浅谈钢制波纹管综合管沟在市政道路工程中的应用

董晓璐

摘要：现如今，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，文章为了研究管幕结构对箱涵顶进过程地表沉降的影响，以及箱涵顶进过程反力墙的位移变形，使用有限差分软件建立了箱涵顶进无管幕和有管幕两种工况的三维数值模型，建立了始发井反力墙结构的三维数值模型。经过数值计算，研究结果显示：有管幕的情况下进行软土浅埋箱涵顶进施工可以显著减少箱涵上方土体的变形;管幕可以为箱涵分担70%的土层压力，可以减少矩形箱涵直角处的拉应力;反力墙钢板，顶进底板，钻孔灌注桩等结构会发生逆时针方向的旋转变形。研究结果可为今后管幕箱涵顶进工程提供一定的参考。

关键词：城市下穿隧道;反力墻;管幕箱涵法

引言

介绍了国外钢质波纹管制造和应用情况，对比分析了目前我国钢质波纹管制造和应用领域存在的主要问题是缺少原材料、制造工艺和装备水平低、生产污染大、产品品种少、应用面窄、应用研究和标准滞后等问题，并预测我国钢质波纹管需求将随着国家基础设施建设扩张、劳动力成本上升以及环保意识提高而大幅增长，倒逼钢制波纹管制造工艺装备水平不断进步，并带来锌层厚度600g/m2以上的热轧镀锌钢板需求增长。有关钢厂应当尽快填补这一空白。新建或改造原有镀锌线，制定产品规范，填补空白。

1适用范围

波纹管涵是将薄钢板压成螺旋波纹钢圆管（HCSP）、环形波纹钢圆管（ACSP）、波纹刚板（CSPS）后，再通过连接件连接，修建成的涵洞称为钢制波纹管涵，可以拼装成圆形、椭圆形等多种形状。钢制波纹管结构物在道路通道涵洞、跨河桥梁、隧道内衬、隧道明洞、傍山路防滑石护洞等均有应用。一般下列条件宜优先考虑使用波纹管涵：（1）基承载力较低地区。钢制波纹管涵是一种特殊结构形式，钢制波纹管在结构上具有横向补偿位移的特性，有抗变形能力和抗沉降能力，特别适合于软土、膨胀土、湿降性黄土等地基承载力较低地区。（2）临时性工程。钢制波纹管涵施工简单，施工工期短，适用于应急抢险、救灾等需快速完成的临时性工程。（3）生态环境脆弱的地区。钢制波纹管涵施工时对环境的破坏小，适用于生态环境脆弱的地区。（4）建筑材料缺乏地区。钢制波纹管涵施工只需对基础和进出口进行处理，砂、石、水泥等材料用量较小。（5）寒冷、高原地区。钢制波纹管代替钢筋混凝土进行涵洞施工有利于解决北方寒冷、多年冻土地区混凝土结构的破坏问题，适用于高原地区。

2浅谈钢制波纹管综合管沟在市政道路工程中的应用

2.1钢波纹管涵施工工艺流程

工艺流程为：施工前准备→施工放样→开挖涵管基坑→平整场地→基础分层回填→检测压实度、含水量等→水准测量→平整场地→施工放样→拼装管节→检测水密情况及管底纵坡→检测并补救防腐涂层→涵管就位→两侧分层回填→检测压实度、含水量等→管顶分层回填→检测压实度、含水量等→进出口处理。

2.2数值模型的建立及计算假定

本文采用有限差分数值分析软件Flac3D模拟管幕施工、箱涵顶进过程，以分析施工期间及完工后路面稳定性。根据本项目实际尺寸情况，结合数值模拟边界效应的影响，三维数值模型长55m，宽24m，高32m，如图6、图7所示，区别在于前者顶进过程没有管幕结构对土层进行加固，后者相反。针对本项目，参考其他类似项目经验，进行如下假定：（1）土体为均匀的各向同性弹塑性体，采用3维8结点等参块体单元模拟。（2）顶管正面推力为圆形均布荷载。（3）地层损失沿管道轴向均匀分布。（4）由于仅考虑土层受到的附加变形及应力，计算中不考虑土体自重产生的变形和应力。（5）顶管推进过程中不考虑土体时间效应，只考虑顶进空间距离的变化。（6）由于顶管机头和衬砌的刚度远大于土体刚度以及弹性体位移连续性的要求，不考虑实际的顶管机头和衬砌，而以力、位移和边界条件来模拟。（7）由于管幕采用F型接头彼此连接紧密且内部注浆，采用实体单元模拟管幕。

2.3基于有限元的结构设计方法及流程

由于钢波纹管为薄壳结构，关于其结构计算方法均是基于“环向压力理论”进行结构计算，因此国外现行的计算方法为容许应力法（美国AISI结构设计方法）和极限状态法（如加拿大道路桥梁设计规范），而国内关于钢波纹管结构研究起步较晚，在设计时多借鉴国外设计方法进行结构验算。容许应力方法主要是通过加强的安全系数对钢波纹管结构进行计算，确保其在钢材的允许应力值范围内，同时采用柔度系数对钢波纹管施工时整体结构的稳定性进行规定，确保结构稳定，该方法在美国等国家进行了大量的应用，积累了大量经验。极限状态法是由美国和加拿大学者在容许应力法基础上提出来的，该方法在美国和加拿大道路桥涵结构中进行了应用，在应用的同时对该方法不足之处进行了多次改进，极限状态法的优势在于考虑了结构构件的不同工作状态，规定了承载能力、正常使用、疲劳极限等极限状态。以上两种现有钢波纹管涵洞结构计算方法都是考虑了孔径及外力因素，对钢波纹管结构进行计算，但不足之处是并未考虑波形的具体尺寸对钢波纹管受力的影响（尤其是波形差别较大，如最小波形68mm×13mm和最大波形400mm×150mm其计算结果也偏差较大），忽略了钢波纹管自身的结构形式对受力的影响。

2.4钢质波纹管需求量将会大幅增加

根据国外发达国家经济和社会发展规律，随着我国钢制波纹管相关应用研究和各行业应用标准和规范不断完善，未来钢制波纹管需求将大幅增长，其主要影响因素有：（1）大规模基础建设拉动内需，带来道路、铁路、水利等钢质波纹管传统应用领域的“刚性需求”;（2）应用技术日渐成熟带来的应用领域扩展，如国外已普遍应用的各种工业项目的内部管网、矿山、仓储、水利设施等领域;（3）劳动力成本和传统建筑材料成本上升将提高钢质波纹管的竞争优势;（4）环保意识和水土保持提高带来更加广泛的应用。其中，环保政策的从严使波纹管对水泥、混凝土制管的替代性加强，而随着我国治理城市内涝对相关污水设计、排水设计以及水土保持标准的提高，将带来巨大的市政工程改造需求。

结语

本文利用有限差分软件建立了三维数值模型，按照设计给定参数模拟了箱涵顶进法有无管幕两种工况，模拟了依托人工填土构筑的始发井反力墙结构。得到的结果表示：（1）有管幕的情况下进行软土浅埋箱涵顶进施工可以显著减少箱涵上方土体的变形;没有管幕的情况下，地表沉降大多为4cm，甚至7cm，有管幕支持下，地表的沉降最多为3mm，效果显著。（2）管幕可以为箱涵分担70%的土层压力，可以减少矩形箱涵直角处的拉应力。（3）人工填土构成的反力墙结构可以为顶管机提供支撑。在顶进箱涵的过程中，由于土体被挤压，回填土会发生一定的沉降，约2cm。反力墙钢板，顶进底板，钻孔灌注桩会发生整体逆时针方向的旋转变形（沿y向）。模型中线灌注桩的变形大于边缘灌注桩，靠近始发井一排灌注桩变形大于远离始发井一排。灌注桩发生的位移最大为8.8mm。

参考文献：

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