變，管周90°轉為拉應變， 管底180°轉為壓應變， 后管側270°又轉為拉應變；且隨著角度的變化，整體上存在壓應變至拉應變交替變化的過程。

圖9 波谷沿管周角度的應變測試結果

3.2 鋼波紋管涵洞變形分析

3.2.1 變形觀測方案

對店下互通D 匝道樁號DK0+460 直徑2 m的鋼波紋管涵洞在拼裝及回填完成后變形情況進行了長期觀測， 并依據現有標準對管內變形進行分析。 鋼波紋管涵洞內徑變形情況如圖10 所示。

圖10 鋼波紋管涵洞內徑變形情況

3.2.2 測試結果分析

根據觀測記錄表，可知鋼波管組裝后內徑變形均小于20 mm、 填土堆載后內徑變形均小于40 mm，即滿足《公路工程質量檢驗評定標準（第一冊土建工程）（JTG F80/1-2016）》規定的無預變形管涵內徑允許偏差±1%、 有預變形管涵內徑允許偏差±2%要求[8-9]。

4 工期及費用對比

采用鋼波紋管涵洞代替混凝土結構涵洞在節約工程造價的同時可以減少施工工期， 具有顯著的經濟效益和社會效益。 通過對蓋板涵、鋼波紋管涵洞施工工藝、流程的不同，對跨徑10 m 的蓋板涵與其對應鋼波紋管涵洞工期、造價進行了計算，如表2 所示。

表2 混凝土蓋板涵與鋼波紋管涵施工費用及工期對比

由表2 可知，鋼波紋管涵洞在滿足常規圬工涵洞適用功能的基礎上，10 m 跨徑鋼波紋管涵洞工程造價可以節省約9.3%，工期可以節約29.2%，鋼波紋管結構涵洞的綜合效益較好。

表2 計算參數

5 結論

（1）鋼波紋管涵內徑變形、路床頂彎沉檢測等均滿足設計要求， 且施工過程中未產生質量問題，結構安全可靠，進一步驗證了鋼波紋管涵施工技術的可行性。 （2）施工過程中，鋼波紋管波峰和波谷規律相似，填土初期，各角度均為拉應變；管頂填土2.0 m 時，各角度應變值波動變化，受力進行了重新分布。 （3）管頂填土2.0 m 以內，各角度應變值波動變化，存在應力的重新分配。 此時鋼波紋管受力不均勻，施工時宜做好監測。 （4）鋼波紋管涵采用工廠標準化生產，運輸便捷、施工工藝簡便，與鋼筋混凝土蓋板涵相比，在工程造價、施工工期、環保等方面均具有優勢，應用前景廣闊，推動工程建設技術的進一步發展。