鋼波紋管涵洞通道在老谷高速公路中的應(yīng)用

董世賦，楊 芬，薛家偉，李 新

1.湖北省城建設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051

2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051

1 高速公路涵洞通道工程概況

隨著國(guó)家高速公路建設(shè)的發(fā)展以及鋼結(jié)構(gòu)制造工藝和防腐技術(shù)的不斷提高，鋼波紋管涵在高速公路中的應(yīng)用日益增加，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

湖北省老谷高速公路起點(diǎn)位于湖北省紀(jì)洪崗東側(cè)鄂豫省界，終點(diǎn)與漢十高速相接，全長(zhǎng)39.3km，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為100km/h，路基寬度為26m。因?yàn)榻ㄔO(shè)工期緊，當(dāng)?shù)卦牧先狈?，且運(yùn)距較遠(yuǎn)、運(yùn)輸不方便，所以谷城段原設(shè)計(jì)鋼筋混凝土涵洞通道成為制約全線按時(shí)建成通車的一個(gè)關(guān)鍵因素。經(jīng)研究論證，決定將部分鋼筋混凝土涵洞通道變更為鋼波紋管涵洞通道。

2 鋼波紋管涵洞通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

該工程鋼波紋管涵洞通道采用整體式和分片拼裝式波紋管兩種形式。涵洞通道為低填土，分單孔和雙孔并排設(shè)置，排水涵洞孔徑分為1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m共6種，總計(jì) 15 道；排水兼通行通道孔徑分為 6m、7m、7.5m、8m、8.5m、9m共6種，總計(jì)18道。斜交角度包含正交90°，斜交95°、120°、125°和135°。波紋管采用圓管形截面，內(nèi)徑≤2m時(shí)采用整體式波紋管；內(nèi)徑為2.5～9m時(shí)采用分片拼裝式波紋管；內(nèi)徑≤4m時(shí)，波距×波高=200mm×55mm；內(nèi)徑為6～9m時(shí)，波距×波高=300mm×110mm。

波紋鋼管（板）材料采用Q235A鋼材，波紋鋼板件連接件采用M22高強(qiáng)螺栓，洞口設(shè)置端墻和八字墻，基礎(chǔ)采用級(jí)配良好的砂礫，兩側(cè)采用天然砂礫回填。

2.2 最小填土厚度驗(yàn)算

為了保證鋼波紋管結(jié)構(gòu)頂土拱穩(wěn)定性，同時(shí)避免集中荷載直接作用在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)頂填土最小厚度。該工程涵洞通道為低填土，為了保證結(jié)構(gòu)安全，最小填土厚度按≥1500mm控制，設(shè)計(jì)中最小填土厚度Hmin取式（1）的較大值。

式中：dh、dv分別為波紋鋼管（板）有效跨度和有效矢高（按波紋鋼板軸線計(jì)算），對(duì)于圓管式波紋管，有dh=dv。

按式（1）計(jì)算，可得內(nèi)徑≤4m、波距×波高=200mm×55mm時(shí)，最小填土厚度取1.5m；內(nèi)徑為6～8m、波距×波高=300mm×110mm時(shí)，最小填土厚度取1.5m；內(nèi)徑為9m、波距×波高=300mm×110mm時(shí)，最小填土厚度取1.52m。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

按照湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路波紋鋼埋置式橋涵設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（DB42/T 1195—2016）進(jìn)行鋼波紋管設(shè)計(jì)及驗(yàn)算，設(shè)計(jì)方法適用范圍如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)方法適用范圍 單位：mm

結(jié)合波紋管結(jié)構(gòu)類型及跨徑，采用極限狀態(tài)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算。設(shè)計(jì)作用如下：永久作用考慮結(jié)構(gòu)頂部所有回填自重，含路基路面；可變作用考慮營(yíng)運(yùn)階段和施工階段車輛荷載作用；偶然作用考慮地震作用。極限狀態(tài)驗(yàn)算主要內(nèi)容如下。

以上各式中參數(shù)意義及取值見《公路波紋鋼埋置式橋涵設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（DB42/T 1195—2016），根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)并參考廠家提供的產(chǎn)品規(guī)格選取波距、波高、壁厚等參數(shù)，結(jié)合填土高度進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，從而確定波距、波高、壁厚及螺栓連接等設(shè)計(jì)參數(shù)。以K21+965單孔8m通道為例，波紋管采用Q235A鋼材，內(nèi)徑為8m，經(jīng)計(jì)算后選定波距為300mm，波高為110mm，壁厚為7.5mm。鋼波紋管通道立面圖如圖1所示。

圖1 鋼波紋管通道立面圖（單位：標(biāo)高以m計(jì)，其余為cm）

通道基礎(chǔ)采用級(jí)配良好的砂礫，壓實(shí)度不小于96%，兩側(cè)回填采用天然砂礫，填土分層對(duì)稱夯實(shí)，壓實(shí)度不小于96%。洞身斷面及回填示意圖如圖2所示。

圖2 通道洞身斷面及回填示意圖（單位：cm）

耐久性設(shè)計(jì)：鋼波紋管內(nèi)外兩面和緊固連接件等進(jìn)行鍍鋅防腐處理，單面鍍鋅層厚度≥84μm，波紋鋼板件、法蘭盤和管箍單面附著量≥600g/m2，螺栓、螺母單面附著量≥350g/m2，內(nèi)外壁均勻噴涂2遍乳化瀝青，接縫進(jìn)行密封防水防腐處理。

2.4 通道路面及排水涵設(shè)計(jì)

通道內(nèi)路面通行凈空及排水涵尺寸以不低于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為原則，K21+965通道內(nèi)路面及排水涵構(gòu)造如圖3所示。通行凈寬×凈高=6m×5m，路面結(jié)構(gòu)采用25cm厚C30混凝土路面+20cm厚水泥穩(wěn)定碎石，兩側(cè)設(shè)置C30混凝土防撞墻，排水涵尺寸為2m×1m，排水涵蓋板為C30混凝土預(yù)制蓋板，基座為現(xiàn)澆C30混凝土。

圖3 通道內(nèi)路面及排水涵構(gòu)造圖（單位：cm）

鋼波紋管涵洞通道設(shè)計(jì)包括選型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐久性設(shè)計(jì)、洞口設(shè)計(jì)、地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等，各涵洞通道均進(jìn)行單獨(dú)的結(jié)構(gòu)計(jì)算和驗(yàn)算，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。完工后的鋼波紋管涵洞通道如圖4所示。

圖4 鋼波紋管通道

3 鋼波紋管涵洞通道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鋼波紋管涵洞通道主要設(shè)計(jì)流程如下：確定結(jié)構(gòu)類型、形狀和尺寸→分析設(shè)計(jì)因素→確定并驗(yàn)算最小填土厚度→確定構(gòu)造要求→確定設(shè)計(jì)方法→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算→確定設(shè)計(jì)參數(shù)→耐久性設(shè)計(jì)→洞口設(shè)計(jì)→地基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下。

（1）布設(shè)原則：遵循因地制宜、滿足功能、方便施工的原則，綜合考慮地形地貌、地質(zhì)、路基填高、施工條件和養(yǎng)護(hù)等合理布設(shè)。合理選擇涵洞形式及材料，根據(jù)水文計(jì)算選定孔徑。

（2）結(jié)構(gòu)性回填：為了保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和發(fā)揮土-結(jié)構(gòu)相互作用，波紋管周邊結(jié)構(gòu)性回填材料應(yīng)具有良好的透水性，結(jié)構(gòu)性回填區(qū)域應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，回填應(yīng)對(duì)稱分層夯實(shí)。

（3）最小填土厚度：應(yīng)驗(yàn)算營(yíng)運(yùn)車輛荷載、施工荷載或特殊荷載作用下的最小填土厚度，保證結(jié)構(gòu)頂填土厚度滿足要求。

（4）應(yīng)選用合理的設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)算，通過計(jì)算確定波形、壁厚等設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)需驗(yàn)算波紋鋼管或板件在運(yùn)輸及安裝過程中的最大柔度。

（5）雙孔并列設(shè)置：雙孔并列設(shè)置時(shí)，應(yīng)合理確定相鄰孔間的最小凈距，相鄰孔的間隙應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性回填，分層夯實(shí)。

（6）耐久性設(shè)計(jì)：鋼板及配件整體應(yīng)具有足夠的耐腐蝕性和磨蝕能力，波紋管及其緊固連接件等均須進(jìn)行防腐處理，接縫應(yīng)進(jìn)行密封防水防腐處理。

（7）斜交及洞口處理：斜交時(shí)宜采用斜交正做方式。當(dāng)采用直立式或削竹式洞口與路線斜交時(shí)，可將洞口附近的邊坡做歪斜處理，邊坡坡頂適當(dāng)加寬形成一個(gè)平坦或陡坡較緩的平臺(tái)，以避免洞口兩側(cè)回填的不平衡。

（8）應(yīng)根據(jù)涵底縱坡和地基預(yù)期最大變形合理確定設(shè)置預(yù)拱度，預(yù)拱度宜采用涵長(zhǎng)的0.5%～1%。

（9）地基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)：地基應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和相對(duì)均勻性，軟土地基應(yīng)先進(jìn)行地基處理再填筑管基。

4 鋼波紋管涵洞通道施工要點(diǎn)

鋼波紋管涵洞通道施工主要流程如下：材料、設(shè)備就位→施工放樣→基礎(chǔ)開挖→整平、壓實(shí)→設(shè)置縱坡、預(yù)拱度→結(jié)構(gòu)安裝→密封及防腐處理→回填→進(jìn)出口處理。

（1）地基施工：基坑開挖后不得長(zhǎng)期暴露、擾動(dòng)或浸泡，基坑尺寸、高程經(jīng)檢查符合要求后及時(shí)進(jìn)行管基填筑和基礎(chǔ)施工。

（2）管基和基礎(chǔ)施工：按設(shè)計(jì)要求鋪筑管基。管基鋪筑時(shí)應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，基礎(chǔ)最小厚度和寬度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）結(jié)構(gòu)安裝：裝卸和運(yùn)輸過程中應(yīng)采取措施避免破壞鋼波紋管表面涂層。拼裝前準(zhǔn)確標(biāo)記，建議從底拱開始，再到側(cè)面，最后到拱頂，對(duì)稱拼裝。結(jié)構(gòu)安裝建議在廠家的指導(dǎo)下進(jìn)行，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

（4）回填：閉口式波紋管拱下方或多管結(jié)構(gòu)之間的楔形區(qū)域的填料應(yīng)與結(jié)構(gòu)緊密壓實(shí)，可采用人工作業(yè)或水密法并使用振蕩器振實(shí)?；靥顟?yīng)分層水平均勻填筑，松鋪厚度建議不超過200mm。填筑應(yīng)在結(jié)構(gòu)兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行，兩側(cè)高差建議不大于300mm。結(jié)構(gòu)頂部最小填土厚度范圍以內(nèi)應(yīng)按結(jié)構(gòu)性回填區(qū)要求施工，未達(dá)到最小填土厚度前嚴(yán)禁任何車輛和機(jī)械在其上方作業(yè)。

（5）施工變形監(jiān)測(cè)：鋼波紋管施工全過程需對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力及變形等監(jiān)測(cè)，確保工程質(zhì)量安全。每節(jié)波紋板拼裝完成后，應(yīng)對(duì)管徑進(jìn)行跟蹤測(cè)量。臺(tái)背回填和涵頂路基填筑過程中應(yīng)做好管身的變形監(jiān)測(cè)。

（6）質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：涵洞現(xiàn)場(chǎng)施工中土建部分驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可參照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2017），結(jié)構(gòu)性回填區(qū)以外回填土的驗(yàn)收納入路基工程中。回填及壓實(shí)要求應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，并進(jìn)行鋼波紋管材料檢驗(yàn)、安裝檢驗(yàn)及形狀檢驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

老谷高速公路采用鋼波紋管涵洞通道代替鋼筋混凝土涵洞通道，克服了工期要求緊、原材料緊缺、運(yùn)距長(zhǎng)、運(yùn)輸不便等困難，加快了工程建設(shè)進(jìn)度，體現(xiàn)了較大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。涵洞通道施工完成后驗(yàn)收合格，使用情況良好。該工程的實(shí)施為鋼波紋管涵洞通道在高速公路中的應(yīng)用積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)，為同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供了一定的參考。