波纹钢内衬法在市政排水箱涵修复中的应用

索超峰

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

1 引言

波纹钢结构在欧美国家有百余年悠久历史和成功应用案例。随着材料技术、制造工艺和设计手段的不断发展，人们对这类结构的力学性能、耐久性、设计施工方法和适用条件有了更加深入的认识。

工程实践证明，波纹钢结构具有良好的变形适用能力，特别适用于常年冻土、膨胀土、软土等不良地质条件，以及高填方路段及地震区的公路或铁路涵洞与通道。与传统圬工或钢筋混凝土结构相比，波纹钢结构在受力性能、施工工期、使用寿命、养护成本、综合造价等方面具有明显的优势，可作为传统结构形式的替代者。波纹钢结构横向具有一定的刚度，纵向有良好的柔度，在构造上具有优越的灵活性，可广泛应用于具有弯曲、分岔等特殊需要的市政、水利和人防工程。还特别适用军事、抢险、重建等快速修复工程，对原有的结构加固、置换、修复和接长[1-4]。

本文依托九江火车站站前外广场排水箱涵非开挖修复工程案例，分析在特定条件下波纹钢结构在市政排水构筑物中的应用情况，为实际工程设计、施工提供一定参考价值。

2 现状箱涵概况

2.1 工程概况

本工程火车站外广场东西两侧箱涵上游均起始于浔南大道（见图1），箱涵标准断面为3 m×1.5 m。水流自南向北，最终溢流进入南门湖，部分合流污水截留进入两湖截污管。

图1 箱涵平面布置示意图

本工程火车站外广场待改造箱涵建设年代较早，且缺乏养护，存在排水不畅以及箱涵结构损坏的问题。老箱涵设置在外广场地下人行通道下侧，是九江火车站区域主要雨水排放通道。由于箱涵结构损坏，内部排水断面被块石封堵，排水量严重不足，造成人行地道段憋水，下大雨时地道段向外溢水，严重影响行人安全。另外，九江市火车站广场及交通组织改造工程项目设计将火车站外广场庐山南路两侧现状绿地改造为停车场，将大大增加地下箱涵的地面荷载，影响箱涵结构安全。因此，火车站箱涵改造项目具有建设必要性和紧迫性。

2.2 箱涵结构病害原因分析

根据箱涵CCTV 探测可知，西箱涵存在底板隆起，沿箱涵纵向出现1 道裂缝，箱涵侧墙浆砌片石出现不同程度的破损和剥落，部分区段出现墙角出现沉陷，箱涵侧壁错动位移，以及钢筋混凝土顶板出现混凝土剥离，钢筋裸露。具体如图2～图5 所示。

图2 箱涵底板隆起

图3 箱涵侧壁破损

图4 障碍物影响过水断面

图5 侧壁横向裂缝

根据CCTV 检测结果，西侧箱涵破损较为严重，主要病害有墙身产生裂纹、钢筋剥落、底部隆起与塌陷、错台、渗水漏土，严重影响箱涵结构的使用寿命。箱涵病害产生的原因主要有以下几个方面：

1）箱涵在靠近湖口段底板隆起，原箱涵结构采用素混凝土结构，结构底板抗水压能力不足，导致结构直接断裂。后期箱涵进行截污施工，箱涵出水口设置截流堰，雨季时箱涵内外压力均衡，箱涵结构不致被破坏，非雨季时节，箱涵内部水压较小，外部地下水压力作用于箱涵，箱涵底板承载能力不足，使其断裂呈隆起状。

2）箱涵部分区段底板塌陷，箱涵施工过程可能存在不良地基或者分别位于不同土质上，在地基压力作用下，不同土质表现出不同的压缩特性，造成基础不均匀沉降，再加上底板承载力不足，底板隆起，造成底板部分区域水土流失，久而久之这些地方就产生塌陷。

3）箱涵基坑开挖时，局部超挖且超挖后处理不当，造成地基承载力不均匀，是引起箱涵沉降缝拉裂和墙身出现裂纹的原因之一。

4）箱涵回填不规范。本工程箱涵位于庐山南路东侧绿化带内，一侧靠近道路，一侧为绿化带，路基回填施工时碾压不均衡，填筑不对称等，往往会造成箱涵错台。

5）本地区箱涵采用雨污合流进行排水，污水含有大量腐蚀性较强物质，箱涵混凝土结构长期在腐蚀性环境下，顶板钢筋混凝土保护层剥落，钢筋裸露锈蚀，长期以来，顶板结构承载力不足，出现较多裂缝，渗漏水严重，以致最终坍塌。

3 修复方案比选

箱涵所处地段为火车站站前广场庐山南路路边绿化带内，横穿长虹大道和站前广场停车场；在箱涵排口段，上方存在现状南湖岸边景观平台；箱涵起始端位于火车站外广场人行地道入口。如图6 所示。

图6 箱涵修复段平面示意图

箱涵所在道路庐山南路与长虹大道为九江市主要交通干线，车流量非常大，箱涵周边环境较复杂，箱涵的修复实施难度很大，考虑以上现实条件，可采用以下3 种方式进行箱涵修复：（1）开挖重建，采用现浇钢筋混凝土结构；（2）开挖重建，采用预制钢筋混凝土结构；（3）采用波纹钢内衬修复。

3.1 开挖重建，采用现浇钢筋混凝土结构

箱涵大部分位于路边绿化带内，箱涵大部分采用大开挖施工，其中穿越道路段采用围护开挖施工，箱涵覆土约1.84～2.50 m，箱涵基坑开挖深度约3.60～4.30 m，采用此种修复方法，结构安全可靠，修复使用年限较长。但是，施工周期长，需要破坏周边绿化和现状道路，交通组织较为困难，实际实施难度较大。

3.2 开挖重建，采用预制钢筋混凝土结构

采用预制钢筋混凝土施工，可大大缩短施工周期。同时，预制箱涵在工厂预制，相比现浇钢筋混凝土箱涵，预制箱涵的混凝土保护层厚度均匀，箱涵的质量相对较好。但是，预制拼装箱涵结构需要的施工场地较大，需要破坏周边绿化和现状道路，交通组织较为困难，实际实施难度较大。

3.3 采用波形钢板内衬修复

波纹板一种新型的钢波纹板结构，是将波纹钢板内侧的两侧或四周翻法兰边即内接法兰分段衬砌系统。在箱涵内部施工，不必破坏路面结构，施工简单方便。

3.4 比选分析

针对本工程箱涵修复，在施工期间九江火车站站前广场处于运营状态，广场进出车流量相对较大，可使用的施工空间有限。

本工程若采用开挖现浇施工，每延米综合造价2.78 万元；若采用开挖预制箱涵，每延米综合造价2.96 万元；若采用波纹钢内衬法，每延米综合造价为2.09 万元。相比传统修复方式，约节省造价25%，主要相比传统开挖重建方式，无须大面积破坏现状道路、绿化，在箱涵局部开口，满足箱涵施工期间人员出入、材料进出、通风等要求即可，对周边影响程度降到最低，综合造价相对经济。

通过上述对比可知，波纹钢板内衬修复具有施工快速、环保无污染、造价较低、施工方便的特点。在满足区域排水要求的前提下，本工程推荐采用波纹钢板内衬修复现状破损箱涵，对于箱涵转弯段，波纹钢修复困难，采用现浇钢筋混凝土结构。

4 波纹钢内衬修复方案

4.1 材料选择

本工程采用178×45 型波纹钢板拼接，波距178 mm，波高45 mm，板宽460 mm，M16 高强螺栓连接，壁厚4 mm。如图7所示。

图7 波形断面图

4.2 施工方案及步骤

先对箱涵周边进行注浆加固，使箱涵外壁与周边土体密贴，然后施工临时内支撑体系，内支撑采用槽钢与箱涵内侧底部密贴，然后采用工字钢顶住箱涵内侧壁，每隔个1.0 m 设置1 道。具体布置图如8 所示。

图8 内支撑加固图

1）通过内支撑支护，采用风镐破除已损坏的箱涵底板，向下开挖约0.5 m，然后进行波形钢板拼装，向下开挖的渣土通过采用自制导轨，钢丝绳小车机械运输至检查井洞口处，在检查井洞口处设置提升设备，提升到地面以后运输到指定地点。箱涵检查井根据现场实施条件，每80 m 左右设置1 个，主要满足施工期间箱涵通风、材料进出、人员进出的需求。

2）支设拼装波纹钢板：波纹钢板采用3 块弧形镀锌钢板拼接而成，钢板之间采用螺栓连接，底部每隔1.0 m 采用工字钢拉杆，然后，在工字钢之间浇筑钢筋混凝土底板，拼装完成后3.0 m×1.5 m 的箱涵净高度为1.21 m，净宽度为2.82 m；2.0 m×1.2 m 的箱涵净高度为1.20 m，净宽度为1.82 m；1.5 m×1.2 m 的箱涵净高度为1.20 m，净宽度为1.32 m。安装顺序为先底部横杆，再两侧拼装波纹钢板，然后顶部波纹钢板。板与板之间增加密封橡胶条增加气密性，螺栓要拧紧牢固，使整个结构形成钢板受压体系，下部工字钢受拉的体系。如图9 和图10 所示。

图9 箱涵加固断面（单位：cm）

图10 波纹钢连接详图

3）壁后注浆：箱涵安装拼接波纹钢板每完成20 m 左右，地面随后使用小型钻孔机打孔注浆，在原老箱涵与波纹钢板之间注入标号为32.5 的水泥砂浆，使波纹钢板与箱涵之间缝隙充实填满，注浆时压力不宜超过1.0 MPa，达到结构传力的作用，实现压力均匀分布和整体受力，提高箱涵的抗压强度。

4.3 关键节点处理

波纹钢加固断面与现浇箱涵连接采用波纹钢加固断面直接伸入现浇箱涵。具体连接断面如图11 所示。

图11 现浇箱涵与波纹钢加固连接图

4.4 实际使用效果

目前，本工程已经全部实施完毕，已经投入运营，经过本次排水箱涵修复，彻底解决九江站前外广场排水不畅问题，确保站前广场运营安全。

5 结语

本文依托九江火车站站前外广场排水箱涵非开挖修复工程案例，首次将波纹钢内衬结构应用于市政排水箱涵结构性修复中，着重介绍了波纹钢内衬结构在修复箱涵工程中的可行性、经济性以及实际使用价值。为今后同类型实际工程设计、施工、维护提供一定参考价值。主要得出以下结论：

1）在特定条件波纹钢内衬修复排水箱涵具有施工快速、环保无污染、造价较低、施工方便的特点。

2）波纹钢内衬修复现场安装方便，无须使用大型设备，减少或根本舍弃了常规建材，如水泥、黄沙、石子、木材的使用，环保意义深远。

3）结构受力情况合理，荷载分布均匀，并有一定的抗变形能力。

4）采用标准化设计，生产、设计简单，生产周期短。

5）波纹钢管是一种柔性结构，具有一定的抗震能力而且能适应较大的沉降与变形，与钢筋混凝土涵管相比，具有管节薄，质量轻，便于运输存放，施工工艺简单，组装快速，工期短等优点。其缺点是耗用钢材较混凝土管涵多，其价格受钢材价格市场的影响较大。