钢波纹管涵在软土路基中的应用

谭国湖

(湖南省高速公路管理局,湖南长沙 410003)

1 工程概况

浏醴高速k51+760钢筋砼拱型通道(1-4m×4m)位于山坳农田内,原设计要求地基承载力[α]≥500 kPa,现场试挖基底触探试验得知该基础需超深7.6 m,地基承载力才能满足设计要求。假如采用浆砌片石进行地基处理,估算浆砌片石量6 515 m3,估算金额为146万元,并且工期长。而将地基承载力要求高的钢筋砼拱型通道变更为地基承载力要求较低([α]≥220 kPa)的钢板波纹管拱型通道(厚6.5mm,直径6m,能满足原设计过水和4 m×3.5 m行车要求)后,钢板波纹管拱涵从投入生产到安装完成只需2个月工期,相比钢筋砼拱型通道包括基础处理需6个月施工工期,可缩短4个月施工工期,同时节省工程造价40万元。

2 钢波纹管涵的特点

2.1 造价低

采用金属波纹涵管结构的涵洞和钢筋混凝土盖板涵和浆砌片石结构的涵洞相比,直接费用可以降低10%～30%。原因是采用金属波纹涵管结构,构造物本身重量较轻,允许涵管纵向沉降变形,对地基的要求较低,无需对地基进行复杂的处理。

2.2 工期短

采用金属波纹涵管,构造物结构简单,现场开挖和地基处理与管体制作分别实施,地基处理只是夯实和砂砾摊铺,管体到现场后实施填埋,工序简单,实施也比较简单。

2.3 行车舒适

由于采用混凝土结构或者其他结构,构造物与非构造物部分的连接处最易产生跳车现象,使人感觉不适。而采用金属波纹涵管结构,管身上部填土厚度是渐变的,避免了突变引起的跳车现象,还避免了因为跳车现象引起的构造物损坏。

2.4 集约化生产

管体的生产由专业化工厂实施,不受现场环境的影响,从而避免了无法施工的天气对工程进度的影响,工厂大规模集约化的生产有利于降低成本,更有利于质量控制。

2.5 现场安装方便

由于金属波纹涵管重量较小无需大型安装设备,对直径超过3m的拼装式金属波纹涵管通过专业化的队伍安装,速度快,安装质量有可靠的保证。

2.6 环保

采用金属波纹涵管基本无需水泥、石材、木材等常规建材,对公路、铁路沿线的环境减少了破坏作用,环保意义深远。

2.7 受力合理

金属波纹涵管本身是一种弹性结构,不仅仅是允许纵向变形,其结构合理,荷载分布均匀,具有全面的抗变形能力。

3 钢波纹管涵的施工工艺

施工工艺流程为挖基→施工放样→基础垫层填筑→管身安装→台背回填→洞口铺砌。

3.1 基础施工

1)基坑开挖应以拟建的钢波纹管涵为3倍于钢波纹管涵的宽度为宜。如因工地过小不得以时至少应确保跨径以外1.2m以上的作业空间。这样既方便组装,又利于钢波纹管涵周围的回填及密实。

2)地基要对整个钢波纹管涵保持均匀的承载力。要避免软弱基和岩基交叉的地基,如果实在不可避免软弱地基要用优质砂石及砾石压实成形,岩石地基挖掘后用砂砾重新换填,厚度为30 cm。

3)基础的厚度为80 cm,采用透水性好,级配良好的砂质土、砂砾或碎石土成形,密实度达到设计要求。材料的最大粒径不得超过波长的1/2或不大于50mm。

4)圆管安装经过一段时间后,常会产生一定的下沉,而且往往是管道中部大于两端。因此,铺设于路堤下的波纹管的管身要设置预留拱度(图1)。其大小根据地基土可能出现的下沉量、涵底纵坡和填土高度等因素综合考虑,通常可为管长的0.3%～1%,最大不宜大于2%,以确保管道中部不出现凹现或滑坡。

图1 钢波纹管预拱度设置

3.2 各种土质地基的处理方法

3.2.1 优质土地基

未经筛分的砂,碎石、砂砾土以及砂质土都是比较理想的地基材料,但需清除10 cm以上的石块等硬物。

3.2.2 一般性土质地基

承载能力不太高的普通地基,需设一定厚度的基础。但是,若将涵管底基槽原状土经严格夯实(其夯实度达到重型击实密实度的90%以上)以后,也可直接将波纹管置于地基上。

3.2.3 岩石地基

波纹管不能直接置于岩石或混凝土基床上,因过于刚性的支承,不但会降低管壁本身所具有的良好柔性,而且还会减小涵管的承载能力。所以对岩石地基应挖掉一部分软岩,换填上一层优质土,一般换填厚度不小于30 cm为宜,并认真夯实。开挖软岩沟槽,不能使用烈性炸药和放深孔炮,以避免将过多的外层被炸松散。岩石风化层地基不能作为基础,需换填上3D宽度的优质土。

3.2.4 软土地基

当涵管处于软土地基上时,需对软土路基进行处理,涵洞地基处理方法同该路段的路基处理方法,然后在其上填一层大于20 cm厚的优质砂砾垫层。

3.3 施工放样

对施工场地进行平整,安排布置各种材料堆放场地,组织所需机械设备。施工前组织测量人员根据设计文件放出管涵轴线,打好中边桩,在涵管中轴线和基础范围边缘撒上白色灰线,测出原地面高程。

3.4 基础垫层填筑

基础垫层材料采用碎石土或砂砾填筑,厚度7～15 cm,其最大粒径不得超过12mm。

3.5 钢波纹管安装技术要求

1)施工工艺流程。

施工前准备→施工放样→设置围堰→排水清淤→平整场地→基础分层回填→检测压实度、含水量等→水准测量→平整场地→施工放样→拼装管节→检测密水情况及管底纵坡→检测并涂刷防腐涂层→涵管就位→两侧分层回填→检测压实度、含水量等→管顶分层回填→检测压实度、含水量等→进出口处理。

2)涵管安装前在基础顶部均匀铺设7～15 cm的砂垫层,按图纸要求拼装钢波纹管节。

3)施工步骤。

①施工前准备。

a)备齐安装工具:梅花扳手、活口扳手、小撬棍、撬杠、手锤、凿子、螺丝刀(一字形)、千斤顶、绑丝1 kg。

b)备齐涵管安装所需配件:螺丝及橡胶石棉垫。

c)检测波纹管各管节的长度、直径是否与该处涵洞相符合。

d)设涵管安装指挥员一名,负责指挥起吊及施工人员现场操作。

e)涵洞施工前必须对到现场的涵管节及其附属配件进行检测,一方面检测其结构尺寸,另一方面检测其表面防腐是否达到要求;必要时需在镀锌涂层表面再增涂沥青或其它防腐材料。

f)涵洞施工前应根据具体情况修筑相应长度的施工便道,并合理组织过往车辆。

②涵管拼装流程主要为:检查涵管管节→吊装涵管→运输至施工场地→拆除包装→校对涵管进出口等次序→对齐法兰盘及法兰孔→初步上螺栓和螺母→填充橡胶或石棉密水垫→对称拧紧螺栓→均匀在涵管内外侧涂沥青→涵管吊装就位。

③安装操作方法。

a)安装前工作:检查涵管底部基础平整度、断面尺寸、进出口标高;核对涵洞位置、轴线、中点。

b)连接安装波纹管:安装时从下游开始排放第一根管节,使管节中心与基础纵向中心线平行,同样把第二根管放置就位,当两根管相邻法兰间相距3～5 cm的缝隙时,用小撬棍对准法兰上的螺栓孔,使其两根管法兰上的螺栓孔对正,这时从第二节管的另一端用撬杠撬动管节,使其纵向平移,使两法兰间距在2 cm左右,然后全部穿上螺栓,拧上螺丝,带平扣即可。此后依此方式逐节依次连接。

c)镶石棉垫:由于现场地势等原因,有时相邻两法兰之间间距较小,这时用手锤、凿子把两法兰之间凿开大约1 cm的缝隙,用螺丝刀把石棉垫镶在两法兰之间,有时管子顶部两法兰间距较大,石棉垫镶嵌困难,用绑丝把石棉垫绑在螺栓上固定,然后工人开始对称拧紧螺丝。直至从外观看两法兰之间只有2～5mm的缝隙即可。

d)管壁内外涂沥青:乳化沥青或热沥青两道,从外观看管壁内外均匀的涂成了黑管即可。一般沥青涂层的厚度要达到0.3～1 mm。

e)用千斤顶校正整道涵管,使其中心在所规定的中心线上。

④其它要求。

a)钢波纹管组装完毕后,为防止波形钢板板缝和螺栓孔处渗水,在钢板连接处和螺栓孔处采用专用密封材料密封,填土前应将管壁涂刷沥青防水层。

b)如施工环境对钢波纹管涵有腐蚀,应采取增加管壁厚度或增涂保护膜等措施。

c)如波纹管涵的涵底纵坡大于5%,应采用必要的防滑移措施。

3.6 两侧及顶部回填

1)钢波纹管涵的楔形部密实很重要,回填料采用粗砂,其含水量比正常大3%左右,楔形部可采用截面15 cm×15 cm的木夯捣实,单次冲击力要达到9 kg;或可以用“粗砂”水密法振捣器密实。

2)两侧填土压实采用20 t的压路机压实,靠近管体30 cm范围采用小型夯实机械夯实,达到96%密实要求。靠进管体周围0.5 m范围内,不允许有大于50mm的石块等硬物。

3)压实后压实厚度每层松铺厚度控制在20 cm以内,压实要求要满足设计要求。

4)与回填土相接触的堆土或挖土的斜坡面应处理成锯齿或阶梯状并压实,松软部分在填土前应处理。

5)钢波纹管涵两侧回填应同时进行,压实落差应小于30 cm,对于有端部挡墙的涵洞,从两端向结构的中心进行回填;对于没有端部挡墙的涵洞,从结构的中心向两端进行回填。如果因偏土压造成钢波纹管涵变形时,应修正截面形象后重新压实。

6)上部压实时,从顶部到最小填土高度范围内,应对照各种规格波纹涵管最小填土高度要求施工。

7)跨径小于3 m时,涵洞最小填土厚度不小于50 cm,涵管上方当回填土厚度超过30 cm后,才能采用YZ20压路机静压,填土厚度超过50 cm后,采用YZ20压路机振压,压实度不小于90%。

8)波纹涵管回填没达到最小填土高度前,严禁一切重型车辆通行。

9)钢波纹管涵洞顶部及周围20m范围内,不允许强夯。

4 结束语

浏醴高速软基段k51+760处采用钢波纹管,目前已经完成施工,从施工的结果来看,钢波纹管建设时间短,施工方便,节约造价。目前,在湖南省高速公路软土路基中采用钢波纹管涵的情况较少,该工程的成功实施对类似地形条件下的涵洞设置具有借鉴意义。