半圆形钢波纹管涵施工关键技术研究

温惠丹

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

涵洞是道路工程中埋于路基以快速疏通公路两侧水流的人工构造物,能够有效避免雨水浸泡对路基的损害。目前常用类型有素混凝土涵、钢筋混凝土涵、砖涵及石涵。然而由于所用材料刚性极大,导致涵洞受到不均匀沉降时极易产生断裂现象[1]。此外,水流冲刷导致混凝土材料受到溶蚀作用而逐层剥离,很大程度上降低了涵洞使用寿命[2]。因此,亟须通过柔性大、抗冲刷强的材料替代传统材料以延长涵洞使用寿命。而采用钢波纹管涵能够有效避免上述涵洞病害,钢材柔性以及波纹管特有的形状能够充分消除不均匀沉降所产生的横向位移应力,具有极好的变形能力;通过工厂对涵管和配件提前做表层防腐处理,能够有效阻绝有害物质侵蚀,并提高涵洞抗冲刷能力。因此,将钢波纹管涵用于公路涵洞工程中,能够延长涵洞使用寿命,降低维护费用,具有良好的质量和经济效益。而目前钢波纹管涵高速公路项目施工应用较少,缺少系统性技术标准规范作为指导,为保证该新型涵洞构造的施工质量和效果,有必要针对钢波纹管涵施工技术做进一步研究。已有学者对不同工程背景下的钢波纹管涵施工技术进行了研究。李光辉等[3]依托弥玉高速公路高填方路基工程,论述了钢波纹管涵基础尺寸、标高等重要因素的控制技术。王薇[4]对高速公路的钢波纹管涵拼装、连接工艺进行了详细表述,认为拼接过程需做好严密的防渗水工作,以便更好地进行涵洞后期的养护工作。张维东[5]针对黄土地区回填压实度不足而引起的跳车问题,提出采用QC方法和PDCA循环,通过控制涵背回填质量而避免该问题。然而,不同项目的施工背景有所差异,因此,仍需分享更多钢波纹管涵工程技术经验及研究成果,从而进一步形成良好的理论基础体系。

为给钢波纹管涵应用于公路涵洞工程提供更多的参考及借鉴,本文依托于广西信都至梧州高速公路二期工程,探究了钢波纹管涵施工及质量控制技术,旨在促进更为完善的技术标准规范形成。

1 工程概述

广西信都至梧州高速公路二期工程设计施工总承包项目经理部三分部K67+765段钢波纹管涵,采用Q345钢材波纹钢,屈服强度为345 MPa。涵洞形状为半圆形,长度为85 m,取用波形尺寸为381 mm×140 mm×9 mm(波长×波高×壁厚)的深波纹大壁厚波纹钢板。该涵洞的管顶填土高为13 m。

2 施工技术

该项目半圆形大直径钢波纹管涵洞施工流程如图1所示。本文通过基础施工、管涵安装、管沟回填、质量控制4个方面研究钢波纹管涵洞关键施工技术。

图1 半圆形大直径钢波纹管涵洞施工流程图

2.1 基础施工

基础施工开始前应先做好准备工作,如备齐各类安装与起吊工具或设备,准备充足的脚手板和跳板,并为施工现场接通电源等。在基础施工中,先按照设计要求的深度开挖沟渠,然后对基底进行承载力试验,若基底分布不良地质,则要联系设计方进行针对性处治。经试验或处理使基底承载力达到要求后,可通过回填一定厚度的砂砾等材料作为垫层,用于进一步提高基础稳定性与强度。最后在底基层表面增设一层厚度为40 cm的中粗砂,将其作为调平层,为之后的施工奠定基础。该项目地质条件良好,在进行基础回填时,每层材料应压实到相应的设计高程,且压实度>96%。

2.2 管涵安装

半圆形大直径钢波纹管需要在工厂进行定制,并且要在满足各项检测技术指标要求后,在工厂进行预拼装,满足要求后才能够运输到项目施工现场。在运输过程中,还需要对每个管节做好标号和隔离保护措施。

在施工现场安装前同样要做好一系列准备工作,比如对涵底基础实际标高及平整度进行检查复核等。准备工作完成后,先进行底板拼装,将中心轴线和中心点作为参考基准,将第一张波纹板准确安装到位;再将第一块板作为起点不断向两侧延伸;在第一块板面上搭接第二张板,其搭接长度通常要达到50 mm;对准板和孔,在螺栓上套入垫圈,并在螺纹处均匀涂抹润滑剂,再将其插入到孔中,随即套好垫圈,用扳手拧紧。对于环形圈的拼装,其顺序一般为从下到上,在下板的表面搭接覆盖上板,搭接长度以90 mm作为控制标准,搭接形式以阶梯状为宜,也就是上板面上的连接叠缝务必和下板面保持足够错位,再将垫圈套在板孔对位的螺栓上,并在螺纹处均匀涂抹润滑剂,然后按照从内到外的顺序插入,接着套入垫圈,最后用扳手将螺母拧紧。拼装好3个环向的波纹板之后,需要认真校核结构断面整体形状,在确认符合要求后才能开始拼装,若与要求不符,则要立即进行调整。在环向拼装持续至合龙处以后,应再次对其做复核。并对预紧螺栓进行适当的调整,再对顶部的波纹板进行拼装。将整个管涵拼装好以后,由人工借助定扭电动扳手以正确的顺序紧固每个螺栓,此时的预紧力扭矩以270～410 N·m的范围进行把控。并且每紧固完一个螺栓都要进行标记,以免发生遗漏状况。

此外,考虑到渗水是波纹板连接常见问题,故建议使用良好的密封材料来封堵连接部位。在向管沟中填筑土方之前,检查所有螺栓是否完全拧紧,随机抽取重量为2%的螺栓实施扭矩试验,当试验发现有一个或多个螺栓未能达到要求的扭力矩,则要加大频率继续抽检,直到合格。

2.3 管沟回填

按照设计要求在管涵两侧一倍直径以外的部分采用满足要求的级配料进行回填,这个回填过程必须做好分层与对称,分层厚度一般按照20 cm进行控制。回填材料会对半圆形大直径钢波纹管涵结构的受力和变形产生一定的影响,因此要控制回填材料的压实度[6]。经验表明,压实度所产生的强度模量会引起涵洞结构变形,甚至会导致半圆形大直径钢波纹管涵结构的坍塌。因此,在管涵两侧进行回填时,通过对回填材料的机械和人工碾压,达到要求的压实度,即≥96%,以此防止管涵结构两侧直接受到土体压力的挤压作用。将土体回填到管涵顶部<50 cm时,由人工借助手扶式振动打夯机将其碾压密实。若回填到涵顶>50 cm后,可直接采用压路机完成碾压。在管涵的顶部,分层回填厚度和压实度要符合设计要求。

2.4 质量控制

将钢波纹管涵安装到位后,应进行严格的质量检查,通常涉及的检查项目、方法及规定值或允许偏差为:(1)土基压实度:在管涵轴线投影下部土基每6 m检测1处,总数≥2处,应与设计要求相符;(2)管涵轴线偏位:采用经纬仪进行检查,每6 m检测1处,总数≥2处,要求偏差≤20 mm;(3)管涵内底高程:其检查方法为水准仪法,检查频率为1处/6 m,且至少检查2处,偏差≤±10 mm;(4)管涵内径:其检查方法为尺量法,检查频率为1处/6 m,水平断面和垂直断面都要检查,且至少检查2处,偏差≤±1%。

目前该项目已通过验收并处于通车状态,半圆形大直径钢波纹管涵整体性能良好,经济效益显著。

3 结语

采用钢波纹管涵替代传统混凝土涵,能在满足基本功能要求的基础上,降低工程造价、缩短工期,并延长了涵洞的使用寿命。本文总结了半圆形钢波纹管涵的施工关键技术,指出其主要施工工序,并从基础施工、管涵安装、管沟回填、质量控制4个流程进行了详细论述。钢波纹管涵基础需要良好的承载力,可通过回填沙砾等材料作为垫层进一步提高基础稳定程度。管涵安装、拼接过程需做好严密的防渗水工作,当拼接工序完成后需抽取重量为2%的螺栓进行扭矩检验,以此保证工程质量;管沟回填需严格控制回填材料压实度,避免压实度过大而导致涵洞结构变形。最后,从土基压实度、管涵内底高程、管涵内径等表征涵洞施工质量,目前该项目已完成,整体性能良好。

钢波纹管涵属于柔性结构,现场施工不需要大型机械设备,具有普遍适用性,结构安全。因此,管涵部件应于工厂进行集中化、标准化高质量生产,有利于确保项目实施质量和施工质量管理。半圆形大直径钢波纹管的应力变形方面研究案例较少,尚未有良好的技术理论基础,因此在今后开展半圆形大直径钢波纹管应用研究时,需建立大直径钢波纹管涵施工阶段的受力变形监测系统。