钢波纹管涵洞通道在老谷高速公路中的应用

董世赋，杨 芬，薛家伟，李 新

1.湖北省城建设计院股份有限公司，湖北 武汉 430051

2.湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北 武汉 430051

1 高速公路涵洞通道工程概况

随着国家高速公路建设的发展以及钢结构制造工艺和防腐技术的不断提高，钢波纹管涵在高速公路中的应用日益增加，并取得了较好的经济和社会效益。

湖北省老谷高速公路起点位于湖北省纪洪岗东侧鄂豫省界，终点与汉十高速相接，全长39.3km，双向四车道，设计速度为100km/h，路基宽度为26m。因为建设工期紧，当地原材料缺乏，且运距较远、运输不方便，所以谷城段原设计钢筋混凝土涵洞通道成为制约全线按时建成通车的一个关键因素。经研究论证，决定将部分钢筋混凝土涵洞通道变更为钢波纹管涵洞通道。

2 钢波纹管涵洞通道结构设计

2.1 总体设计

该工程钢波纹管涵洞通道采用整体式和分片拼装式波纹管两种形式。涵洞通道为低填土，分单孔和双孔并排设置，排水涵洞孔径分为1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m共6种，总计 15 道；排水兼通行通道孔径分为 6m、7m、7.5m、8m、8.5m、9m共6种，总计18道。斜交角度包含正交90°，斜交95°、120°、125°和135°。波纹管采用圆管形截面，内径≤2m时采用整体式波纹管；内径为2.5～9m时采用分片拼装式波纹管；内径≤4m时，波距×波高=200mm×55mm；内径为6～9m时，波距×波高=300mm×110mm。

波纹钢管（板）材料采用Q235A钢材，波纹钢板件连接件采用M22高强螺栓，洞口设置端墙和八字墙，基础采用级配良好的砂砾，两侧采用天然砂砾回填。

2.2 最小填土厚度验算

为了保证钢波纹管结构顶土拱稳定性，同时避免集中荷载直接作用在结构上，应保证结构顶填土最小厚度。该工程涵洞通道为低填土，为了保证结构安全，最小填土厚度按≥1500mm控制，设计中最小填土厚度Hmin取式（1）的较大值。

式中：dh、dv分别为波纹钢管（板）有效跨度和有效矢高（按波纹钢板轴线计算），对于圆管式波纹管，有dh=dv。

按式（1）计算，可得内径≤4m、波距×波高=200mm×55mm时，最小填土厚度取1.5m；内径为6～8m、波距×波高=300mm×110mm时，最小填土厚度取1.5m；内径为9m、波距×波高=300mm×110mm时，最小填土厚度取1.52m。

2.3 结构设计及验算

按照湖北省地方标准《公路波纹钢埋置式桥涵设计与施工规范》（DB42/T 1195—2016）进行钢波纹管设计及验算，设计方法适用范围如表1所示。

表1 设计方法适用范围 单位：mm

结合波纹管结构类型及跨径，采用极限状态法进行结构设计及验算。设计作用如下：永久作用考虑结构顶部所有回填自重，含路基路面；可变作用考虑营运阶段和施工阶段车辆荷载作用；偶然作用考虑地震作用。极限状态验算主要内容如下。

以上各式中参数意义及取值见《公路波纹钢埋置式桥涵设计与施工规范》（DB42/T 1195—2016），根据以往工程经验并参考厂家提供的产品规格选取波距、波高、壁厚等参数，结合填土高度进行结构验算，从而确定波距、波高、壁厚及螺栓连接等设计参数。以K21+965单孔8m通道为例，波纹管采用Q235A钢材，内径为8m，经计算后选定波距为300mm，波高为110mm，壁厚为7.5mm。钢波纹管通道立面图如图1所示。

图1 钢波纹管通道立面图（单位：标高以m计，其余为cm）

通道基础采用级配良好的砂砾，压实度不小于96%，两侧回填采用天然砂砾，填土分层对称夯实，压实度不小于96%。洞身断面及回填示意图如图2所示。

图2 通道洞身断面及回填示意图（单位：cm）

耐久性设计：钢波纹管内外两面和紧固连接件等进行镀锌防腐处理，单面镀锌层厚度≥84μm，波纹钢板件、法兰盘和管箍单面附着量≥600g/m2，螺栓、螺母单面附着量≥350g/m2，内外壁均匀喷涂2遍乳化沥青，接缝进行密封防水防腐处理。

2.4 通道路面及排水涵设计

通道内路面通行净空及排水涵尺寸以不低于原设计标准为原则，K21+965通道内路面及排水涵构造如图3所示。通行净宽×净高=6m×5m，路面结构采用25cm厚C30混凝土路面+20cm厚水泥稳定碎石，两侧设置C30混凝土防撞墙，排水涵尺寸为2m×1m，排水涵盖板为C30混凝土预制盖板，基座为现浇C30混凝土。

图3 通道内路面及排水涵构造图（单位：cm）

钢波纹管涵洞通道设计包括选型设计、结构设计、耐久性设计、洞口设计、地基与基础设计等，各涵洞通道均进行单独的结构计算和验算，以确保结构的安全性。完工后的钢波纹管涵洞通道如图4所示。

图4 钢波纹管通道

3 钢波纹管涵洞通道设计要点

钢波纹管涵洞通道主要设计流程如下：确定结构类型、形状和尺寸→分析设计因素→确定并验算最小填土厚度→确定构造要求→确定设计方法→结构设计及验算→确定设计参数→耐久性设计→洞口设计→地基及基础设计。

主要设计要点总结如下。

（1）布设原则：遵循因地制宜、满足功能、方便施工的原则，综合考虑地形地貌、地质、路基填高、施工条件和养护等合理布设。合理选择涵洞形式及材料，根据水文计算选定孔径。

（2）结构性回填：为了保证结构稳定性和发挥土-结构相互作用，波纹管周边结构性回填材料应具有良好的透水性，结构性回填区域应满足相关规范、标准要求，回填应对称分层夯实。

（3）最小填土厚度：应验算营运车辆荷载、施工荷载或特殊荷载作用下的最小填土厚度，保证结构顶填土厚度满足要求。

（4）应选用合理的设计方法对结构进行设计及验算，通过计算确定波形、壁厚等设计参数，同时需验算波纹钢管或板件在运输及安装过程中的最大柔度。

（5）双孔并列设置：双孔并列设置时，应合理确定相邻孔间的最小净距，相邻孔的间隙应进行结构性回填，分层夯实。

（6）耐久性设计：钢板及配件整体应具有足够的耐腐蚀性和磨蚀能力，波纹管及其紧固连接件等均须进行防腐处理，接缝应进行密封防水防腐处理。

（7）斜交及洞口处理：斜交时宜采用斜交正做方式。当采用直立式或削竹式洞口与路线斜交时，可将洞口附近的边坡做歪斜处理，边坡坡顶适当加宽形成一个平坦或陡坡较缓的平台，以避免洞口两侧回填的不平衡。

（8）应根据涵底纵坡和地基预期最大变形合理确定设置预拱度，预拱度宜采用涵长的0.5%～1%。

（9）地基及基础设计：地基应具有足够的强度、稳定性和相对均匀性，软土地基应先进行地基处理再填筑管基。

4 钢波纹管涵洞通道施工要点

钢波纹管涵洞通道施工主要流程如下：材料、设备就位→施工放样→基础开挖→整平、压实→设置纵坡、预拱度→结构安装→密封及防腐处理→回填→进出口处理。

（1）地基施工：基坑开挖后不得长期暴露、扰动或浸泡，基坑尺寸、高程经检查符合要求后及时进行管基填筑和基础施工。

（2）管基和基础施工：按设计要求铺筑管基。管基铺筑时应设置预拱度，基础最小厚度和宽度应满足设计要求。

（3）结构安装：装卸和运输过程中应采取措施避免破坏钢波纹管表面涂层。拼装前准确标记，建议从底拱开始，再到侧面，最后到拱顶，对称拼装。结构安装建议在厂家的指导下进行，严格控制施工质量。

（4）回填：闭口式波纹管拱下方或多管结构之间的楔形区域的填料应与结构紧密压实，可采用人工作业或水密法并使用振荡器振实。回填应分层水平均匀填筑，松铺厚度建议不超过200mm。填筑应在结构两侧同时进行，两侧高差建议不大于300mm。结构顶部最小填土厚度范围以内应按结构性回填区要求施工，未达到最小填土厚度前严禁任何车辆和机械在其上方作业。

（5）施工变形监测：钢波纹管施工全过程需对其进行应力及变形等监测，确保工程质量安全。每节波纹板拼装完成后，应对管径进行跟踪测量。台背回填和涵顶路基填筑过程中应做好管身的变形监测。

（6）质量检验评定标准：涵洞现场施工中土建部分验收标准可参照《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2017），结构性回填区以外回填土的验收纳入路基工程中。回填及压实要求应满足设计及相关规范、标准要求，并进行钢波纹管材料检验、安装检验及形状检验。

5 结束语

老谷高速公路采用钢波纹管涵洞通道代替钢筋混凝土涵洞通道，克服了工期要求紧、原材料紧缺、运距长、运输不便等困难，加快了工程建设进度，体现了较大的经济社会效益和实际应用价值。涵洞通道施工完成后验收合格，使用情况良好。该工程的实施为钢波纹管涵洞通道在高速公路中的应用积累了一定的工程经验，为同类工程的设计和施工提供了一定的参考。