公路钢波纹管涵洞施工工艺及受力变形分析

■范必强

（福建省交通建设工程监理咨询有限公司，福州 350000）

1 引言

店下互通D 匝道DK0+460 原设计为盖板涵[（1～2）m×2 m，长10 m]，由于工期较紧，施工期间多雨，为加快施工进度，经变更采用φ1～2 m 钢波纹管涵，其为功能排水涵，涵长10 m，入口与窨井相接，出口采用八字墙与改沟相接。 采用钢波纹管涵洞代替混凝土涵洞具有以下优势：（1）践行“绿色公路、品质工程”理念，减少了混凝土材料的使用，环保意义深远；（2）工厂集中化生产，现场安装方便，与盖板涵相比，可大大缩短工期[1-4]；（3）适应地基变形能力强，对地基承载能力要求较低；（4）钢波纹管涵分片拼装成整体后安装，施工标准化程度高[5-7]；（5）减少了沙石、水泥的用量，避免了矿石开采产生的环境破坏，有利于环保；（6）钢波纹管涵后期只需涂刷乳化沥青，养护维修简便且易操作。

为了验证了钢波纹管涵施工技术的可行性，本文总结了公路钢波纹管涵施工技术要点，并通过在管内不同角度设置应变测试装置分析施工过程中的受力变形特征， 同时对钢波纹管的施工工艺、经济适用性也进行了分析。

2 钢波纹管涵施工技术要点

2.1 施工准备

钢波纹管涵材料加工厂家选定前应考察厂家资质及许可证件、近期供用业绩、生产能力等，材料到场后应提供产品合格证书、检验报告等，并经业主、 监理及施工单位现场随机取样送外委单位检测，主要检测指标有：原材料力学性能（屈服强度、抗拉强度、伸长率），镀锌防腐层质量（镀锌附着量、镀锌层厚度），波纹管外观尺寸（壁厚、波距、波高），以上指标符合设计规范要求后方可正式开始安装。

2.2 施工放样

施工放样应注意：（1）测量仪器、水准点精度应符合要求；（2）根据施工图纸，精确放样出钢波纹管涵基坑开挖边线，边线采用白灰标识，便于开挖人员施工，开挖到位后及时放样出中线、边线；（3）现场放样结束后，按照图纸放出钢波纹管涵洞基础的中线和边线。

2.3 基坑开挖

基坑开挖示意图如图1 所示， 开挖过程应注意：（1）应避免超挖，如超挖，应及时将松动部分清除；（2）基坑开挖后排水措施应考虑到位，可采取四周开挖排水沟和集水井等措施， 及时引排积水，避免雨水浸泡而影响地基承载力；（3）基坑开挖到位后，应进行地基承载力检测， 当测试值小于设计值时，应进行地基处理，一般采用换填处理。

图1 基坑开挖示意图

2.4 基础垫层

基础垫层应注意：（1）基础应分层进行填筑，每层填筑厚度不宜超过20 cm， 逐层碾压到位后检测压实度，符合要求后方可进行下一层填筑，填筑至设计基础顶标高以下10 cm 时，采用级配良好的粗砂进行填筑；（2）根据现场基底地质情况，若基底存在沉降情况， 考虑流水的要求和结构的整体性，应在基础的顶部应预留钢波纹管涵长的0.5%～1%预拱度，防止钢波纹管涵洞中部产生较大凹槽，进而引起结构破损；（3）砂垫层应采用机械进行充分压实，且压实度不应小于96%，防止钢波纹管涵产生较大变形。

2.5 管身安装

2.5.1 安装前工作

管身安装前应检查钢波纹管材料在运输、搬运过程是否存在损坏防腐涂层，若有应涂刷防锈漆修补。 检查钢波纹管涵位置、中心轴线、基础压实后顶面的平整度和标高及预拱度等是否满足图纸要求，当不满足要求时应及时进行处理，保证管身密贴砂砾垫层应平顺，使钢波纹管与垫层紧密接触，避免管道中部因填筑不密实而引起凹陷或逆坡。

管节拼装时步骤如下（图2）：（1）拼装板片：拼装板片应先进行圆周向拼装再依次进行轴向拼装，圆周向板与板之间搭接长度不应小于50 mm；（2）拼装环形圈：先拼装管底第一块板，然后两侧对称由下往上依次采用阶梯形拼接， 轴线搭接宽度为170 mm，螺栓套上垫圈由内向外安装入孔，并用扳手锁紧螺母；（3）螺栓的扭矩检测：管节拼装完成后，随机选取纵向接缝上2%的螺栓进行试验。

图2 钢波纹管组装

2.5.3 管壁涂刷沥青

管节内外管壁需加强防腐处理（图3），一般可喷涂乳化沥青或热沥青，沥青总厚度应不小于1 mm。

图3 管节内外管壁沥青防腐处理

2.5.4 密封

波纹钢板管涵拼装时板与板之间搭接处采用专用密封胶条进行密封，拼装完成后，板与板缝隙处及螺栓连接处采用密封胶进行处理，以免拼装处出现渗水等现象，影响结构长期安全使用。

2.5.5 就位

钢波纹管涵安装后， 为确保中心轴线准确，需进行校正，可采用千斤顶进行调整，顶升接触面应增设钢板，加大接触面防止造成顶升点变形。

金沙江地处滇西北三江并流区，流域面积广，海拔高差显著，支流众多，气候湿热，降水充沛，植被覆盖率高。金沙江良好的气候条件及多样的植被类型造就了该区丰富的物种多样性。淡水真菌作为水体微生态系统的重要组成部分，目前尚未有金沙江淡水真菌方面的相关研究。本项目采集金沙江不同海拔、不同河段的腐木进行木生淡水真菌多样性研究，了解该地区淡水真菌资源、多样性特征及群落组成，为金沙江木生淡水真菌的保护与利用提供本底资料。

2.6 涵管两侧及顶部回填

涵管两侧及顶部回填应注意：（1）钢波纹管两侧应对称分层填筑施工，且每层填筑的厚度应符合图纸要求；（2）逐层检测压实度，符合要求方可继续填筑，压实度不小于96%；（3）现场应配备小型夯实机械及振动压路机，管周两侧50 cm 范围内采用小型夯机进行夯实， 同时应避免夯机碰撞钢波纹管，使其产生凹槽，影响结构安全；对于距离钢波纹管50 cm 外的区域可采用振动压路机进行充分碾压，确保压实度符合图纸或规范要求。 （4）钢波纹管管顶填土高度小于50 cm 时，应禁止振动压路机碾压施工，同时禁止大型机械从管顶通过。 （5）回填之前，为防止钢波纹管涵受压变形，应在管内设置临时十字支撑，待填土结束整体稳定后方可拆去。

3 钢波纹管涵洞受力变形分析

3.1 钢波纹管涵洞受力分析

3.1.1 试验方案

依托工程为福建省沙埕湾A4 标店下互通DK0+460 钢波纹管涵，直径2 m，波形参数为波距200 mm×波高55 mm，壁厚为4 mm，采用工厂标准化生产，并进行镀锌防腐。 具体方案如下：（1）管内应变布置。 在路中位置以波峰、波谷为测试断面，按照0°、90°、180°和270°的角度进行布置 （图4、5）。（2）测试工况。 钢波纹管涵洞管顶以上采用压路机进行压实，分层压实达到设计要求后，压路机远离钢波纹管，采用数据采集仪进行测试。 现场测试工况如表1 所示。

图4 应变片布设平视示意图

图5 应变片布设俯视示意图

表1 测试工况

3.1.2 测试结果分析

（1）波峰随填土高度变化的应变规律。 由图6可知：填土初期，各角度均为拉应变；管顶填土为2.0 m 时，各角度应变值波动变化，这是由于管顶填土在1 m 内， 为防止压路机碾压对钢波纹管的破坏，未进行碾压，后期压路机碾压使得土层更密实，钢波纹管受到力的作用引起的。 钢波纹管涵洞在整个填筑过程中， 管顶0°和管底180°均为拉应变；而管侧90°和管侧270°在管顶填土3.1 m 时转为压应变，且管侧270°＞管侧90°。 整体上，钢波纹管涵洞管底180°为最大拉应变， 管侧270°为最大压应变，施工时应进行重点观测。

图6 波峰随填土高度增加应变测试结果

（2）波谷随填土高度变化的应变规律。 由图7可知： 波谷各角度应变值在管顶填土2.0 m 以内波动变化，存在应力的重新分配。 与波峰对比分析，波谷同一角度应变属性正好相反，说明波峰与波谷有一定的互补性，钢波纹管涵洞受力更加稳定。

图7 波谷随填土高度增加应变测试结果

（3）波峰沿管周角度变化的应变规律。 由图8可知： 沿管周角度变化波峰应变分为两个阶段：第一阶段管顶填土高度小于2.0 m 时， 各角度均为拉应变；第二阶段管顶填土高度3.1 m 以上时，管顶0°为拉应变，后在管侧90°转化为压应变，而管底180°又转为拉应变，后管侧270°转为压应变。管侧90°和管底180°存在应力集中的现象，且随着角度的变化， 整体上存在拉应变至压应变交替变化的过程。

图8 波峰沿管周角度变化的应变测试结果

（4）波谷沿管周角度变化的应变规律。 由图9可知： 随管周角度变化波谷应变同样分为两个阶段：第一阶段管顶填土高度小于2.0 m 时，各角度均为拉应变；第二阶段管顶填土高度3.1 m 以上时，与波峰变化规律正好相反， 波谷管顶0°为压应变，管周90°转为拉应变， 管底180°转为压应变， 后管侧270°又转为拉应变；且随着角度的变化，整体上存在压应变至拉应变交替变化的过程。

图9 波谷沿管周角度的应变测试结果

3.2 钢波纹管涵洞变形分析

3.2.1 变形观测方案

对店下互通D 匝道桩号DK0+460 直径2 m的钢波纹管涵洞在拼装及回填完成后变形情况进行了长期观测， 并依据现有标准对管内变形进行分析。 钢波纹管涵洞内径变形情况如图10 所示。

图10 钢波纹管涵洞内径变形情况

3.2.2 测试结果分析

根据观测记录表，可知钢波管组装后内径变形均小于20 mm、 填土堆载后内径变形均小于40 mm，即满足《公路工程质量检验评定标准（第一册土建工程）（JTG F80/1-2016）》规定的无预变形管涵内径允许偏差±1%、 有预变形管涵内径允许偏差±2%要求[8-9]。

4 工期及费用对比

采用钢波纹管涵洞代替混凝土结构涵洞在节约工程造价的同时可以减少施工工期， 具有显著的经济效益和社会效益。 通过对盖板涵、钢波纹管涵洞施工工艺、流程的不同，对跨径10 m 的盖板涵与其对应钢波纹管涵洞工期、造价进行了计算，如表2 所示。

表2 混凝土盖板涵与钢波纹管涵施工费用及工期对比

由表2 可知，钢波纹管涵洞在满足常规圬工涵洞适用功能的基础上，10 m 跨径钢波纹管涵洞工程造价可以节省约9.3%，工期可以节约29.2%，钢波纹管结构涵洞的综合效益较好。

表2 计算参数

5 结论

（1）钢波纹管涵内径变形、路床顶弯沉检测等均满足设计要求， 且施工过程中未产生质量问题，结构安全可靠，进一步验证了钢波纹管涵施工技术的可行性。 （2）施工过程中，钢波纹管波峰和波谷规律相似，填土初期，各角度均为拉应变；管顶填土2.0 m 时，各角度应变值波动变化，受力进行了重新分布。 （3）管顶填土2.0 m 以内，各角度应变值波动变化，存在应力的重新分配。 此时钢波纹管受力不均匀，施工时宜做好监测。 （4）钢波纹管涵采用工厂标准化生产，运输便捷、施工工艺简便，与钢筋混凝土盖板涵相比，在工程造价、施工工期、环保等方面均具有优势，应用前景广阔，推动工程建设技术的进一步发展。