高填方钢波纹管涵洞通道施工技术研究

许宇明

(湖南省武靖高速公路建设开发有限公司， 湖南 邵阳　422400)



高填方钢波纹管涵洞通道施工技术研究

许宇明

(湖南省武靖高速公路建设开发有限公司， 湖南 邵阳422400)

摘要：相比较传统混凝土通道涵洞，钢波纹管结构以其独特优势，国外已广泛应用。钢波纹管结构为典型的柔性结构，管壁与管周填土耦合受力，目前施工工艺无系统规范可依，工程人员对其技术和受力特点认识不清，施工具有一定盲目性，施工不当易导致结构变形过大甚至破坏，致使该技术在应用中受到较大限制，以武靖高速K47+150一孔直径5 m钢波纹管涵洞为工程依托，论述了钢波纹管回填过程中的施工工艺、技术难点，实践结果表明：波纹钢板工后受力性能良好，为类似工程提供参考。

关键词：钢波纹管； 涵洞； 施工工艺

高速公路建设中需要设置大量的通道、涵洞等构造物[1]，在我国高速公路上，平均每公里约有3～4座过水涵洞或交通通道，现有涵洞以钢筋混凝土结构为主，而我国公路工程中约70%的混凝土通涵存在病害，最主要的表征是混凝土开裂，严重威胁结构的耐久性和安全性。

针对混凝土结构存在的问题，不少专家和学者提出推广应用钢波纹管通涵，钢波纹管是钢板由特制专用设备经成波、卷圆、拼装等工艺加工而成的，并经热浸镀锌、耐腐蚀处理的钢管状结构物。该结构强度为砼涵管的1.5～3倍，而质量仅是砼涵管的1/15～1/5，采取镀锌、覆塑等耐久性好的防腐措施，施工周期可缩小一半，具有造价低，适用范围广等显著优势，同时彻底解决了混凝土开裂问题。目前，钢波纹管涵洞在国外已应用广泛，标准及规范齐全，技术已非常成熟，而且其使用寿命已超过了设计寿命。我国于20世纪50年代抢修青藏公路不冻泉段时，成功应用钢波纹管涵洞，70年代开挖出时发现其使用状况良好，解放后由于诸多因素，波纹管涵洞未能广泛得到使用。近年来，随着对钢波纹管结构的研究不断深入，其应用越来越多，在湖南地区已成功应用在武靖、龙永、益娄、大浏、洞新等高速公路[2]。

为规范钢波纹板结构产品，交通部于2008年发布了产品标准《公路桥涵用波形钢板》(JT/T 710-2008)[3]，并在2010年颁布了行业标准《公路涵洞通道用波纹钢管(板)》(JT/T 791-2010)。在设计与施工方面，2011年颁布的《公路桥涵施工技术规范》简要描述了钢波纹管的施工技术[4]；2013年，内蒙古颁布了地方标准《公路波纹钢管(板)桥涵设计与施工规范》(DB15/T 654-2013)[5]，但到目前为止仍然没有系统的施工技术规范可依[6]，不少地区在应用时缺乏系统技术支持，工程人员对其技术和受力特点认识不清，施工不当易导致结构变形过大甚至破坏，致使该技术在工程应用中受到较大的限制。本文以武靖高速K47+150 1-5 m钢波纹管涵洞为工程依托，根据施工情况，重点分析应用情况、结构受力特点、回填料选取、施工工艺以及注意事项，以期为类似工程提供经验。

1武靖高速钢波纹管应用情况

武冈至靖州(城步)高速公路位于湖南省西南部，地处邵阳市境内(终点局部路段在怀化市通道县境内)，路线呈东西走向，是湖南省西南地区与邵阳市、省会城市长沙市之间联系的快速通道。沿线地形复杂，涵洞通道251道，其中钢波纹管23道，跨径主要为4 m、5 m和6 m，填方14.5～36.3 m，均为高填方。K47+150 1-5 m钢波纹管涵洞填方高度约为19.5 m，正交布置，波形采用380×140 mm，壁厚6 mm，采用拼装式波纹钢板，材料为Q345，钢板采用热浸镀锌，镀锌量不小于600 g/m2，厚度不小于84 μm，接缝采用M24高强螺栓拼接，数量为6个/波长。该波纹管涵洞具有高填方钢波纹管的典型特性，本文以此为例进行研究论证。

2受力特性及材料选取

钢波纹管结构是典型的柔性结构，在竖向荷载作用下，管顶产生轴向压力和弯矩，并产生竖向变形和横向变形，具有横向补偿位移的优良特性[7]。横向变形使得管侧壁受到抵抗土压力，限制管壁外移，从而提高钢波纹管的承载能力，因此，管壁与周边填土共同受力，理想的受力状态是将更多的荷载传递给管周填土。

管侧填土的压实度、弹性模量对钢波纹管涵洞的承载能力影响很大，施工时应选择易于压实、受力性能良好、透水性好的填土材料。为避免管壁局部受力过大，管壁外侧30 cm范围内，最大粒径应不大于波纹管波长的1/3，且不大于7.5 cm的石块、混凝土块、冻土块、高塑性粘土块或其他有害物质。根据已有工程经验，填料优劣依次是：

1) 级配良好、带棱角的粗砂或砂砾。

2) 均匀砂或砾石。

3) 混合土(不宜用于大跨结构)。

4) 较稳定土。

一般不宜采用黏土，因为黏土最佳含水量范围小，施工时受雨雪天气影响湿度难以控制，从而难以夯实。本项目遵循就地取材的原则，采用透水性好、弹性模量较高、性能稳定的碎石、石渣、山砂等。

3回填施工工艺

主要施工流程如下：基础开挖→施工放样→基础垫层施工→管身安装→洞口施工→涵背结构性回填。其中基础开挖、施工放样为常规施工，本文不再赘述，重点阐述基础垫层施工、管身安装和结构性回填等三部分核心内容。

3.1结构性回填区域

图1　结构性回填区域

3.2基础施工

钢波纹管涵洞通过两侧填土和基础传递荷载，其适应变形能力强，对基础材料要求相对较低。合理的基础形式应为波纹管提供可靠的竖向和侧向支撑，可减少不均匀沉降，减少结构变形和不均匀荷载作用下管壁应力集中。本项目为一般性土质地基，清除表土后设置一定厚度的换填基础，也可以将原状土经严格夯实以后直接置于地基上。

接触波纹管结构底部的基础部分称为垫层，根据结构的大小和类型，垫层可设计为平的或有一定形状的。垫层可压缩性应大于管侧填土，以利土拱效应的形成，减少管壁受力。对于整管预制吊装的小孔径钢波纹管，采用水平垫层，上部5～15 cm采用相对松散的材料，以便钢波纹管结构就位，与管壁接触的填土应不含冰块、高塑性土块、有机物或其他有害杂质。垫层应尽可能设计成与结构底部形状一致(如V形)，以提供相对均匀的支撑。

3.3波纹管安装

波纹管必须在工厂进行预拼装，合格后方可运至现场。现场安装时，钢板应错缝安装，管顶附近不能设置接缝，波纹板片严格按设计图纸设计尺寸预制、安装。流水上游板片应叠在下游板片之上。钢板间夹缝防水是通过粘贴密封胶垫来实现的，在钢板吊装前，将密封条粘在钢板外边上，可以使钢板在安好螺栓后钢板间不渗水。波纹钢板拼装采用高强螺栓，安装完后需要检测扭矩，不合格的需要进行补扭。垫圈采用凸凹型，高强螺栓拧紧时，注意固定螺栓位置，不得偏位，以免影响高强螺栓的受力性能。螺栓扭矩符合要求后，可用专用密封胶或环氧树脂砂浆封填，以防波纹板连接处渗水。此外，应严格控制3片板叠加处板片间隙，采用密封胶灌注密封。

对于表面防腐层损伤点进行清理除锈后采用喷锌的方式补救处理。再将波纹管内外侧进行现场喷涂环氧树脂2遍，安装完毕后，所有钢波纹管外侧(填土侧)需要再涂涮2遍沥青。对于波纹管内侧，喷涂环氧树脂或环氧富锌2～3遍，为了采光需要，不应涂涮沥青，涂料环保性能满足现行相关规范要求。

3.4管周填土施工

管周填土包括楔形部填土、管侧填土和管顶填土。

楔形部施工时一般采用铁铲取土、人工夯实工艺，由于空间的限制，其施工质量难以控制，是整个施工过程中的重点和难点，施工时应选择受力性能好且与钢波纹管底部管壁接触紧密的材料，以避免楔形部存在空洞或压实不到位，影响结构的整体受力性能。对于楔形部位波谷处等一些狭小区域，可采用铁杆或截面尺寸为50 mm×100 mm木棒。采用手夯锤夯实水平填土层时，其重量不小于9 kg，且夯实面不大于150 mm×150 mm[10]。

管侧施工时一般采用机械摊铺、机械夯实工艺，回填分层夯实厚度为150～300 mm，具体厚度可根据回填材料、夯实设备或夯实方法确定。每一层应夯实到位，波纹管两侧应对称施工，并保持高度基本一致，最大高差不大于1倍夯实厚度。就压实设备而言，对于滚筒式夯实机，羊蹄式、轮胎式等类似的夯实设备均可使用，但夯实设备与钢波纹管结构的距离有一定要求，以防止滚筒式夯实设备撞击波纹管结构，重型夯实设备应在钢波纹管结构1 m以外，可根据现场变形结果来予以确定。钢波纹管外侧波谷和邻近钢波纹管结构的区域采用人工轻型夯实方法(如采用手提式夯实设备)。对于振动式夯实设备，适用于采用颗粒状回填土的夯实，但不能用于黏土等塑性土。具体采用何种夯实设备须根据现场的条件确定。

为了确保回填材料的夯实到位，而又使填土对钢波纹管管壁的压力最小，须遵循的规则如下：在回填土高度达到3/4倍涵洞高度之前，压实方向与钢波纹管涵洞方向平行。当填土高度接近钢波纹管结构顶面时，要求填土摊铺厚度合理，夯实仔细，且填土连续，使用轻型夯实设备，夯实时垂直涵洞长度方向碾压。

钢波纹管涵洞的最不利受力状态可能并不是在成桥运营后，而是在施工过程中。管顶填土厚度小于50 cm时，不得使用大于6 t的压路机械碾压，也不允许施工机械通行或在管体上方堆放重物。管顶填土第1层厚度以30 cm为宜，采用小型机具夯实或8 t以下的手扶压路机压实，以上各层以20 cm厚度压实，直至达到管体直径或跨径要求的最小填土厚度后采用振动式压路机碾压，可允许施工机械通行。

4变形控制

就钢波纹管涵变形形态来看，分为纵向变形和横向变形两种。

纵向变形：由于钢波纹管涵洞在纵向中心带附近路基填方一般要高于两侧，一般情形下，中部沉降要大于两端，基础在涵管纵向预拱度一般为涵长的0.2%～1%，以保证涵洞中部不出现凹陷或逆坡。

横向变形：钢波纹管在竖向荷载作用下，一般会产生侧向位移，同时涵顶产生竖向位移。水平侧向位移使得侧面填料产生被动土压力。采用合理的回填方案，变形一般不会超过涵洞竖向高度的2%。如果管侧填料压实不达标，侧向位移过大，可能导致竖向变形超过限值，波纹管可能发生屈曲破坏。当填土高度大于管径时会产生土拱效应，如果涵顶土柱的压实度相对小于两侧填土，使潜在滑动面上产生竖直向上的剪应力，可有效转换涵顶荷载，是一种有效的涵洞减荷措施。为控制变形，本项目采用对拉杆的方式，即在钢波纹管完成安装后，在其水平中心线位置设置对拉杆，使涵洞由近

似圆形变形为竖向椭圆，反拱值为5 cm。

5结语

针对钢波纹管涵洞的受力性能和施工特点，本文以武靖K47+150 1-5 m涵洞为工程依托，从填土材料的选取、结构性回填区域的范围、压实设备的选取、基础的施工工艺、管周填土的施工工艺、变形控制和施工荷载等方面详细阐述了钢波纹管涵洞的施工难点和要点，为类似工程提供了工程经验。目前，该涵洞的变形、受力情况良好。

参考文献：

[1] 穆程.大孔径钢波纹管涵洞设计中不同计算方法比较研究[J].公路工程，2014，39(6)：114-118.

[2] 刘鹏.高填方大跨径钢波纹管涵洞通道力学性能研究[J].公路工程，2015，40(4)：215-219.

[3] JT/T 710-2008，公路桥涵用波形钢板[S].

[4] JT/T 791-2010，公路涵洞通道用波纹钢管(板)[S].

[5] DB15/T 654-2013，公路波纹钢管(板)桥涵设计与施工规范[S].

[6] 冯忠居，等.公路涵洞新技术—钢波纹管涵洞工程特性及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[7] 王军刚，刘强.钢波纹管涵在山区高速公路中的应用[J].中外公路，2009(2).

[8] 韩国建设交通部.波形钢板结构物设计与施工指南[S].2004.

[9] Canadion Standards Association.Canadian Highway Bridge Design Code s6-06-Section 7：Buried Structures[S].

[10] 王润生.金属波纹管涵洞施工工艺[J].交通世界(建养机械)，2011(10).

[11] National Corrugated Steel Pipe Association.Corrugated Steel Pipe Design Manual[M].2008.

文章编号：1008-844X(2016)02-0214-03

收稿日期:2016-02-02

基金项目:湖南省交通科技项目( 201324) : 湖南省钢波纹管涵洞通道设计通用图

作者简介:许宇明( 1982-) ，男，硕士研究生，工程师，主要从事高速公路建设管理工作。

中图分类号：U 449

文献标识码：A