波纹钢管廊结构设计关键技术分析与问题探讨

郑佳艳， 杨晓猛， 刘海京， 周志祥

(1. 重庆交通大学 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室， 重庆 400074；2. 重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074；3. 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

0 引言

地下综合管廊是存纳、管理、维护城市给排水、电力、热力、通讯或其他工业民用管道的隧道工程，可有效避免不同行业地下工程建设的重复施工，同时可有效降低城市建设和管理的成本和效能，提升城市管理水平。波纹钢制管道、管涵与钢管相比，具有独特的刚度、抗弯性能和能量吸收等力学特征，在国内外房屋建筑、公路、铁路、机械、军事等行业得到了广泛应用。近年来，随着城市的发展，波纹钢在城市地下综合管廊建设中也得到了应用。国外研究者对波纹钢结构建设技术[1-4]、运营结构火灾及腐蚀结构承载能力、残余寿命等进行了研究[5-7]，编制了多部行业规范、规程[8-13]。

近年我国地下管廊建设掀起新高潮，但因法律、政策、技术限制，我国地下管廊建设起步晚，技术水平低，规范和标准不完善。波纹钢管廊作为新的地下管廊结构型式，已在广东、河北、青海、江苏等多个省市管廊建设中得到应用[14-15]，取得了较好的效果。相对于钢筋-混凝土结构，波纹钢管廊属于新型柔性结构，其承载机制、设计施工方法的规范性较差，有必要根据需要系统开展装配式波纹钢管廊设计及施工方法研究，规范其设计、施工流程。

本文根据波纹钢管廊建设需要，对国内外波纹钢管廊(道)结构的应用现状、存在的技术问题、设计施工中的关键技术进行分析梳理，以期对我国波纹钢管廊建设及研究提供参考。

1 波纹钢管廊(道)结构的应用

相对于钢筋-混凝土管道结构，波纹钢管结构具有质量小、便于产品化、施工快捷、造价低等优点；相对于传统钢管结构，波纹钢管结构具有更好的刚度、抗弯和能量吸收性能。波纹钢管结构因其优越的力学性能、经济性、环保性、灵活性等得到了广泛关注，并在房屋建筑、土木、机械、军事工程中得到了大量应用。目前国内外对波纹钢管(板)结构进行了大量的研究，同时，地下管廊设计工程师也充分利用波纹钢管结构的优点，将波纹钢管应用到地下管廊的建设中。

1.1 国外应用情况

在英、美、澳洲等发达国家波纹钢结构的使用已经超过100年，波纹钢结构被广泛应用于市政、公路、铁路、矿业、工业和民用等多个行业的各种通道、桥梁和排水管道工程建设中，典型项目如图1所示。其中，在公路涵洞、市政排水通道中的应用尤为广泛。

(a) 7号线高速公路立交

(b) 高速公路下穿人行通道

(c) 机场跑道下穿车道

(d) 采矿巷道入口

波纹钢管材料的广泛应用和发展促进了相关行业设计和施工规范、标准、指南的编制。以美国为例，美国土木工程师协会(ASCE)、美国材料与试验协会(ASTM)、美国钢铁协会(AISI)、美国州公路及运输协会(AASHTO)、美国国家波纹管协会(NCSPA)等多个行业组织编制了相关技术规范和指南[8-13]。其中，美国材料与试验协会编制的规范超过10项，具体如表1所示。

表1 美国材料与试验协会编制的波纹钢管(板)的相关规范

此外，欧美波纹钢管产业界编制了大量技术指南和手册，长期的研究和大量的工程经验以及良好的行业、产业、研究机构合作推动了波纹管结构设计、施工技术水平的不断提升。20世纪90年代，日本和韩国在高速公路领域完善了波纹钢管的相关设计要求。

1.2 国内应用情况

国内波纹钢管结构使用时间较短，20世纪90年代开始作为涵洞结构应用于青藏公路，因其工期短、造价低、适用性能好，在高速公路、铁路工程中也逐渐得到了广泛应用。随后，波纹冷弯薄壁构件在土木工程和建筑工程中也开始得到推广。自2010年起，我国陆续发布JT/T 791—2010《公路涵洞通道用波纹钢管(板)》、GB/T 34567—2017《冷弯波纹钢管》等相关国家和行业标准[16-19]，以规范波纹钢管(板)的生产和应用。

波纹钢管廊具有力学性能优、造价低、工期短、环保、性能好等特点，相关优势已成为管廊项目方案选择和决策时的重要影响因素，在地下管廊建设之初被重视、试验和应用。2001年，我国首座波纹钢地下管廊工程于广东建成[15]，用于广州猎德污水处理厂高压污泥输送，管廊工程采用3座并行直径为3 m的半圆形结构(净距为50 cm)。由于当时国内技术水平所限，波纹钢板标准构件从澳大利亚英格公司引进，中澳联合设计，国内施工。2017年我国首座装配式波纹钢综合管廊在河北开工建设[14]，同时青海、南京等多地开展测试试验和实际工程建设，促进了波纹钢管廊建设的技术水平和经验提升。

相关规范的缺位不利于工程建设的规范化，2015年我国颁布了GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》。该标准主要针对钢筋-混凝土结构，未涉及波纹钢管廊结构的技术要求。2017年河北省颁布了波纹钢综合管廊地方标准DB13(J)/T 225—2017《波纹钢综合管廊工程技术规程》，四川等地方规范已立项或正在研发。

与国外相比，国内波纹钢结构的研究不够深入、系统，设计施工经验缺乏。国内相关规范对产品标准化、断面分类、连接方式、强度计算、回填要求、经验参数、施工工艺和工法等方面的研究和经验积累均较薄弱。国内规范虽已颁布，但主要参考国外的规范和标准，尚有较多技术问题未解决，主要问题如下：

1)国内常用的波纹钢管尺寸与国外不同，缺乏标准化或规范化尺寸要求以及相应完善的管拱断面设计方法；

2)作为埋置式地下结构，结构与地层相互作用机制、破坏模式不够清楚，缺乏系统的地层-结构荷载分配机制与计算方法，管廊(道)内外荷载均需明确；

3)无完善的施工工艺及工法；

4)无最小回填厚度及回填要求；

5)缺乏标准化、规范化环向和纵向接缝布置位置和方式；

6)缺乏规范化支座或支架布置方法，无结构安全计算方法；

7)国内刘保东等[20]研究者仅进行了部分数值模拟或现场测试，受测试、计算模型等方法的限制，未深入研究结构承载及破坏机制。

2 波纹钢管拱结构技术特征

2.1 承载特征复杂

与其他地下埋置式管道一样，波纹钢管拱结构是埋置于地下的，结构受到周围土体的外力，承载特征受土体-结构相互作用影响，具有较复杂的力学特征，主要表现为以下4个方面。

1)刚度特征。根据地层刚度和结构刚度的对比[2]可知，波纹钢管廊(道)结构刚度小于土层刚度，属于柔性结构；相反，铸铁、混凝土管属于刚性结构。刚性结构与柔性结构分担土体压力不相同，破坏特征亦不相同，结构的柔度对于基础土体、围护土体加固及回填土体的施工质量要求至关重要。

2)连接特性。不同于铸铁和钢筋混凝土管道，波纹钢管廊(道)尤其是大跨波纹钢管廊(道)是由钢板片通过螺栓拼装而成的，管廊(道)结构的承载特征由结构本身承载能力和接缝强度综合决定，且接头或接缝处刚度突变可能改变结构受力及破坏机制。

3)强度与破坏特征。与钢管类似，波纹钢管廊(道)结构主要承受环向压力，强度也受压力控制；特殊断面的箱型管或方拱结构，除受压力控制外，还受弯曲荷载控制。结构失效的原因可能是压应力超过波纹钢结构及接缝屈服强度。波纹钢板属于薄壁冷弯构件，也存在特殊的失效方式——屈曲失稳(如图2所示)[21]，在波纹钢结构应力远低于钢材屈服强度时发生破坏，值得高度重视。

图2 波纹钢结构屈曲失稳[21]

4)破坏与断面相关特征。结构承载特征除取决于断面尺寸、岩土体特征和埋置深度等因素外，还与断面形式及相关参数有关，如断面形状、矢跨比。对于圆形和拱形断面管道结构，其强度由轴力控制；对于箱型断面管拱结构，其强度由轴力和弯矩共同控制。波纹钢管拱属于薄壁结构，对弯矩更加敏感，不利于承受弯矩，设计中应尽量控制或消除。

2.2 断面大且形状多样

波纹钢管拱结构属于钢结构，便于标准化定制和工厂化生产，后期施工不需要特别工艺或工序时，可通过管片安装或拼装直接完成； 另外，波纹钢管拱结构在横断面、纵向线形、管线交叉方面具备了其他结构无法满足的多样性、灵活性和快捷性特点，使波纹管拱结构的拼装特性具备了不可比拟的优势，同时采用波纹钢管拱结构可降低工程成本，进一步扩大了其应用范围和应用领域。

1)结构断面逐渐增大。以加拿大为例，20世纪60年代晚期，通用波纹钢板的波纹尺寸为152 mm×51 mm，通过增加纵向、环向支撑和加固件，波纹钢管结构断面跨度可更大，承受更多土体荷载和活载，直径最大可以达18 m，净空面积可达到100 m2； 20世纪90年代出现了尺寸为381 mm×140 mm的深波纹钢板，管拱结构跨度可达23 m，断面面积达到157 m2； 随后，出现了尺寸为400 mm×150 mm深波纹钢板。大跨结构特别适合矢跨比较小的结构，且适用的结构埋深为0.3～30 m。

2)结构断面形式多样。波纹钢管道在国外主要应用于车辆人行通道、雨水溪流通道等工程。AISI和加拿大波纹钢管研究所(CSPI)给出了11种常用结构断面形式，分别为圆形(round)、竖椭圆(vertical ellipse)、管拱(pipe-arch)、地下通道(underpass)、拱(arch)、水平椭圆(horizontal ellipse)、梨形(pear)、高拱(high profile arch)、低拱(low profile arch)、箱式(box culvert)和特别断面(special)，前10种断面形式如图3所示； 并给出了不同断面形式对应的用途和跨度[13]。

AASHTO认为，只要属于图4所示5类断面形式的结构均属于大跨结构。

我国GB/T 34567—2017《冷弯波纹钢管》参照国外的研究经验，给出了常用的圆形、半圆形、低拱、高拱、凸拱、横椭圆、竖椭圆、梨形、箱式、马蹄等断面形式，并将常用的波纹钢管按照波形分为浅波、中波、深波和大波4类(如表2所示)[17]； 同时给出了4类波纹管的适用断面形状，如表3所示。

以低拱断面的最大波拼装波纹钢管为例，给出最大跨度Smax、底跨S、高度H、顶半径Rt、侧半径Rs、起拱高度Hq等参数,如图5所示。

2.3 良好的空间适应性

波纹钢管(拱)结构平面和纵面线形具有良好的适应性和组合特征。图6示出大跨管道结构在复杂地形条件下可以较好地适应平面线形。地下管廊处于城市地区，地下结构、基础结构众多，环境复杂多变，采用波纹钢管廊可更好地适应复杂几何空间。

波纹钢管的分支和交叉亦可根据需要灵活设置，一条管廊(道)可根据需要同时设置多条分支通道或岔口(如图7所示)，且可同时与多个不同形状(圆形、方形或其他多边形、拱形)断面的通道连接或搭接。

表2 波纹钢管按波形分类[17]

表3 拼装波纹钢管适用断面形状

图5 低拱断面结构参数示意图

图6 复杂地形下大跨管道结构

图7 复杂形式的多波纹管道

此外，波纹钢管结构可以与其他结构混合使用。可与钢筋-混凝土结构、其他钢结构、岩土体及支护通过螺栓等构件实现完美连接，充分利用不同结构形式优势，成为真正组合装配式结构。

3 波纹钢管拱结构设计与施工

城市地下管廊属于埋置式地下结构，结构承载特征由基础承载力、回填土体荷载、结构的刚度综合决定，即由土体与结构的相互作用决定。

3.1 基础及土体回填

波纹钢管廊结构一般通过明挖回填法施工，回填土荷载与土体类型、压实程度、埋置深度和基础的承载能力有关，也与波纹管廊结构刚度有关。关于回填土体压实度和最小回填厚度的分析如下：

1)回填土体压实度。回填土体压实度对结构-土体的相互作用和荷载分配至关重要，决定了波纹钢结构土体抗力的大小。抗力过大不利于结构变形，无法体现柔性结构的优点，且土体加固成本高； 抗力过小，不利于土体-结构共同变形，结构承受荷载比例过大，不利于结构安全和变形控制。对于回填土体压实度，国内尚无相关规定，需要分别对基础、基础两侧回填土体的质量对结构承载特征的影响进行专题研究，且研究宜参照地基或基础土体相关规范。

2)最小回填厚度。作为埋置式结构，波纹钢管廊可能下穿公路、铁路或其他建筑结构，承受车辆活载甚至其他冲击荷载，荷载由土体传递至波纹钢管廊结构。地表活载由土体传递至结构的过程中，土体分担部分活载，造成土体与结构共同承载产生扩散效应。扩散系数与土体和结构分担的比例与回填土体厚度、密实程度有关。经验表明回填厚度越大、密实度越大，土体分担比例越大；如果回填土体厚度过小，活载或直接作用在结构上，对结构受力不利，故必须设置最小回填厚度。

3.2 结构荷载特征

波纹钢管廊结构属于冷弯薄壁结构，结构设计时将波纹钢板(管)简化为平面梁结构，其壁厚尺寸远小于另外2个方向的尺寸，薄壁结构抗弯模量较小，结构宜承受轴力而不宜承受弯矩。圆形管是均布荷载下合理的拱轴线结构，结构内力主要为轴力，符合最经济原则，国内外波纹钢管廊结构选取时均遵循了此原则。

结构承受的荷载主要有2类，土体荷载和地表活载。活载包括地表车辆荷载、冲击荷载，必要时还要考虑地震荷载； 土体荷载计算既要考虑土体计算范围，也要考虑不同土体密实程度、埋深、矢跨比。图8示出CSPI提出的埋深与跨度之比(H′/Dh)与结构土体拱效应系数Af的关系曲线，其中，Dh/Dv为矢跨比。

3.3 结构强度验算

强度验算是结构设计的核心和安全的保证，国外对波纹钢管的设计是基于经验进行的，按照结构断面跨度与回转半径的比值将结构划分为一般结构、大跨结构和特殊结构。管廊(道)结构断面较小时，结构断面安全由轴力控制，应力超过屈服应力时发生破坏，或发生屈曲破坏； 对于大跨或箱型结构，结构同时承受弯曲内力，结构设计时需同时考虑轴力和弯矩的影响； 特殊断面如箱式结构断面安全则由弯矩控制。

图8 埋深与跨度之比(H′/Dh)与结构土体拱效应系数Af的关系曲线[13]

3.3.1 跨度小于3 m的结构

对于跨度小于3 m的结构，CSPI给出的结构断面强度验算方法是按照直径或跨度与波纹钢的波纹回转半径比值选取结构屈曲应力值的。

式中：fb和fy分别为结构屈曲强度和屈服强度；D和r分别为管廊半径和波纹钢的波纹回转半径。

AASHTO认为屈曲强度fcr的取值除与结构跨度S、波纹钢的波纹回转半径r有关外，还与结构的拉伸强度Fu、弹性模量Em以及土体的刚度系数k有关，屈曲强度的计算方法为

(2)

3.3.2 跨度大于3 m的结构

对于跨度大于3 m的结构，不同的规范和方法处理方式不同。AISI和AASHTO认为结构跨度大于3 m时式(2)仍适用，且AASHTO给出了深波纹结构整体屈曲失稳临界强度计算公式，即

Rb=1.2φbCn(EpIp)1/3(φsMsKb)2/3Rh。

(3)

式中：Rb和Rh分别为结构整体屈曲的名义轴力和回填土几何形状的修正系数；φb和φs分别为整体屈曲的抵抗系数和土体抵抗系数；Ms为基础的约束模量；Ep和Ip分别为管道材料的弹性模量和惯性矩；Cn为考虑非线性效应的标定参量，取0.55； 常数Kb=(1-2ν)/(1-ν2),ν为泊松比。

此外，施工过程中的施工荷载需要满足

(4)

式中:P和PPf分别代表实际轴力及考虑屈服的设计轴力；M和MPf分别为实际弯矩及考虑屈服的设计弯矩。

对于深波纹钢结构同样需进行弯矩和轴力验算。国内波纹钢管廊地方规范[19]参照CSPI的屈曲方法进行屈曲验算，但相关参数取值和计算方法不明确。

3.3.3 方拱形结构或箱型结构

对于方拱形结构或箱型结构设计一般认为轴力可以忽略，断面完全由弯矩控制，需对结构拱顶和拱腰进行安全验算，即拱顶和拱腰处弯矩均小于结构极限抗弯强度。此外，还需对方拱结构和钢板拱结构底座的反力进行验算。

3.4 结构设计方法及步骤

针对波纹钢管廊(道)结构设计，除需考虑荷载、结构、基础与回填土体等因素外，还需要对施工柔度、接缝强度、结构加强加固构件、防腐蚀、相邻连接结构厚度差等内容进行设计和检查，并对一般结构、大跨结构和箱型结构分别提出明确的设计流程。例如： CSPI提出了大跨结构设计流程，共分为12步[13]，具体如图9所示。

图9 大跨结构设计流程

此外，其他要素如施工柔度、加强加固构造、预应力、相邻连接结构厚度差等均需要进一步研究，以建立和完善波纹钢管廊设计方法和流程。

3.5 波纹钢管廊关键技术问题

地下综合管廊建于城市地下空间，建设环境复杂，结构断面形式、结构内部及外部承载特征、结构安全、防排水、周围土体变形控制、施工安全风险等技术要求均较高，与一般公路立交结构、地下通道和排水沟管等不同，需要建立与之匹配的设计原则与要求。针对波纹钢管廊建设中面对的主要技术问题分析如下。

1)断面形式。目前已应用的波纹钢综合管廊断面形式有圆形和方拱形2种。圆形断面施工简便，但空间利用率不高，如图10所示； 方拱形断面空间利用率高，但其结构受弯矩控制，不利于结构承载。波纹钢结构灵活性和适应性强，易加工为双舱或多舱等连拱结构，多舱式方连拱形管廊结构如图11所示。

图10 圆形断面管廊结构

图11 多舱式方连拱形管廊结构

2)内外部荷载协调与结构设计。与一般地下通道不同，管廊内部需要布置管道和管线，并通过布置支架、支座将荷载传递给管廊结构及土体。最小埋深及顶部荷载要求、内部管线与管道的质量、支架支座的布置方式和连接方式均会影响结构的安全性和稳定性，需要进行专题研究并规范化设计程序。

3)基础及回填岩土体加固。与钢筋-混凝土地下管廊结构不同，波纹钢管廊结构属于柔性地下结构，其受力机制和破坏特征与钢筋-混凝土综合管廊结构不同。加拿大的I.D. Moor教授在20世纪80年代对浅埋土体结构承载特征、加固特征、失稳特征进行了一系列研究[22]，认为通过周围土体加固可以有效优化结构-土体承载比。因此，应综合考虑周围土体形状、结构失稳特征、工期和费用等因素对土体加固进行研究，明确需要加固土体的范围、方法及具体措施。

4 结论与展望

本文通过对国内外波纹钢管廊(道)结构的应用现状、技术标准编制、存在的技术问题及危害、结构技术特征以及设计方法中的关键技术和流程进行梳理，分析了国内和国外相关方法和关键技术的差距。同时，结合波纹钢管廊建设的需要，考虑到其用于贮存与国计民生息息相关的民用和工业管线，且主要建于相对拥挤的城市地下空间，结构重要程度、赋存环境、断面形式、破坏灾害影响等均与道路、涵洞等埋置式波纹钢结构不同，简要分析了断面形式、内外部荷载协调与结构设计、是否需要土体加固等关键技术。

我国地下工程和综合管廊建设方兴未艾，钢结构和装配式结构均得到国家大力提倡，且波纹钢管廊对环境污染少，属于绿色工程，南京、昆明等城市均已采用方拱形波纹钢管廊，具有广阔的应用前景。针对波纹钢管廊建设的需要，尚需针对以下方面进行深入研究。

1)根据波纹钢管廊建设的设计方法和施工技术需要，进一步对结构和土体破坏特征及其机制进行研究，针对结构断面形式、接缝设计、结构防水、腐蚀预防、结构加固加强、土体加固处理、最小埋深及顶部荷载要求、抗浮设计、预制装配施工工艺工法及辅助设施、预应力等方面进行专题研究，促进国内地下波纹钢综合管廊结构设计理念和施工技术的全面发展。

2)波纹钢管廊结构作为城市地下基础设施，运营环境复杂，尚需要进一步研究结构安全、施工运营风险管控要求，明确对工程建设风险、运营环境、设计施工安全的要求。结合我国GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》等标准，完善波纹钢管廊设计施工的相关国家、行业规范体系，为相关工程建设标准化奠定基础。

3)根据运营需求，开展通风、照明、监控及运营期风险分析及灾害工作，完善相关附属设施及设备要求，提升相关结构设计、施工及运营管理技术水平。