波紋管涵在公路設(shè)計和施工中的應(yīng)用分析★

王小元，蒙圣榮，陶有睿，諶世榮，熊戰(zhàn)銘，王佳男，劉衛(wèi)東

(1.廣西城市職業(yè)大學(xué),廣西 扶綏 532199;2.江蘇省公共工程建設(shè)中心有限公司,江蘇 南京 210009; 3.中建四局廣西分公司,廣西 南寧 530201)

0 引言

涵洞作為高速公路中的排水設(shè)施,在高速公路中是必不可少的。目前在高速公路中常見的涵洞結(jié)構(gòu)有鋼筋混凝土蓋板涵、鋼筋混凝土箱涵、圓管涵、拱涵等。涵洞在運行過程中,由于不均勻沉降等原因容易造成涵洞出現(xiàn)裂縫影響其使用性。西南地區(qū)屬于喀斯特地貌,地質(zhì)條件比較復(fù)雜,混凝土結(jié)構(gòu)的涵洞容易出現(xiàn)滲水、不均勻沉降造成開裂等病害。由于鋼筋混凝土工后沉降大、工期長、投資大,為了降低工后沉降,縮短工期,節(jié)省投資非常有必要尋求其他涵洞形式[1]。而金屬波紋管作為一種新型材料,在建筑中使用越來越普遍,因此在高速公路涵洞中也非常有必要對其進(jìn)行研究分析。

1 金屬波紋管涵的優(yōu)點與設(shè)計要點

金屬波紋管涵作為一種新的材料,目前已在很多地質(zhì)地形情況下應(yīng)用,并取得了良好的經(jīng)濟與社會效益,也逐漸為交通業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可并推薦,它的諸多優(yōu)點被建設(shè)者們青睞,在各等級新建項目及舊橋涵加固中發(fā)揮著它的專長,隨著波紋管涵的廣泛使用,國內(nèi)先后制定了交通部行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)《公路涵洞設(shè)計規(guī)范》及《公路橋涵用波形鋼板》,波紋管涵在公路中使用已有法可依。

金屬波紋管涵采用波紋狀結(jié)構(gòu),使其具有較高的強度和剛度,能夠承受較大的壓力和變形。同時,波紋狀結(jié)構(gòu)還能夠提高管涵的耐久性和抗疲勞性能,使其能夠在惡劣的環(huán)境條件下長期使用。金屬波紋管涵的主要材料是鋼材,包括碳鋼、低合金鋼和不銹鋼等。根據(jù)不同的使用環(huán)境和腐蝕要求,可以選擇不同材質(zhì)的鋼材。同時,為了提高管涵的耐久性和抗腐蝕性能,還可以在鋼材表面進(jìn)行鍍鋅、噴塑等處理。金屬波紋管涵的制造工藝主要包括鋼材剪裁、成型、焊接和防腐處理等環(huán)節(jié)。其中,成型和焊接是關(guān)鍵環(huán)節(jié),需要采用先進(jìn)的設(shè)備和工藝技術(shù),以保證管涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和密封性[2]。

金屬波紋管涵是一種新型的排水設(shè)施,具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特點、材料選擇、制造工藝、安裝方式和使用效果。它能夠有效地解決排水問題,提高道路的使用性能和壽命,是現(xiàn)代化城市建設(shè)中不可或缺的一部分。金屬波紋管越來越多地應(yīng)用于高速公路的修建,從設(shè)計到施工都形成了一套比較完善的體系。尤其在一些匝道上,波紋管涵由于其施工工期快、受力性能好等特點被廣泛使用。

1.1 金屬波紋管涵的優(yōu)點

大量的工程案例表明,金屬波紋管具有以下優(yōu)點:

1)承載能力強。金屬波紋管涵由高強度的金屬材料制成,能夠承受較大的荷載,包括地震、車輛和水壓等。由于其獨特的波紋結(jié)構(gòu),使用其比同口徑的水泥管耐壓強度大15倍以上。

2)造價低。金屬波紋管涵相比于常規(guī)圬工構(gòu)造物造價節(jié)省約10%～30%,經(jīng)濟性更好,綜合效益更高。

3)良好的耐腐蝕性能。金屬波紋管涵具有較高的耐腐蝕性能,能夠抵御水、土壤和化學(xué)物質(zhì)等對結(jié)構(gòu)的侵蝕,從而延長使用壽命。

4)綠色環(huán)保。金屬波紋管涵使用的材料為金屬,通常是鋼材或鋁合金,這些材料可回收再利用,減少了對環(huán)境的破壞,與傳統(tǒng)的混凝土涵洞相比,金屬波紋管涵不需要使用大量的水泥、沙子、石子等資源,從而節(jié)約了資源。

5)適應(yīng)性強。金屬波紋管涵可以根據(jù)需要進(jìn)行定制,適應(yīng)不同的地形和環(huán)境要求,具有較高的適應(yīng)性。在南方地區(qū)地下水多帶有不同程度的腐蝕性,同時山嶺重丘地區(qū)地表水流湍急、季節(jié)性降雨沖刷嚴(yán)重的情況下也適用。

6)高度可靠。金屬波紋管涵由金屬板卷曲成波紋狀,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,能夠保證通道的安全性和穩(wěn)定性。

7)工期短。相比傳統(tǒng)的混凝土涵洞結(jié)構(gòu),金屬波紋管涵連接采用法蘭盤對接加螺栓固定,工藝簡單,操作便捷,因此金屬波紋管涵具有施工周期短、安裝方便的特點,可以減少施工時間和成本[3]。

總而言之,金屬波紋管涵具有承載能力強、耐腐蝕、靈活連接、適應(yīng)性強、高度可靠以及快速安裝等優(yōu)勢,因此在工程中得到廣泛應(yīng)用。

1.2 金屬波紋管涵設(shè)計要點

1.2.1 金屬波紋管涵使用的范圍

1)一般公路建設(shè):在滿足水通道、通道等基本要求的情況下,波紋鋼管結(jié)構(gòu)在電壓性能、施工時間、維護(hù)成本和綜合成本等方面均優(yōu)于同跨傳統(tǒng)鋼筋混凝土通道。

2)山路:鋼筋、水泥、沙子和礫石以及淡水等鋼筋混凝土連接材料缺失的地區(qū);當(dāng)難以在山區(qū)修建進(jìn)場道路或運輸鋼筋混凝土連接的原材料時。

3)搶修項目:搶險、救災(zāi)等工期要求較緊的項目。

4)不利的地質(zhì)條件:在特殊地區(qū),如延伸土壤和軟土,不均勻的地基沉積會對剛性錨造成損壞[4]。

5)高填土線段:當(dāng)弧形噴嘴和天花板噴嘴的地基承載力不滿足要求,地基處理成本較高時。

1.2.2 不建議采用波紋鋼管涵洞的情況

1)長水季度結(jié)構(gòu)(每年超過兩個月)。

2)在地面上維護(hù)并與自由材料長期接觸的管道結(jié)構(gòu)(每年超過兩個月)。

3)不穩(wěn)定或中度至強腐蝕性環(huán)境(pH值小于5.5,電阻小于50 mm)。

4)地震活躍區(qū):在地震活躍區(qū),金屬波紋管涵可能會因為地震而受到損壞,從而影響其使用效果。

1.2.3 高速公路中常用的孔徑及填土高度

波紋管涵洞孔徑常用:1.5 m,2.0 m,2.5 m,3.0 m,4.0 m,5.0 m,6.0 m,不同的孔徑對應(yīng)不同的填土高度,如表1所示。

表1 涵洞填土高度

1.2.4 涵洞洞口形式

涵洞洞口的類型:平頭式(見圖1)、半削竹式、削竹式、一字墻(見圖2)、八字墻,具體設(shè)計根據(jù)地形、地質(zhì)、水文條件及景觀要求選用[5]。

1.2.5 工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)

實測項目及要求如下:管涵軸線偏位偏差小于20 mm,采用經(jīng)緯儀測量;管涵內(nèi)底高程偏差在±10 mm之內(nèi),采用RTK檢測, 回填前管涵內(nèi)徑偏差在±1%之內(nèi),采用尺量;回填后變形(管涵內(nèi)徑)偏差在±2%之內(nèi),采用尺量。

2 金屬波紋管涵在高速公路中的應(yīng)用實例分析

以貴州高速公路為例,分析金屬波紋管在高速公路中的實際應(yīng)用狀況。

整個路線全長為104.400 km,等級為高速公路,設(shè)計的時速為80 km/h,雙向四車道,路基寬度為25.5 m(整體式),路基寬度為2×12.75 m(分離式)。項目地處云貴高原北部向四川盆地過渡的斜坡地帶,屬大婁山系堯龍山脈,山脈呈北東—南西走向,與地層走向基本一致。路線經(jīng)過范圍內(nèi)地勢總體南東高、北西低。地貌類型為喀斯特地貌,地下水豐富,巖溶較多。通過詳細(xì)勘察工程地質(zhì)調(diào)繪,場區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的大型斷裂通過[6]。

2.1 金屬波紋管涵在設(shè)計中的應(yīng)用分析

以主線K81+870處涵洞為例,原設(shè)計方案為1-3.0 m×3.0 m鋼筋混凝土蓋板涵,填土高度10.95 m,涵洞全長82.32 m,如圖3所示。

為了節(jié)省投資,縮短工期,最后經(jīng)過變更后采用1-3.5 m金屬波紋管涵,壁厚3.5 mm,涵長53 m,填土高度3.99 m,如圖4所示。

活載計算理論:采用角分布法和半無限彈性體理論計算。

經(jīng)過比較最終節(jié)省投資將近30萬元,工期縮短5 d。

金屬波紋管涵與鋼筋混凝土蓋板涵每延米綜合造價對比如表2所示。

通過上面的分析可以得到如下結(jié)論:

1)孔徑小于5.5 m金屬波紋管涵工程造價低于鋼筋混凝土蓋板涵。建議小孔徑涵洞采用金屬波紋管涵。

2)孔徑不小于5.5 m金屬波紋管涵工程造價高于鋼筋混凝土蓋板涵。大孔徑通道和涵洞維持鋼筋混凝土蓋板涵。

3)貴州高速公路主線涵洞共設(shè)置33處排水涵,采用金屬波紋管涵可節(jié)約工程造價約480萬元。

表2 金屬波紋管涵與鋼筋混凝土蓋板涵每延米綜合造價對比表

2.2 金屬波紋管涵在施工中的應(yīng)用分析

2.2.1 基礎(chǔ)部分

1)基坑開挖寬度應(yīng)為擬用金屬波紋管寬度的3倍。如果場地太小而無法使用,則應(yīng)確保跨度上至少有一個1.5 m或以上的工作空間。這不僅便于安裝,而且有利于金屬波紋管銷釘周圍的填充和壓實。

2)基礎(chǔ)應(yīng)保持整個金屬波紋管銷釘?shù)木鶆虺休d能力。為了避免軟弱地基和巖石地基的交叉,如果不可避免,軟弱地基應(yīng)使用優(yōu)質(zhì)砂礫石壓實,巖石地基應(yīng)在開挖后更換為厚度至少為30 cm的砂礫石,以盡可能減少整個傳力桿的沉降,如圖5所示。

3)鋪設(shè)波紋管的管體應(yīng)留有弧度。其尺寸一般為管道長度的0.3%～1%,這取決于基礎(chǔ)底板可能的沉降、傳力桿底板的縱向和填充高度等因素。最大不應(yīng)大于2%,以確保管道中間沒有凹陷或滑坡。

4)基礎(chǔ)表面應(yīng)平整、堅實,無雜物和浮土,以便在現(xiàn)場安裝波紋管。

5)基礎(chǔ)整平夯實后方可在現(xiàn)場安裝波紋管,管壁與基礎(chǔ)之間禁止出現(xiàn)不密實現(xiàn)象。

2.2.2 頂部和兩側(cè)回填

1)兩側(cè)土方回填應(yīng)平衡進(jìn)行,每層壓實厚度不大于20 cm,用小型夯實機械夯實。回填土應(yīng)采用合適的材料,如砂土、砂礫等,以確保回填質(zhì)量和穩(wěn)定性。

2)金屬波紋管涵兩側(cè)及頂部的回填密實度應(yīng)達(dá)到95%以上,以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和防止水分的滲透。在回填過程中,應(yīng)采取措施防止對波紋管涵造成損壞或變形。

3)金屬波紋管涵兩側(cè)及頂部的回填高度應(yīng)符合設(shè)計要求,一般應(yīng)高于波紋管涵頂部10 cm以上,以確保波紋管涵的安全使用。在回填過程中,應(yīng)使用小型夯實機械進(jìn)行分層夯實,并注意防止對波紋管涵造成損壞。

4)金屬波紋管涵兩側(cè)及頂部的回填坡度應(yīng)符合設(shè)計要求,一般應(yīng)采用1∶1.5～1∶2的坡度。在回填過程中,應(yīng)保證回填材料的穩(wěn)定性,防止出現(xiàn)滑坡等現(xiàn)象。

5)金屬波紋管涵兩側(cè)及頂部的回填完成后,應(yīng)對其進(jìn)行沉降觀測。觀測應(yīng)持續(xù)至沉降穩(wěn)定后至少7 d,并記錄每次觀測的數(shù)據(jù)。如果觀測到沉降量過大或出現(xiàn)不均勻沉降等現(xiàn)象,應(yīng)及時采取措施進(jìn)行處理,以確保波紋管涵的安全使用。

2.2.3 金屬波紋管的技術(shù)和安裝要求

1)金屬波紋管施工的工藝流程如下:施工前準(zhǔn)備→施工放樣→平整場地→基礎(chǔ)分層回填→檢測壓實度、含水量等→施工放樣→拼裝管節(jié)(板片)→檢測泌水情況及管底縱坡→檢測并涂刷防腐涂層→涵管就位→兩側(cè)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(jìn)出口處理。

2)在安裝金屬波紋管之前,必須了解產(chǎn)品的規(guī)格和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。金屬波紋管的規(guī)格包括管徑、波高、波距、壁厚等參數(shù),這些參數(shù)將直接影響安裝和使用效果。因此,在安裝前應(yīng)認(rèn)真閱讀產(chǎn)品說明書,了解產(chǎn)品的各項技術(shù)參數(shù)和要求。

3)沿通道軸向的周向變形(沉降)縫的距離為4 m～6 m,通常沿通道周向布置在混凝土防沖層區(qū)域。變形(沉降)縫的寬度為5 mm～10 mm。變形縫沿傳力桿周向旋轉(zhuǎn)方向的間距為1 m～2 m,通常沿傳力銷軸線布置在混凝土防沖層框架內(nèi)。變形(沉降)縫的寬度為5 mm～10 mm。變形(沉降)縫必須用材料填充[7]。

4)金屬波紋管的密封性對其使用效果和使用壽命具有重要影響。因此,在安裝過程中應(yīng)確保金屬波紋管的密封性。應(yīng)使用密封材料對連接處進(jìn)行密封處理,并確保密封材料符合要求且完好無損。同時,應(yīng)注意在安裝過程中避免劃傷或撞擊金屬波紋管,以免影響其密封性能。

2.2.4 銷釘

1)金屬波紋管涵銷釘?shù)倪B接方式應(yīng)牢固、可靠,并能夠適應(yīng)各種環(huán)境條件。常用的連接方式包括焊接、螺栓連接和膠接等。其中,焊接連接具有較高的強度和耐久性,適用于需要承受較大載荷的場合;螺栓連接則具有較好的可拆卸性和可靠性,適用于需要經(jīng)常維護(hù)和更換的場合。2)當(dāng)密封尺寸與頂部和底部的螺栓和螺母相匹配時,根據(jù)波紋鋼板的波形將其加工成弧形表面。3)金屬波紋管涵銷釘?shù)陌惭b應(yīng)簡單、方便、快捷,并能夠保證其安裝精度和使用性能。在安裝過程中,應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行定位和固定,以確保金屬波紋管涵銷釘?shù)奈恢脺?zhǔn)確無誤;同時應(yīng)采用正確的連接方式和緊固方法,避免應(yīng)力集中或松動現(xiàn)象的發(fā)生,如圖6所示。

2.2.5 接頭防滲漏

1)抗?jié)B試驗:涵管灌水或水灰質(zhì)量比為0.5的水泥漿30 min無漏水、漏漿[8]。2)抗彎試驗:金屬波紋涵管彎曲度為曲率半徑的30d時,無漏水、漏漿。3)鋼波紋管通道外圈對接設(shè)計完成,螺栓質(zhì)量及螺栓設(shè)計符合要求后,進(jìn)行封閉施工。管道通道用密封材料密封,以防止波紋板漏水等問題。密封材料根據(jù)環(huán)境條件選擇,以確保材料的緊密性和彈性。4)當(dāng)連接多個金屬波紋管時,除了使用高強度緊固螺釘密封管道連接之間的間隙外,還應(yīng)使用密封劑。連接完成后,應(yīng)在管道連接的內(nèi)側(cè)和外側(cè)噴灑兩次乳化瀝青。5)施工時注意管節(jié)接頭處的密封,以確保防水。密封材料可選用橡膠墊片,也可選用硅酮耐候密封膠,如圖7所示。

2.2.6 金屬波紋管涵施工要點分析

金屬波紋管涵施工過程中要重點把握以下施工要點:1)在設(shè)置基礎(chǔ)時,應(yīng)該設(shè)置預(yù)拱度,預(yù)拱度一般在0.4%～1.1%之間。2)波紋管涵的安裝:首先,需要在施工現(xiàn)場進(jìn)行測量,并將基礎(chǔ)按照設(shè)計要求進(jìn)行施工;然后,根據(jù)設(shè)計圖紙進(jìn)行波紋管的拼裝和安裝;最后,確保波紋管的連接牢固,邊緣密封良好。3)施工過程中需要注意環(huán)境保護(hù),避免對周圍生態(tài)環(huán)境造成影響。4)進(jìn)行波紋管與其他配件的連接操作,如對焊、螺紋連接等,確保其牢固性和密封性。5)在防水處理過程中,應(yīng)注意保護(hù)好波紋管和其他配件,避免損傷或變形。同時應(yīng)注意檢查防水質(zhì)量和密封性能,確保防水效果良好。

3 結(jié)語

通過對比分析鋼筋混凝土涵和金屬波紋管涵在高速公路中的實際應(yīng)用,可以得到如下結(jié)論:

1)金屬波紋管涵能節(jié)省投資、縮短工期。在小孔徑時,金屬波紋管涵與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)項目相比,在成本、工期等方面具有較大的優(yōu)勢,可用于高速公路的新、改、建等設(shè)計和施工項目,尤其在高速公路的連接線,匝道位置使用波紋管涵更加具有優(yōu)勢。2)金屬波紋管涵安裝更便捷。金屬波紋管涵采用裝配式施工工藝,標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),也更適用于未來智能建造的大趨勢。金屬波紋管涵的安裝方式比較簡單,可以采用人工或機械安裝。在安裝過程中,需要注意管涵的方向和位置,保證其與基礎(chǔ)密貼,避免出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。同時,在安裝過程中還需要進(jìn)行支撐和固定,以防止管涵移位或變形。3)金屬波紋管涵更環(huán)保。從環(huán)保上來說,金屬波紋管涵減少了混凝土用量,對環(huán)境保護(hù)也是大有裨益。