淺談鋼制波紋管綜合管溝在市政道路工程中的應用

董曉璐

摘要：現如今，我國的經濟在迅猛發展，社會在不斷進步，文章為了研究管幕結構對箱涵頂進過程地表沉降的影響，以及箱涵頂進過程反力墻的位移變形，使用有限差分軟件建立了箱涵頂進無管幕和有管幕兩種工況的三維數值模型，建立了始發井反力墻結構的三維數值模型。經過數值計算，研究結果顯示：有管幕的情況下進行軟土淺埋箱涵頂進施工可以顯著減少箱涵上方土體的變形;管幕可以為箱涵分擔70%的土層壓力，可以減少矩形箱涵直角處的拉應力;反力墻鋼板，頂進底板，鉆孔灌注樁等結構會發生逆時針方向的旋轉變形。研究結果可為今后管幕箱涵頂進工程提供一定的參考。

關鍵詞：城市下穿隧道;反力墻;管幕箱涵法

引言

介紹了國外鋼質波紋管制造和應用情況，對比分析了目前我國鋼質波紋管制造和應用領域存在的主要問題是缺少原材料、制造工藝和裝備水平低、生產污染大、產品品種少、應用面窄、應用研究和標準滯后等問題，并預測我國鋼質波紋管需求將隨著國家基礎設施建設擴張、勞動力成本上升以及環保意識提高而大幅增長，倒逼鋼制波紋管制造工藝裝備水平不斷進步，并帶來鋅層厚度600g/m2以上的熱軋鍍鋅鋼板需求增長。有關鋼廠應當盡快填補這一空白。新建或改造原有鍍鋅線，制定產品規范，填補空白。

1適用范圍

波紋管涵是將薄鋼板壓成螺旋波紋鋼圓管（HCSP）、環形波紋鋼圓管（ACSP）、波紋剛板（CSPS）后，再通過連接件連接，修建成的涵洞稱為鋼制波紋管涵，可以拼裝成圓形、橢圓形等多種形狀。鋼制波紋管結構物在道路通道涵洞、跨河橋梁、隧道內襯、隧道明洞、傍山路防滑石護洞等均有應用。一般下列條件宜優先考慮使用波紋管涵：（1）基承載力較低地區。鋼制波紋管涵是一種特殊結構形式，鋼制波紋管在結構上具有橫向補償位移的特性，有抗變形能力和抗沉降能力，特別適合于軟土、膨脹土、濕降性黃土等地基承載力較低地區。（2）臨時性工程。鋼制波紋管涵施工簡單，施工工期短，適用于應急搶險、救災等需快速完成的臨時性工程。（3）生態環境脆弱的地區。鋼制波紋管涵施工時對環境的破壞小，適用于生態環境脆弱的地區。（4）建筑材料缺乏地區。鋼制波紋管涵施工只需對基礎和進出口進行處理，砂、石、水泥等材料用量較小。（5）寒冷、高原地區。鋼制波紋管代替鋼筋混凝土進行涵洞施工有利于解決北方寒冷、多年凍土地區混凝土結構的破壞問題，適用于高原地區。

2淺談鋼制波紋管綜合管溝在市政道路工程中的應用

2.1鋼波紋管涵施工工藝流程

工藝流程為：施工前準備→施工放樣→開挖涵管基坑→平整場地→基礎分層回填→檢測壓實度、含水量等→水準測量→平整場地→施工放樣→拼裝管節→檢測水密情況及管底縱坡→檢測并補救防腐涂層→涵管就位→兩側分層回填→檢測壓實度、含水量等→管頂分層回填→檢測壓實度、含水量等→進出口處理。

2.2數值模型的建立及計算假定

本文采用有限差分數值分析軟件Flac3D模擬管幕施工、箱涵頂進過程，以分析施工期間及完工后路面穩定性。根據本項目實際尺寸情況，結合數值模擬邊界效應的影響，三維數值模型長55m，寬24m，高32m，如圖6、圖7所示，區別在于前者頂進過程沒有管幕結構對土層進行加固，后者相反。針對本項目，參考其他類似項目經驗，進行如下假定：（1）土體為均勻的各向同性彈塑性體，采用3維8結點等參塊體單元模擬。（2）頂管正面推力為圓形均布荷載。（3）地層損失沿管道軸向均勻分布。（4）由于僅考慮土層受到的附加變形及應力，計算中不考慮土體自重產生的變形和應力。（5）頂管推進過程中不考慮土體時間效應，只考慮頂進空間距離的變化。（6）由于頂管機頭和襯砌的剛度遠大于土體剛度以及彈性體位移連續性的要求，不考慮實際的頂管機頭和襯砌，而以力、位移和邊界條件來模擬。（7）由于管幕采用F型接頭彼此連接緊密且內部注漿，采用實體單元模擬管幕。

2.3基于有限元的結構設計方法及流程

由于鋼波紋管為薄殼結構，關于其結構計算方法均是基于“環向壓力理論”進行結構計算，因此國外現行的計算方法為容許應力法（美國AISI結構設計方法）和極限狀態法（如加拿大道路橋梁設計規范），而國內關于鋼波紋管結構研究起步較晚，在設計時多借鑒國外設計方法進行結構驗算。容許應力方法主要是通過加強的安全系數對鋼波紋管結構進行計算，確保其在鋼材的允許應力值范圍內，同時采用柔度系數對鋼波紋管施工時整體結構的穩定性進行規定，確保結構穩定，該方法在美國等國家進行了大量的應用，積累了大量經驗。極限狀態法是由美國和加拿大學者在容許應力法基礎上提出來的，該方法在美國和加拿大道路橋涵結構中進行了應用，在應用的同時對該方法不足之處進行了多次改進，極限狀態法的優勢在于考慮了結構構件的不同工作狀態，規定了承載能力、正常使用、疲勞極限等極限狀態。以上兩種現有鋼波紋管涵洞結構計算方法都是考慮了孔徑及外力因素，對鋼波紋管結構進行計算，但不足之處是并未考慮波形的具體尺寸對鋼波紋管受力的影響（尤其是波形差別較大，如最小波形68mm×13mm和最大波形400mm×150mm其計算結果也偏差較大），忽略了鋼波紋管自身的結構形式對受力的影響。

2.4鋼質波紋管需求量將會大幅增加

根據國外發達國家經濟和社會發展規律，隨著我國鋼制波紋管相關應用研究和各行業應用標準和規范不斷完善，未來鋼制波紋管需求將大幅增長，其主要影響因素有：（1）大規模基礎建設拉動內需，帶來道路、鐵路、水利等鋼質波紋管傳統應用領域的“剛性需求”;（2）應用技術日漸成熟帶來的應用領域擴展，如國外已普遍應用的各種工業項目的內部管網、礦山、倉儲、水利設施等領域;（3）勞動力成本和傳統建筑材料成本上升將提高鋼質波紋管的競爭優勢;（4）環保意識和水土保持提高帶來更加廣泛的應用。其中，環保政策的從嚴使波紋管對水泥、混凝土制管的替代性加強，而隨著我國治理城市內澇對相關污水設計、排水設計以及水土保持標準的提高，將帶來巨大的市政工程改造需求。

結語

本文利用有限差分軟件建立了三維數值模型，按照設計給定參數模擬了箱涵頂進法有無管幕兩種工況，模擬了依托人工填土構筑的始發井反力墻結構。得到的結果表示：（1）有管幕的情況下進行軟土淺埋箱涵頂進施工可以顯著減少箱涵上方土體的變形;沒有管幕的情況下，地表沉降大多為4cm，甚至7cm，有管幕支持下，地表的沉降最多為3mm，效果顯著。（2）管幕可以為箱涵分擔70%的土層壓力，可以減少矩形箱涵直角處的拉應力。（3）人工填土構成的反力墻結構可以為頂管機提供支撐。在頂進箱涵的過程中，由于土體被擠壓，回填土會發生一定的沉降，約2cm。反力墻鋼板，頂進底板，鉆孔灌注樁會發生整體逆時針方向的旋轉變形（沿y向）。模型中線灌注樁的變形大于邊緣灌注樁，靠近始發井一排灌注樁變形大于遠離始發井一排。灌注樁發生的位移最大為8.8mm。

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