公路鋼波紋管涵洞施工工藝及受力變形分析

■范必強(qiáng)

（福建省交通建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，福州 350000）

1 引言

店下互通D 匝道DK0+460 原設(shè)計(jì)為蓋板涵[（1～2）m×2 m，長(zhǎng)10 m]，由于工期較緊，施工期間多雨，為加快施工進(jìn)度，經(jīng)變更采用φ1～2 m 鋼波紋管涵，其為功能排水涵，涵長(zhǎng)10 m，入口與窨井相接，出口采用八字墻與改溝相接。 采用鋼波紋管涵洞代替混凝土涵洞具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）踐行“綠色公路、品質(zhì)工程”理念，減少了混凝土材料的使用，環(huán)保意義深遠(yuǎn)；（2）工廠集中化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，與蓋板涵相比，可大大縮短工期[1-4]；（3）適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)，對(duì)地基承載能力要求較低；（4）鋼波紋管涵分片拼裝成整體后安裝，施工標(biāo)準(zhǔn)化程度高[5-7]；（5）減少了沙石、水泥的用量，避免了礦石開采產(chǎn)生的環(huán)境破壞，有利于環(huán)保；（6）鋼波紋管涵后期只需涂刷乳化瀝青，養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便且易操作。

為了驗(yàn)證了鋼波紋管涵施工技術(shù)的可行性，本文總結(jié)了公路鋼波紋管涵施工技術(shù)要點(diǎn)，并通過在管內(nèi)不同角度設(shè)置應(yīng)變測(cè)試裝置分析施工過程中的受力變形特征， 同時(shí)對(duì)鋼波紋管的施工工藝、經(jīng)濟(jì)適用性也進(jìn)行了分析。

2 鋼波紋管涵施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 施工準(zhǔn)備

鋼波紋管涵材料加工廠家選定前應(yīng)考察廠家資質(zhì)及許可證件、近期供用業(yè)績(jī)、生產(chǎn)能力等，材料到場(chǎng)后應(yīng)提供產(chǎn)品合格證書、檢驗(yàn)報(bào)告等，并經(jīng)業(yè)主、 監(jiān)理及施工單位現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣送外委單位檢測(cè)，主要檢測(cè)指標(biāo)有：原材料力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率），鍍鋅防腐層質(zhì)量（鍍鋅附著量、鍍鋅層厚度），波紋管外觀尺寸（壁厚、波距、波高），以上指標(biāo)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求后方可正式開始安裝。

2.2 施工放樣

施工放樣應(yīng)注意：（1）測(cè)量?jī)x器、水準(zhǔn)點(diǎn)精度應(yīng)符合要求；（2）根據(jù)施工圖紙，精確放樣出鋼波紋管涵基坑開挖邊線，邊線采用白灰標(biāo)識(shí)，便于開挖人員施工，開挖到位后及時(shí)放樣出中線、邊線；（3）現(xiàn)場(chǎng)放樣結(jié)束后，按照?qǐng)D紙放出鋼波紋管涵洞基礎(chǔ)的中線和邊線。

2.3 基坑開挖

基坑開挖示意圖如圖1 所示， 開挖過程應(yīng)注意：（1）應(yīng)避免超挖，如超挖，應(yīng)及時(shí)將松動(dòng)部分清除；（2）基坑開挖后排水措施應(yīng)考慮到位，可采取四周開挖排水溝和集水井等措施， 及時(shí)引排積水，避免雨水浸泡而影響地基承載力；（3）基坑開挖到位后，應(yīng)進(jìn)行地基承載力檢測(cè)， 當(dāng)測(cè)試值小于設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地基處理，一般采用換填處理。

圖1 基坑開挖示意圖

2.4 基礎(chǔ)墊層

基礎(chǔ)墊層應(yīng)注意：（1）基礎(chǔ)應(yīng)分層進(jìn)行填筑，每層填筑厚度不宜超過20 cm， 逐層碾壓到位后檢測(cè)壓實(shí)度，符合要求后方可進(jìn)行下一層填筑，填筑至設(shè)計(jì)基礎(chǔ)頂標(biāo)高以下10 cm 時(shí)，采用級(jí)配良好的粗砂進(jìn)行填筑；（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基底地質(zhì)情況，若基底存在沉降情況， 考慮流水的要求和結(jié)構(gòu)的整體性，應(yīng)在基礎(chǔ)的頂部應(yīng)預(yù)留鋼波紋管涵長(zhǎng)的0.5%～1%預(yù)拱度，防止鋼波紋管涵洞中部產(chǎn)生較大凹槽，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)破損；（3）砂墊層應(yīng)采用機(jī)械進(jìn)行充分壓實(shí)，且壓實(shí)度不應(yīng)小于96%，防止鋼波紋管涵產(chǎn)生較大變形。

2.5 管身安裝

2.5.1 安裝前工作

管身安裝前應(yīng)檢查鋼波紋管材料在運(yùn)輸、搬運(yùn)過程是否存在損壞防腐涂層，若有應(yīng)涂刷防銹漆修補(bǔ)。 檢查鋼波紋管涵位置、中心軸線、基礎(chǔ)壓實(shí)后頂面的平整度和標(biāo)高及預(yù)拱度等是否滿足圖紙要求，當(dāng)不滿足要求時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，保證管身密貼砂礫墊層應(yīng)平順，使鋼波紋管與墊層緊密接觸，避免管道中部因填筑不密實(shí)而引起凹陷或逆坡。

管節(jié)拼裝時(shí)步驟如下（圖2）：（1）拼裝板片：拼裝板片應(yīng)先進(jìn)行圓周向拼裝再依次進(jìn)行軸向拼裝，圓周向板與板之間搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于50 mm；（2）拼裝環(huán)形圈：先拼裝管底第一塊板，然后兩側(cè)對(duì)稱由下往上依次采用階梯形拼接， 軸線搭接寬度為170 mm，螺栓套上墊圈由內(nèi)向外安裝入孔，并用扳手鎖緊螺母；（3）螺栓的扭矩檢測(cè)：管節(jié)拼裝完成后，隨機(jī)選取縱向接縫上2%的螺栓進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 鋼波紋管組裝

2.5.3 管壁涂刷瀝青

管節(jié)內(nèi)外管壁需加強(qiáng)防腐處理（圖3），一般可噴涂乳化瀝青或熱瀝青，瀝青總厚度應(yīng)不小于1 mm。

圖3 管節(jié)內(nèi)外管壁瀝青防腐處理

2.5.4 密封

波紋鋼板管涵拼裝時(shí)板與板之間搭接處采用專用密封膠條進(jìn)行密封，拼裝完成后，板與板縫隙處及螺栓連接處采用密封膠進(jìn)行處理，以免拼裝處出現(xiàn)滲水等現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全使用。

2.5.5 就位

鋼波紋管涵安裝后， 為確保中心軸線準(zhǔn)確，需進(jìn)行校正，可采用千斤頂進(jìn)行調(diào)整，頂升接觸面應(yīng)增設(shè)鋼板，加大接觸面防止造成頂升點(diǎn)變形。

金沙江地處滇西北三江并流區(qū)，流域面積廣，海拔高差顯著，支流眾多，氣候濕熱，降水充沛，植被覆蓋率高。金沙江良好的氣候條件及多樣的植被類型造就了該區(qū)豐富的物種多樣性。淡水真菌作為水體微生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，目前尚未有金沙江淡水真菌方面的相關(guān)研究。本項(xiàng)目采集金沙江不同海拔、不同河段的腐木進(jìn)行木生淡水真菌多樣性研究，了解該地區(qū)淡水真菌資源、多樣性特征及群落組成，為金沙江木生淡水真菌的保護(hù)與利用提供本底資料。

2.6 涵管兩側(cè)及頂部回填

涵管兩側(cè)及頂部回填應(yīng)注意：（1）鋼波紋管兩側(cè)應(yīng)對(duì)稱分層填筑施工，且每層填筑的厚度應(yīng)符合圖紙要求；（2）逐層檢測(cè)壓實(shí)度，符合要求方可繼續(xù)填筑，壓實(shí)度不小于96%；（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備小型夯實(shí)機(jī)械及振動(dòng)壓路機(jī)，管周兩側(cè)50 cm 范圍內(nèi)采用小型夯機(jī)進(jìn)行夯實(shí)， 同時(shí)應(yīng)避免夯機(jī)碰撞鋼波紋管，使其產(chǎn)生凹槽，影響結(jié)構(gòu)安全；對(duì)于距離鋼波紋管50 cm 外的區(qū)域可采用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行充分碾壓，確保壓實(shí)度符合圖紙或規(guī)范要求。 （4）鋼波紋管管頂填土高度小于50 cm 時(shí)，應(yīng)禁止振動(dòng)壓路機(jī)碾壓施工，同時(shí)禁止大型機(jī)械從管頂通過。 （5）回填之前，為防止鋼波紋管涵受壓變形，應(yīng)在管內(nèi)設(shè)置臨時(shí)十字支撐，待填土結(jié)束整體穩(wěn)定后方可拆去。

3 鋼波紋管涵洞受力變形分析

3.1 鋼波紋管涵洞受力分析

3.1.1 試驗(yàn)方案

依托工程為福建省沙埕灣A4 標(biāo)店下互通DK0+460 鋼波紋管涵，直徑2 m，波形參數(shù)為波距200 mm×波高55 mm，壁厚為4 mm，采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，并進(jìn)行鍍鋅防腐。 具體方案如下：（1）管內(nèi)應(yīng)變布置。 在路中位置以波峰、波谷為測(cè)試斷面，按照0°、90°、180°和270°的角度進(jìn)行布置 （圖4、5）。（2）測(cè)試工況。 鋼波紋管涵洞管頂以上采用壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，分層壓實(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，壓路機(jī)遠(yuǎn)離鋼波紋管，采用數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行測(cè)試。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工況如表1 所示。

圖4 應(yīng)變片布設(shè)平視示意圖

圖5 應(yīng)變片布設(shè)俯視示意圖

表1 測(cè)試工況

3.1.2 測(cè)試結(jié)果分析

（1）波峰隨填土高度變化的應(yīng)變規(guī)律。 由圖6可知：填土初期，各角度均為拉應(yīng)變；管頂填土為2.0 m 時(shí)，各角度應(yīng)變值波動(dòng)變化，這是由于管頂填土在1 m 內(nèi)， 為防止壓路機(jī)碾壓對(duì)鋼波紋管的破壞，未進(jìn)行碾壓，后期壓路機(jī)碾壓使得土層更密實(shí)，鋼波紋管受到力的作用引起的。 鋼波紋管涵洞在整個(gè)填筑過程中， 管頂0°和管底180°均為拉應(yīng)變；而管側(cè)90°和管側(cè)270°在管頂填土3.1 m 時(shí)轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，且管側(cè)270°＞管側(cè)90°。 整體上，鋼波紋管涵洞管底180°為最大拉應(yīng)變， 管側(cè)270°為最大壓應(yīng)變，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)。

圖6 波峰隨填土高度增加應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

（2）波谷隨填土高度變化的應(yīng)變規(guī)律。 由圖7可知： 波谷各角度應(yīng)變值在管頂填土2.0 m 以內(nèi)波動(dòng)變化，存在應(yīng)力的重新分配。 與波峰對(duì)比分析，波谷同一角度應(yīng)變屬性正好相反，說(shuō)明波峰與波谷有一定的互補(bǔ)性，鋼波紋管涵洞受力更加穩(wěn)定。

圖7 波谷隨填土高度增加應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

（3）波峰沿管周角度變化的應(yīng)變規(guī)律。 由圖8可知： 沿管周角度變化波峰應(yīng)變分為兩個(gè)階段：第一階段管頂填土高度小于2.0 m 時(shí)， 各角度均為拉應(yīng)變；第二階段管頂填土高度3.1 m 以上時(shí)，管頂0°為拉應(yīng)變，后在管側(cè)90°轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，而管底180°又轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變，后管側(cè)270°轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變。管側(cè)90°和管底180°存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且隨著角度的變化， 整體上存在拉應(yīng)變至壓應(yīng)變交替變化的過程。

圖8 波峰沿管周角度變化的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

（4）波谷沿管周角度變化的應(yīng)變規(guī)律。 由圖9可知： 隨管周角度變化波谷應(yīng)變同樣分為兩個(gè)階段：第一階段管頂填土高度小于2.0 m 時(shí)，各角度均為拉應(yīng)變；第二階段管頂填土高度3.1 m 以上時(shí)，與波峰變化規(guī)律正好相反， 波谷管頂0°為壓應(yīng)變，管周90°轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變， 管底180°轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變， 后管側(cè)270°又轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變；且隨著角度的變化，整體上存在壓應(yīng)變至拉應(yīng)變交替變化的過程。

圖9 波谷沿管周角度的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

3.2 鋼波紋管涵洞變形分析

3.2.1 變形觀測(cè)方案

對(duì)店下互通D 匝道樁號(hào)DK0+460 直徑2 m的鋼波紋管涵洞在拼裝及回填完成后變形情況進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)， 并依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管內(nèi)變形進(jìn)行分析。 鋼波紋管涵洞內(nèi)徑變形情況如圖10 所示。

圖10 鋼波紋管涵洞內(nèi)徑變形情況

3.2.2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)觀測(cè)記錄表，可知鋼波管組裝后內(nèi)徑變形均小于20 mm、 填土堆載后內(nèi)徑變形均小于40 mm，即滿足《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（第一冊(cè)土建工程）（JTG F80/1-2016）》規(guī)定的無(wú)預(yù)變形管涵內(nèi)徑允許偏差±1%、 有預(yù)變形管涵內(nèi)徑允許偏差±2%要求[8-9]。

4 工期及費(fèi)用對(duì)比

采用鋼波紋管涵洞代替混凝土結(jié)構(gòu)涵洞在節(jié)約工程造價(jià)的同時(shí)可以減少施工工期， 具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 通過對(duì)蓋板涵、鋼波紋管涵洞施工工藝、流程的不同，對(duì)跨徑10 m 的蓋板涵與其對(duì)應(yīng)鋼波紋管涵洞工期、造價(jià)進(jìn)行了計(jì)算，如表2 所示。

表2 混凝土蓋板涵與鋼波紋管涵施工費(fèi)用及工期對(duì)比

由表2 可知，鋼波紋管涵洞在滿足常規(guī)圬工涵洞適用功能的基礎(chǔ)上，10 m 跨徑鋼波紋管涵洞工程造價(jià)可以節(jié)省約9.3%，工期可以節(jié)約29.2%，鋼波紋管結(jié)構(gòu)涵洞的綜合效益較好。

表2 計(jì)算參數(shù)

5 結(jié)論

（1）鋼波紋管涵內(nèi)徑變形、路床頂彎沉檢測(cè)等均滿足設(shè)計(jì)要求， 且施工過程中未產(chǎn)生質(zhì)量問題，結(jié)構(gòu)安全可靠，進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼波紋管涵施工技術(shù)的可行性。 （2）施工過程中，鋼波紋管波峰和波谷規(guī)律相似，填土初期，各角度均為拉應(yīng)變；管頂填土2.0 m 時(shí)，各角度應(yīng)變值波動(dòng)變化，受力進(jìn)行了重新分布。 （3）管頂填土2.0 m 以內(nèi)，各角度應(yīng)變值波動(dòng)變化，存在應(yīng)力的重新分配。 此時(shí)鋼波紋管受力不均勻，施工時(shí)宜做好監(jiān)測(cè)。 （4）鋼波紋管涵采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，運(yùn)輸便捷、施工工藝簡(jiǎn)便，與鋼筋混凝土蓋板涵相比，在工程造價(jià)、施工工期、環(huán)保等方面均具有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊，推動(dòng)工程建設(shè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。