波紋管（板）在鐵路工程中的技術應用與發(fā)展

馬慧君，田四明，付兵先，馬偉斌，葉陽升

（1.中國鐵路總公司 工電部，北京 100844；2.中國鐵路總公司 鑒定中心，北京 100844；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

0 引言

我國鐵路工程建設中，工務基礎設施結構（橋涵、隧道及洞口防護結構）采用的是普通鋼筋混凝土或圬工結構，這類結構具有承載力高、剛度大、耐久性好等諸優(yōu)點。但是由于混凝土為脆性材料，局部較大的變形將導致混凝土結構出現(xiàn)開裂、掉塊、滲水及露筋等病害，從而影響結構的服役壽命。此外，在一些應急搶險工程中，采用現(xiàn)場澆筑混凝土方式，施工工期較長，往往不能滿足應急搶險要求。另外，一些地區(qū)本身缺乏混凝土砂石料原料，因此也制約了混凝土結構在此類工程中的使用。隨著鋼結構和金屬防腐技術的發(fā)展，一種能夠解決上述問題且快速、經濟、便捷的裝配式波紋管（板）結構被逐步應用到工程建設中。

1 國內外現(xiàn)狀

波紋管（板）技術于1784年誕生在英國，金屬波紋管（板）最初被用來代替混凝土橋梁與涵洞[1]。1896年，美國也進行了金屬波紋管（板）涵洞的試驗性研究，并逐步將波紋管（板）技術應用于公路涵洞。截至目前，英國、美國、加拿大、日本、韓國、印度、中國等國家相繼開展了波紋管（板）技術的研究。其中，美國試驗與材料協(xié)會（ASTM）、美國鐵路工程協(xié)會、美國鋼鐵協(xié)會（AISI）以及加拿大鋼波紋管協(xié)會（CSPI）率先開展了波紋管（板）應用環(huán)境、腐蝕機理、結構設計以及加工制造等方面的研究，建立了較為完善的波紋管（板）加工制造、結構設計、施工工藝以及檢測評定體系，并且制定了相應規(guī)范。目前，國外波紋管（板）技術已經被廣泛應用到市政工程、鐵路工程、建筑工程、礦山工程、港口工程、機場工程、管道工程、軍事工程、農業(yè)灌溉以及結構加固與修復技術領域?？傮w而言，波紋管（板）技術在國外已經成熟，加工制造已成規(guī)?；鄳慕Y構設計、施工工藝以及質量驗收規(guī)范已趨于完善。

我國的波紋管（板）技術應用起步較晚，目前主要在公路行業(yè)得到了廣泛應用。同時，根據(jù)前期開展的研究工作[2-4]，交通運輸部與各地方相繼出臺了多部有關波紋管（板）產品、設計及施工的技術規(guī)范[5-6]。與國內外公路行業(yè)相比，鐵路行業(yè)波紋管（板）技術的應用嚴重滯后。目前，鐵路行業(yè)尚無波紋管（板）技術相關產品、設計、施工及驗收標準。

近年來，隨著環(huán)境保護力度的加大以及在國內鋼材產能過剩的大背景下，波紋管（板）作為低碳環(huán)保技術必將在鐵路領域有著廣闊的應用空間[7]。

2 波紋管（板）技術原理

波紋管（板）結構是由普通熱軋?zhí)妓亟Y構鋼、低合金結構鋼、不銹結構鋼、耐候結構鋼或者熱鍍鋅熱軋/冷軋鋼板經過冷彎加工，并經過防腐蝕處理（表面鍍鋅、鍍鋁或噴涂復合物涂層）后所形成的拱形承載結構。波紋管（板）結構所用鋼板經過波紋成型，增加了結構的慣性矩，結構抗彎承載力大幅度提高。另外，由于軸向波紋的存在，可以充分發(fā)揮良好的抗彎性能，不但可以承擔徑向與軸向因荷載產生的應力與變形，而且還可以分散荷載所引起的應力集中，更好地發(fā)揮鋼結構承載力高的優(yōu)勢。

3 波紋管（板）應用范圍

隨著鋼結構材料的應用，制造和防腐技術不斷提高，以及對波紋管（板）結構受力性能的認識，波紋管（板）結構的應用范圍越來越廣泛。根據(jù)現(xiàn)有國內外波紋管（板）技術應用，結合我國鐵路實際情況，波紋管（板）技術可以被推廣應用到鐵路如下領域。

3.1 橋涵領域

3.1.1 新建橋涵結構

在一些混凝土材料缺乏、環(huán)境保護要求高、軟土以及高寒地區(qū)，拼裝式波紋管（板）結構可以替代傳統(tǒng)意義上的石砌或混凝土拱橋、蓋板涵、框構涵以及施工臨時便橋等結構。新建波紋板橋涵結構見圖1。

圖1 新建波紋管（板）橋涵結構

3.1.2 既有橋涵的維修與替換

傳統(tǒng)鐵路混凝土橋梁與涵洞經過長期運營后，由于自然環(huán)境條件發(fā)生變化，加上前期設計、施工因素以及后期列車的振動荷載作用，結構出現(xiàn)不同程度的缺陷或病害，或者一些修建年代久遠的橋涵構造物因為時代原因達不到現(xiàn)行荷載標準而需要加固維修，或者因鐵路改擴建項目中需要對原有橋梁進行加寬，對原有涵洞、通道進行接長。針對上述情況，利用波紋管（板）結構對原有涵洞、通道和中小跨度的橋梁進行更換、加寬或加固，不僅改善了既有結構的受力狀態(tài)，大量節(jié)省工程造價，而且最大限度減少了對現(xiàn)有交通的影響，甚至完全可以達到不中斷交通也能進行加固的目的。波紋管（板）加固橋涵結構見圖2。

圖2 既有橋涵波紋管（板）加固

3.1.3 橋墩加固與防護

對于一些因超過服務年限的舊橋橋墩、受流水或船撞而受到損傷的橋墩以及由于其他原因需要提高承載力的橋墩，利用抱箍加固以及增大截面原理，可在不中斷交通的情況下，在原有橋墩外圍利用波紋管（板）組合成沉箱，內部填充混凝土進行加固，必要時還可增加角鋼和鋼筋。除此以外，波紋管（板）還可作為橋墩的防撞結構，充分發(fā)揮其施工快捷、抗沖擊能力強、耐腐蝕的特點。既有橋墩波紋管（板）加固見圖3。

圖3 既有橋墩波紋管（板）加固

3.1.4 橋涵樁基礎結構

波紋管（板）結構可以在橋墩、建筑基礎和塔結構中用作套箱結構。尤其在一些跨海、跨江橋墩施工中，采用波紋管（板）結構可以直接作為樁基礎結構，其內部灌注混凝土，形成鋼混樁基礎。與混凝土樁基礎相比，波紋管（板）結構具有明顯技術與經濟優(yōu)勢。橋梁樁基礎套箱結構見圖4。

圖4 既有橋梁樁基礎套箱

3.1.5 波紋腹板箱梁橋

波紋腹板箱梁橋是20世紀80年代出現(xiàn)的一種新型橋梁，它具有自重輕、強度高、縱向剛度小等特點，可以減少下部結構的工程量，降低工程總造價。國內外對波紋腹板橋梁的性能和設計方法也有較深入的研究，設計技術和施工工藝比較成熟。波紋腹板箱梁橋見圖5。

圖5 波紋腹板箱梁橋

3.2 隧道領域

3.2.1 隧道明洞及洞口防護結構

現(xiàn)有的鋼筋混凝土明洞或棚洞防護結構防護性能好，但結構及質量巨大，常需要埋深大、斷面尺寸大的基礎，施工難度大，建設成本高。尤其在橋隧過渡段，機械設備無法進入施工場地，背后用于緩沖的砂石料填筑難度較大；常用的主、被動防護網盡管結構相對簡單，但在山體坡度較大地段，施工錨桿以及固定鋼支撐較困難，且防護能力有限。而波紋板結構是一種半剛性結構，具有一定延展性，落石沖擊波紋板結構后，瞬時集中沖擊荷載被緩沖層、波紋板結構自身以及螺栓所分擔，即使波紋板發(fā)生較大變形，結構也不會被落石擊穿。另外，沖擊荷載傳遞至基礎底面時，較大的集中荷載逐漸變?yōu)榫己奢d，降低了基礎應力，從而降低了對基礎結構的尺寸要求。另外，采用波紋管（板）明洞后，由于質量輕、可預制，施工進度能大幅提高，且節(jié)省造價，符合環(huán)保要求。尤其在后期增設明洞時，采用波紋板對既有線設施的影響很小，工期更短。因此，在山嶺地段，特別是存在危巖落石的地段，采用波紋板接長明洞結構可防止隧道口的危巖落石。隧道洞口波紋板防護以及波紋板明洞結構見圖6。

3.2.2 隧道支護結構

波紋板作為隧道支護結構在國外公路、鐵路以及水利行業(yè)已經得到應用，我國在公路行業(yè)個別隧道進行了試用。由于我國隧道施工機械化程度低，所有工序都需人工完成，當工序較多時，施工質量就難以得到保障，尤其用于初期支護的系統(tǒng)錨桿施工質量往往達不到設計要求。采用波紋板作為初期支護后，取消了拱架安裝、掛網與錨噴、系統(tǒng)錨桿施作等工序，施工進度進一步加快，同時總體施工成本也會降低。波紋板的另一個用途是作為隧道二襯結構。在波紋板與初支之間灌注混凝土，最終形成一個鋼混組合承載結構。利用波紋板自身承載能力與變形適應能力，不但可以降低二襯厚度，還可以防止出現(xiàn)傳統(tǒng)混凝土的易開裂、掉塊等問題。同時，波紋板作為二襯時，還可作為二襯模板使用。波紋板隧道支護結構見圖7。

圖6 隧道洞口波紋板防護及明洞結構

3.2.3 隧道病害加固

鐵路隧道襯砌結構開裂、掉塊、網裂、滲漏水、凍脹等病害嚴重威脅運行安全。受既有線天窗時間、隧道限界、施工工期、施工成本、隧道操作空間以及施工環(huán)境的限制，現(xiàn)有的整治方法往往達不到預期效果，導致隧道病害反復出現(xiàn)，難以根治。相對而言，采用波紋板套襯技術加固隧道具有一定的優(yōu)勢。波紋板自身厚度較小，可以應用于受隧道建筑限界限制、無法施作鋼筋混凝土套襯的地段；由于鋼結構為延性結構，可以將波紋板結構應用于隧道受凍脹力、地應力、膨脹力以及水壓力作用容易產生較大變形的地段；波紋板結構作為一種面狀結構，可以應用于隧道襯砌開裂變形且容易發(fā)生大面積剝落、掉塊的地段。同樣，波紋板作為面狀與延性結構，可以將集中荷載進行分散，利用自身的延性，起到緩沖作用，因此，波紋板可以應用于隧道襯砌背后存在較大空洞且容易發(fā)生落石沖擊襯砌的地段。除此以外，由于波紋板結構為預制裝配式結構，將其應用于隧道混凝土原材料、拌合用水缺乏的地段以及工期緊迫、應急搶險工程地段更加具有明顯優(yōu)勢。波紋板套襯加固隧道見圖8。

圖7 波紋板隧道支護結構

圖8 波紋板套襯加固隧道

4 結構設計

4.1 橋涵結構

波紋鋼板橋涵結構設計主要包含波紋管（板）材和連接件材料選擇、結構形狀設計、防腐蝕設計、結構與連接件受力檢算等。波紋管（板）橋涵主要受到填土荷載、施工車輛動荷載沖擊力、運營期動荷載以及經過涵管液體產生的內壓力作用，由于波紋鋼板橋涵結構需考慮與土的共同作用，受力較為復雜，除采用國外提出的理論設計方法進行設計驗算外，還需采用有限元軟件進行整體結構和穩(wěn)定分析。

目前，國外關于波紋管（板）的設計理論主要有美國鋼鐵協(xié)會環(huán)向壓力設計法、美國試驗與材料協(xié)會標準（ASTM A796/A796M）設計方法以及加拿大公路橋梁設計規(guī)范（Canadian Highway Bridge Design Code）的設計方法[8-10]。其中，美國鋼鐵協(xié)會環(huán)向壓力設計法提出一種環(huán)向壓力理論[8]。該理論認為：隨著上覆填土荷載的逐步增加，波紋管（板）涵洞通過擠壓四周土體獲得被動土壓力，波紋管（板）涵洞周圍土壓力分布趨于均勻化。該法主要核算波紋管（板）結構的管壁壓力限值。

美國試驗與材料協(xié)會標準（ASTM A796/A796M）設計方法[9]采用極限狀態(tài)控制設計，埋置波紋管（板）涵洞按照強度極限狀態(tài)進行組合，針對施工過程核算波紋管（板）結構的壁面積、壓曲、裂縫破壞及施工柔度限值。

加拿大公路橋梁設計規(guī)范（Canadian Highway Bridge Design Code）[10]中主要將最小覆土厚度、板壁環(huán)壓力、接縫強度、波紋管（板）屈曲作為驗算指標進行波紋管（板）橋涵結構設計。

除參照以上理論設計方法外，利用數(shù)值檢算方法，對施工車輛以及后期運營列車荷載進行結構承載力檢算[11]，對于掌握波紋管（板）橋涵的承載力具有重要意義。新建不同截面形式波紋板涵洞模型見圖9。

盡管國外已經頒布了波紋管（板）結構設計相關規(guī)范，但針對既有線病害橋涵波紋管（板）加固設計目前還未有相關設計規(guī)范，因此，對既有線橋涵加固設計可采用數(shù)值方法進行波紋板承載力檢算。波紋板加固涵洞數(shù)值檢算見圖10。

圖9 新建波紋板涵洞分析模型

4.2 隧道結構

采用波紋板作為隧道支護、加固及明洞結構時，可按照現(xiàn)有鐵路隧道設計規(guī)范中的“荷載-結構”或“地層-結構”法進行檢算。采用“地層-結構”模型時，必要時二者之間應建立接觸面模型，進而考慮波紋板與填充物之間的剪切效應；采用“荷載-結構”模型時，可利用剛度等效原理，將波紋板結構等效為單位長度的平板結構進行結構受力分析。檢算時還應考慮二襯是否失效，深、淺埋地段的檢算荷載應按照《鐵路隧道設計規(guī)范》[12]中的要求進行取值；膨脹巖、高地應力及高水壓等特殊地段，應根據(jù)實測荷載進行計算。波紋板隧道結構設計時需對板壁壓力、接縫強度、結構變形、波紋板屈曲、基礎承載力等指標進行檢算。檢算模型見圖11。

圖10 既有橋涵波紋管（板）承載力校核

圖11 波紋板加固隧道檢算模型

4.3 洞口防護結構

將波紋板用于隧道洞口防護明洞結構時，需要考慮結構自重荷載、落石沖擊荷載、風荷載、地震荷載作用下波紋板結構的受力及變形特征。目前，針對落石沖擊荷載作用下隧道結構的動力學響應，國內外研究人員相繼提出了一些計算方法[13]。日本道路協(xié)會通過落石自由落體試驗，分析了沖擊力試驗數(shù)據(jù)，結合Hertz彈性碰撞理論，提出了落石沖擊力理論計算方法；Labiouseetal通過落石自由落體沖擊試驗，提出了落石沖擊力經驗計算公式。此外，《鐵路工程設計技術手冊 隧道》中也規(guī)定了落石沖擊力的計算方法。由于波紋板為薄壁異型結構，采用傳統(tǒng)的計算公式無法真實地模擬結構受力，因此，需根據(jù)隧道洞口的具體情況，建立預制裝配式波紋板防護結構三維動力學計算模型，進而分析不同荷載組合下波紋板結構的整體安全性。動力學分析見圖12。

5 防腐技術

由于波紋管（板）結構主要材料為鋼材，其耐久性是影響推廣使用的重要因素。波紋管（板）結構作為埋置結構，受大氣、土壤以及地下水的侵蝕，必須與普通鋼制管道一樣做防腐處理，進而延長波紋管（板）結構的壽命。波紋管（板）除處于以上腐蝕環(huán)境外，在運輸與安裝過程中，防腐措施容易被破壞，因此，波紋管（板）防腐涂層的耐磨性也是一項較為重要的指標。

目前，美國鋼鐵協(xié)會、美國試驗與材料協(xié)會、加拿大鋼波紋管協(xié)會等對波紋管（板）的抗腐蝕技術進行了研究，并且提出了一系列防腐措施（見表1）[8-10]。

圖12 落石沖擊荷載下結構動力響應

表1 波紋管（板）防腐技術

上述防腐技術措施是近年來比較常用的波紋板防腐方法。每種方法都具有其局限性。鍍鋁涂層因為表面鍍鋁層的硬度不夠，常常導致由于施工過程中的刮蹭而破壞；熱浸鍍鋅的酸洗除銹會給防腐蝕留下隱患；涂裝聚合物涂層時也會因為硬度不夠和抗?jié)B透作用不強而產生脫落或者開裂問題；納米滲鋅耐強酸、強堿性相對較差。波紋板典型防腐技術見圖13。

總之，波紋板防腐蝕設計中應綜合考慮結構的使用功能要求、結構所處環(huán)境的腐蝕因子以及造價等因素，因地制宜地選擇防腐技術措施。

6 施工工藝

國內外新建波紋管（板）結構物的安裝技術主要是逐片拼裝或整環(huán)吊裝，施工機械主要為吊車與叉車，這在開闊地段施工較為方便，但將波紋管（板）應用到既有線涵洞、隧道的病害整治時，由于作業(yè)空間受限，采用常規(guī)施工方法已經無法滿足要求，因此，需要根據(jù)病害涵洞、隧道的實際情況，提出相適應的施工安裝方法。新建波紋管（板）結構施工工藝見圖14。

7 施工質量控制

波紋管（板）在出廠前，應進行廠內預拼裝，這樣不但可以保證波紋管（板）板件的尺寸精度，還可以保證現(xiàn)場安裝精度，提高安裝效率。波紋管（板）進場后，應對波紋管（板）板材、螺栓以及防腐涂層質量進行檢驗；波紋管（板）結構安裝過程中，還應對波紋管（板）連接螺栓的施工扭矩進行控制，并且按照相關要求進行抽檢，必要時應對接縫強度進行檢測[14-15]。波紋管（板）結構質量檢驗見圖15。

8 鐵路應用前景

圖13 波紋板典型防腐技術

圖15 波紋管（板）結構質量檢驗

目前，我國相關單位在既有隧道、涵洞病害整治方面進行了波紋管（板）結構技術的研究工作，并在部分鐵路隧道、涵洞病害整治中進行了試用，取得了良好的工程效果。今后隨著鋼材加工制造工藝特別是防腐技術的提高以及行業(yè)應用標準和規(guī)范不斷完善，波紋管（板）結構作為一種新的結構形式，以其良好的力學性能以及施工簡便、適應性強等特點，可以廣泛應用于新建鐵路小跨度橋梁、涵洞、隧道明洞、隧道支護、隧道洞口防護結構以及寒冷地區(qū)防風通道中，未來鐵路工程用波紋管（板）需求將大幅增長。此外，波紋管（板）技術對于推廣新技術、新結構、新產品的應用，促進新時期鐵路建設的健康可持續(xù)發(fā)展也具有重大現(xiàn)實意義，符合“綠色、循環(huán)、低碳”的交通建設要求，具有良好的社會效益和經濟效益。

9 結束語

（1）高強波紋管（板）結構強度大、承載力高，適應變形能力強，可廣泛應用于新建鐵路小跨度橋梁、涵洞、隧道明洞、隧道支護以及隧道洞口危巖落石防護結構，而且可以用于病害橋涵以及隧道整治。

（2）鐵路工程用波紋管（板）的應用應依據(jù)結構用途與功能，從承載力、耐久性、經濟性以及工期等角度出發(fā)，對波紋管（板）主體結構材料進行優(yōu)選，必要時還需考慮結構的絕緣性與螺栓的掉落問題，以免引發(fā)安全事故。

（3）目前我國公路行業(yè)制造的波紋管（板）防腐措施主要為簡易熱浸鍍鋅法，該工藝對環(huán)境污染嚴重，并且鍍層厚度和質量無法保證，嚴重影響波紋管（板）的使用壽命，因此，研究新型防腐涂層技術及工藝尤為必要。

（4）我國制造波紋管（板）的設備簡陋、自動化水平比較低，冷彎后的板材精度差，應加快波紋管（板）制造設備的研發(fā)，形成現(xiàn)代化的成型工藝及安裝設備。