海南中部鄉村道路涵洞病害成因及防治措施

0 引言

由于海南省中部地區水系發達，河溪細流縱橫穿插于各縣鄉村。所以本地區鄉村公路避免不了設置各種類型的涵洞。根據調查，海南中部地區現有鄉村公路涵洞平均密度為3～5個/km，所以對于涵洞的設計是否合理及施工是否符合規范要求，對修建鄉村道路的造價與通行質量都產生很大的影響。筆者通過實地調查及查閱資料等方式對海南中部多個市縣的鄉村道路涵洞的病害成因進行分析，并提出合理的防治措施。

1 海南中部鄉村道路涵洞常見的病害類型

在筆者對海南中部多個市縣的鄉村道路涵洞的調查中，根據構造類型分類的有蓋板涵、箱涵、拱涵、圓管涵等，此次鄉村公路調查中蓋板涵的占比率達到60%，其他類型共有30%的占比率。在此次所調查的涵洞中，較常見的涵洞病害類型見表1。

表1 海南中部鄉村道路涵洞病害統計表

2 海南中部鄉村道路涵洞病害成因分析

2.1 設計方面原因

①涵洞結構的形式選擇不恰當，沒有根據地質勘察及水文資料選擇相適應的涵洞類型；②涵洞設計施工所使用的鋼筋規格、構造配筋數量及水泥混凝土的強度等級不符合規范。③涵洞節與節之間的縱橫對接設計不當，造成對接偏差、對接不上、偏移而發生錯臺；④涵洞出水口處的鋪砌面沒有根據實地情況施工，未超過翼墻的尾端，且在排水渠底部與隔水外墻之間并未進行過有效的加固，造成水流對鋪砌面與涵洞底部產生嚴重的沖刷后果；⑤涵洞翼墻及端墻設計的厚度過小，使墻體自身的重力不足，從而導致出現坍塌損毀現象；⑥翼墻與端墻背面坡度的設計不合理，造成翼墻或端墻出現了外傾的情況；⑦墻體基礎設計埋深過淺，且在設計的時候未考慮到海南中部高海拔地區的高山水流沖刷，對墻體造成一定的破壞；⑧涵洞地基承載力的設計沒有考慮到涵洞頂部車載及鋪筑材料重力的影響，導致計算出來的承載力偏小。從而造成涵洞的基底承載力不足，導致涵洞洞身及附屬結構出現了不均勻沉降現象，從而造成了涵洞整體結構的損壞。

2.2 材料方面原因

用于涵洞施工的材料未按設計規范的要求選擇使用是導致涵洞出現病害的主要原因之一。通常道路涵洞施工所使用的材料有水泥砂漿、鋼筋混凝土、防水混凝土、瀝青、油氈等。假如在實際的施工過程中所使用的水泥等級不滿足設計規范要求，則會導致混凝土強度不足，最終造成涵洞洞身表面剝落、開裂、翼墻變形，甚至會出現坍塌的情況。如果涵洞防水施工所使用的防水混凝土、瀝青、油氈等防水材料不符合設計及規范要求，則導致涵洞出現滲水、泛堿等病害，從而會影響到涵洞整體結構的質量。

2.3 施工方面原因

由于施工產生的病害原因主要是沒有嚴格地按設計文件的要求與相關施工規范來進行施工，具體主要體現在以下的幾個方面：①涵身回填的材料選用不符合要求，沒有采用強度高穩定性好的材料進行回填，且回填的時候未采用兩端對稱的回填筑方式進行分層壓實，導致涵洞出現偏壓現象。另外，如果回填土的時候攤鋪厚度過大，壓實機械質量偏小，施工人員操作不規范也會導致壓實度不符合要求。②為了迎合工期甚至超前工期，而過度講究推進施工進度而忽視了工序之間的設計要求間隔時間，從而造成工程嚴重的質量缺陷。③在施工過程中，施工企業圖謀不義之財，以致采取偷工減料的方式，以次充好、以假充真，造成所使用的防水材料量不合格以及混凝土強度等材料不滿足設計要求和規范的要求，導致涵洞過早地產生涵身裂縫、滲水等質量問題。④洞身的沉降縫設置不合理。涵洞沉降縫施工時，施工單位為了趕工期而減少了沉降縫的設置數量，從而造成了涵洞的病害。⑤施工單位未考慮到實地地質情況，在進行涵洞基礎施工的時候，并沒有事先去檢測地基承載力，而是直接按照設計圖紙的要求去開挖。且在地基承載力不符合設計規范要求的情況下，沒有去對地基進行處理，導致基底出現不均勻沉降，從而造成涵洞洞身結構產生裂縫。⑥涵洞結構混凝土澆筑完成后，沒有及時去養護，由于混凝土的收縮徐變作用，造成洞身結構混凝土出現開裂、脫離等病害現象。

2.4 環境方面原因

海南中部鄉村道路作為露天且線路長遠的項目，沿途經過各種各樣復雜的山區地質水文狀況，涵洞作為公路工程的一部分，需要承受獨特的山區地質水文等惡劣自然因素的影響，不可避免地會遭受不同程度的毀壞。尤其是遭遇地震，特大暴雨等不常遇的自然災害時，由于地震及特大洪災的影響，使地形及地貌出現斷層、地裂、特大滑坡等巨大變化時，會導致涵洞產生結構和質量等方面的病害。

2.5 養護方面原因

①在施工階段，洞身結構在施工完成后沒有去針對洞身結構強度各個階段的特性去采取符合規范及設計要求的相應養護措施。比如，混凝土在澆筑完畢后，施工人員未及時地進行按時澆水等養護方式，導致混凝土強度不足，這也是造成道路涵洞病害的一個重要原因。②在通車運營階段，管養單位及監督單位相關管理人員的責任意識不夠強。管養單位施工人員未按相關規范要求去進行養護，而且監督管理單位責任人也未做好相應的監督管理工作，進而給涵洞造成產生不可逆的破壞。另一方面，在管養過程中管養人員未對涵洞日常出現的現象進行詳細記錄和匯總上報，也沒有提前去預判涵洞可能存在的質量隱患和病害，特別是車輛在超載行駛的時候，更會導致該病害和隱患進一步惡化發展，從而使涵洞產生了重大的質量問題。

3 海南中部鄉村道路涵洞病害防治措施

3.1 設計方面

在進行設計前，設計人員應對施工現場的水文氣象、地質勘察等資料進行詳細的研究和相應數據的計算。還要根據山區鄉村道路具有坡陡水急、排水不暢的特殊性，需要到實地對歷年洪水的痕跡進行調查，并綜合考慮車流量、降水量、地形位置、跨徑、實用性、經濟性等各個方面原因，最后確定設置的涵洞要具有以下特性。

①設置的涵洞構造形式的跨徑范圍應符合表2[1]的要求。

表2 各類涵洞構造的適用跨徑

②根據相應的地質水文狀況及涵洞特點設置的涵洞類型應符合表3的要求。

表3 不同涵洞類型特點與適用條件

③設計使用的材料應與施工情況相適應，在進行設計的時候應盡可能地去參考《公路涵洞設計細則》等有關規范標準去選定合格的施工材料。

④設置的涵洞結構規格應確保其在發生特大水量情況的基礎上仍然可以順利地排泄。

⑤設計墻體基礎的埋置深度應確保不受當地水流最大沖刷深度的影響。

⑥翼墻與端墻的設計厚度要符合規范要求以及其墻背面坡度不能過大，要保證其具有足夠的抗傾覆力矩。

3.2 施工方面

①在施工前，應針對涵洞編制專項的施工方案，做好施工部署，合理地安排好各道工序及材料進場時間，不僅能有效地控制工期和節約成本，還能統籌其他的不確定因素。

②施工單位在施工時要嚴格按照施工規范和設計單位的設計要求并根據現場具體情況進行規范化施工。如果在施工過程中發現存在設計圖紙與地質情況不符的情況，要及時上報給設計單位進行修改，消除質量隱患。

③在施工過程中，要隨時根據實際情況去將施工工藝更新及改進。施工工藝直接影響到施工質量，山區道路修建涵洞時要考慮到一些不良地質條件及突發的異常氣候的影響，積極地改進施工工藝不僅能提高施工效率、節約成本，還能減少涵洞病害的產生。

④洞身結構在施工前，應根據實際地質勘察情況，對承載力差的基底選擇相應的措施進行處理，提高涵洞基底的穩定性，避免因為涵洞基底產生不均勻沉降，而導致洞身結構的開裂。

⑤合理地去使用施工材料，對于保證施工質量起到了不可忽視的作用。所以，要堅決杜絕不符合要求的材料進場以及偷工減料的行為。在施工時根據設計要求選用材料時，除了要考慮到經濟成本外，還要考慮到材料的強度和實用性，涵洞材料的最低強度等級如表4[2]。另外，洞身及基礎滲水是涵洞病害產生的主要原因之一，所以在施工時用于沉降縫施工的材料至關重要，應選用具有防水、耐腐、抗壓瀝青橡膠等優良特性的填料。

表4 涵洞材料的最低強度等級

3.3 減載方面

海南中部地區由于是山區地形，地勢跌宕起伏，為了滿足道路工程的線形標準，需要進行高填方的路段較多，所以需要設置相應高填方的涵洞數量也比較多。據此次對海南中部幾個市縣鄉村道路涵洞的調查中，部分涵洞最大填土高度達到30m。對于高填方涵洞來說，由于對涵頂進行回填土的荷載比較大，所以回填土措施的選擇正確與否會改變涵洞與回填土方之間的相互作用，甚至會造成涵洞受到不同方向的附加作用力。因此，采用有效而可靠的減載措施，不僅能最大程度地減小涵洞豎向附加土壓力，還可以產生向上的附加作用力，從而使涵頂的土壓力得到了明顯的降低。

下文探討目前國內比較常用的減載措施，如松散填筑法、柔性填料法、加筋減載法、利用天然地形等方法的適用性。

①利用天然地形。

海南中部山區的天然地形，如溪谷、陡坡等自然的道路臨界條件對涵頂回填土的壓力會產生不小的影響，道路邊坡能夠承擔部分涵洞頂部回填土體的自身荷載，以減小涵頂應力的過度集中，這樣有助于減載效果的充分發揮。

有研究表明，山區道路高填方路堤設置合理的邊坡比和沖溝高寬比對于減少涵頂回填土壓力具有很顯著的效果。所以，合理地設置涵位，充分地去利用坡岸和溝槽的拱效應，可以達到很好的減載作用。

不過由于涵洞到兩側邊坡之間的距離差異大于一定值可能會導致偏載，從而會造成涵洞的結構因為其中一側的土壓力過大而開裂損壞及地基的不均勻沉降，所以完成利用天然邊坡對于涵洞結構的正常使用會產生一定的不穩定因素。

②松散填筑法。

松散填筑法[3]是使用不同壓實度的土層對涵頂進行回填，即涵洞的兩側回填土方壓實的同時，涵洞頂部在一定的高度范圍內只能回填松散的填料。這樣就能使涵頂回填土方的變形模量小于涵洞兩側回填土方的變形模量，涵洞內外土柱間的沉降差會有所減小，涵頂的土壓力集中現象就能夠得到有效的緩解，因此達到了減載的效果。

選擇松散側實填土的減載方法能夠降低涵頂回填土方的等沉面，減小涵洞頂部土壓力的集中系數，產生了比較好的減載作用。

不過該方法對涵洞頂部松散回填土方區域的范圍難以把控，因此在土方回填過程中稍微把控不好就會導致道路路堤頂面沉降的加大，從而影響到路堤的穩定性，形成了潛在的不安全因素。

③柔性填料法。

柔性填料法是在松散填筑法的基礎之上進行改進的減載方法。一般在施工過程中選用的是壓縮模量比較小的柔性填料。因為要協調涵洞頂部與兩側填土變形的作用，回填柔性材料的攤鋪厚度僅為10～50cm就可以。由于涵洞頂部回填了柔性填料，所以當回填土的高度達到一定的數值以后，柔性材料就會在回填土的重力荷載作用下產生屈服，產生比較大的變形現象。通俗地說就是減少了涵頂的內外部回填土柱之間的沉降差，有效地減輕了涵洞頂部的應力過于集中現象，以此達到減小高填方涵頂回填土產生荷載過大的效果。

國內現階段工程施工中廣泛使用可發性聚苯乙烯泡沫塑料模塑板（PES）。模塑板（PES）的特性主要是具有容重小與足夠的結構強度，施加壓力較小時具有彈性體的性能，但是外施壓力進一步加大后便發生屈服，變形加大，因而便獲得了良好的減載效果。當模塑板（PES）的變形達到極限值時，涵洞頂的土壓力系數也就慢慢地穩定。同時模塑板（PES）還具有穩定可靠、施工方便、造價低廉等優點；但模塑板（PES）的防火性能差，且燃燒時釋放大量的熱量，生成有毒、有害煙霧，受火后收縮熔化產生空腔，從而加劇燃燒程度。因此在施工中，要特別對此材料采取可靠的防火措施。

④加筋減載法。

我們通常所說的加筋減載法[4]就是使涵洞頂上方一定寬度和高度范圍內的回填土方的密實度小于兩側的回填土方，以此形成內松外緊的“減載孔”；同時也在減載孔的上方分層鋪設鋼筋，且鋼筋兩端分別要錨固于兩側密實的回填土體中，形成“加筋橋”，從而減少涵洞頂部的土壓力，以避免路堤的沉降過大。

該方法與松散填筑法比較相似，目前都被廣泛應用于公路涵洞的病害防治當中。

3.4 養護方面

①在施工階段，道路涵洞工程使用的材料中水泥混凝土占有比較大的比例，由于水泥混凝土具有熱脹冷縮的特性，所以在高溫和低溫的天氣時節比較容易產生裂縫。所以，在進行洞身結構混凝土澆筑完畢后要及時去進行養護。

②在運營階段，養護單位責任人員必須要加強對涵洞的監管和養護工作。一是要及時地去將洞口內與出水口存留的淤積物清理干凈，從而使涵洞排水的保持暢通。二是要按時對涵洞洞身及其附屬構造進行詳細檢查，從而能夠提前發現和處理存在的各種質量隱患，做到未雨綢繆。三是要嚴格管控對超載車輛的通行，避免由于車輛超載而造成涵洞的損毀。

4 結語

海南中部鄉村道路作為改善民生及提高當地農村產業規模的重要交通樞紐，涵洞作為道路的重要組成部分，涵洞結構質量的好壞關系到道路工程整體質量的好壞。本文通過實地考察、查閱資料等方式歸納出海南中部鄉村道路涵洞出現病害主要原因，并從設計、施工及養護等方面提出了對于涵洞病害科學的防治措施，減少乃至避免道路涵洞再出現類似的病害，以保證道路涵洞整體結構的質量。