高填路基中裝配式波紋鋼箱拱型涵洞施工技術(shù)研究

尹云廳,盛興富,李 維,彭俊文,站福軍

（1.四川交投設(shè)計咨詢研究院有限責(zé)任公司,四川 成都 610041; 2.南京聯(lián)眾工程技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

目前，公路通道、箱涵以及中小橋梁工程，大部分是由鋼筋混凝土制成，但存在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造價很高，現(xiàn)澆施工養(yǎng)護周期長，預(yù)制結(jié)構(gòu)接縫多，接縫密封困難，在使用過程中易開裂、漏水，維護成本高，工程水泥、砂石用量大，不利于環(huán)保等問題，不符合國家現(xiàn)在積極倡導(dǎo)的綠色建筑和裝配式建筑政策[1]。

傳統(tǒng)的分片搭接結(jié)構(gòu)的圓形截面波紋鋼管，在歐美國家已有百余年的悠久歷史和成功應(yīng)用案例。該結(jié)構(gòu)是一種典型的柔性結(jié)構(gòu)，通過波紋鋼薄壁與土壤的相互作用，將結(jié)構(gòu)上部的荷載分散到周圍的土體上，以承受較大的活載和較高的填土[2]。

在國內(nèi)，關(guān)于傳統(tǒng)的分片搭接結(jié)構(gòu)的圓形截面波紋鋼管，進入21 世紀后，才逐步展開了公路波紋鋼結(jié)構(gòu)的理論和試驗研究，并發(fā)布了相關(guān)的產(chǎn)品標準。然而，國內(nèi)基本上都參照加拿大規(guī)范，并根據(jù)設(shè)計單位和制造商對這種結(jié)構(gòu)的認識和經(jīng)驗進行設(shè)計和施工。由于傳統(tǒng)的分片搭接結(jié)構(gòu)的圓形截面波紋鋼管漏水問題，自身結(jié)構(gòu)問題，無法預(yù)變形問題，圓形截面內(nèi)部空間利用限制問題，局部螺栓無法安裝問題，回填管理盲區(qū)問題以及市場管理問題[3]。在實際應(yīng)用中，出現(xiàn)了很多嚴重問題，致使多個省份禁用，嚴重制約了該類產(chǎn)品大規(guī)模的推廣和使用。

該文介紹了一種新型的裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及施工要點，希望可為實際工程應(yīng)用提供一種新型選材參考。

1 波紋鋼箱拱型涵洞概述

1.1 波紋鋼箱拱型涵洞發(fā)展簡況

波紋鋼埋置式結(jié)構(gòu)在歐美國家已有百余年的歷史和成功應(yīng)用案例，是一種典型的半柔性結(jié)構(gòu)，通過波紋鋼結(jié)構(gòu)與周圍土壤的相互作用（土結(jié)共同受力原理），以承受較大的活載和較高的覆土[4]。

波紋鋼箱拱型涵（隧道式）結(jié)構(gòu)，是在舊式結(jié)構(gòu)的圓形、拱型（馬蹄形）、大半圓形等多種開口截面與閉口截面結(jié)構(gòu)的波紋鋼管涵洞及通道基礎(chǔ)上，優(yōu)化升級換代的結(jié)構(gòu)及技術(shù)[5]，解決了舊式結(jié)構(gòu)在變形、漏水、耐久性等方面的缺陷，箱拱涵斷面發(fā)展變遷見圖1。

圖1 箱拱涵發(fā)展變遷圖

波紋鋼箱拱涵（隧道式）結(jié)構(gòu)具有矩形結(jié)構(gòu)物斷面的凈空空間優(yōu)勢，也具有圓形地下結(jié)構(gòu)的受力性能優(yōu)勢，高跨比可變，可用于高跨比較小的大型通道，也可用于高跨比較大的綜合管廊，多連孔結(jié)構(gòu)可替代中小型橋梁。

1.2 傳統(tǒng)的分片搭接波紋鋼管涵的問題

（1）傳統(tǒng)的分片搭接結(jié)構(gòu)的圓形截面波紋鋼管在防水密封方法上存在兩個技術(shù)難題或者說技術(shù)缺陷：①產(chǎn)品的連接方式都是搭接，搭接縫太多，很難密封。并且，搭接縫中間不能設(shè)止水墊片，否則會嚴重影響裝配。②螺栓孔全部為貫穿管壁的，幾乎無法有效密封。

（2）傳統(tǒng)的分片搭接結(jié)構(gòu)的圓形截面波紋鋼管對兩側(cè)楔形部位回填的密實度依賴性大，但相當(dāng)多的工程密實度達不到設(shè)計要求，且楔形部位回填密實時，管體滾動及上浮難以控制。楔形部位的回填非常重要，且是關(guān)鍵性工序，但充填的施工操作非常難，至今沒有合適的施工方法。

（3）傳統(tǒng)的分片搭接結(jié)構(gòu)的圓形截面波紋鋼管作為行車或人行通道時，其圓形斷面凈空利用率低，通行空間受限，很難用于跨度大于6 m 的通道及暗板橋。

（4）傳統(tǒng)的分片搭接結(jié)構(gòu)的圓形截面波紋鋼管安裝時，螺栓需要從管內(nèi)穿向管外，螺母在管外擰緊，但底部螺栓的管外是地基，無操作空間[6]。

1.3 裝配式波紋鋼箱拱涵洞性能優(yōu)勢

（1）裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結(jié)構(gòu)下部及標準節(jié)段之間的連接，采用法蘭對接連接型式（螺栓不貫穿結(jié)構(gòu)體內(nèi)外），非傳統(tǒng)板片搭接連接型式（螺栓貫穿結(jié)構(gòu)體內(nèi)外），再通過布設(shè)密封墊、防水布及防水涂料等多重密封方式，用以解決傳統(tǒng)圓形截面波紋鋼管結(jié)構(gòu)漏水問題。

（2）裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結(jié)構(gòu)底部充填流態(tài)自密實水泥固化土，用以解決傳統(tǒng)圓形截面下部楔形關(guān)鍵部位回填密實度不達標問題。

（3）裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結(jié)構(gòu)截面為箱拱型斷面型式，通道內(nèi)部凈空間利用率及通行凈寬與凈高得以提高，具有矩形結(jié)構(gòu)物斷面的凈空空間優(yōu)勢。

（4）裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結(jié)構(gòu)可以根據(jù)跨度和填土高度及回填介質(zhì)情況，在產(chǎn)品制造時設(shè)置預(yù)變形量。

2 工程項目應(yīng)用

四川成綿高速公路土建2 標施工范圍為K55+000~K66+100，全長11.1 km，其中高速范圍內(nèi)共有橋梁17 座，包括大橋11 座，中橋6 座；涵洞32 道，通道47 道。其中15 道為鋼波紋管涵，涵洞孔徑為2~6 m，管頂填土高度為1~45 m。其中K57+415 通道采用1-4×4 m 波紋鋼箱拱型通道，如圖2 所示。該路段部分地形較為復(fù)雜，溝壑縱橫，高填深挖較多，傳統(tǒng)的蓋板涵受覆土高度限制，不適合該項目高填路基段采用，而鋼筋混凝拱涵對施工要求高、后期病害多已基本不再使用。

圖2 1-4×4 m 裝配式波紋鋼箱拱型通道

對高填通道可供選擇的結(jié)構(gòu)形式有傳統(tǒng)的圓形波紋鋼管涵（涵底水泥土鋪平）、新型裝配式波紋鋼箱拱涵（隧道式）涵洞。通過以上結(jié)構(gòu)形式對比分析，本著標準化、裝配化原則，該項目涵洞選型原則如下：

（1）過水涵洞選用增加塑料陶瓷層的波紋鋼箱拱涵（隧道式）。

（2）低填土路基段，受箱拱涵凈高要求，不宜采用箱拱涵，采用蓋板涵。

（3）填土不受控地段的通道均采用裝配式波紋鋼箱拱涵（隧道式）。

3 裝配式波紋鋼箱拱涵施工要點

3.1 基礎(chǔ)施工

根據(jù)設(shè)計圖紙，施工單位放線測量員給出起始樁號線與中心軸線方向標記。澆筑墊層前（施工單位基坑開挖深度按圖保質(zhì)完成），布置墊層內(nèi)施工抗浮拉筋，澆筑流態(tài)固化水泥土至設(shè)計標高，保證墊層表面平整度。

3.2 波紋鋼箱拱涵主體結(jié)構(gòu)施工

施工順序為底板安裝→側(cè)板安裝→頂板安裝→節(jié)間拼接→底板與墊層間空隙流態(tài)固化水泥土澆筑→行車及排水通道設(shè)置→洞口施工。

（1）底板吊裝：①吊裝時做好防護措施，起吊和平移應(yīng)緩慢。將底板豎直下吊至墊層。②底板下部兩側(cè)調(diào)平塊下放置磚塊（MU30）墊平，前后側(cè)中心位置下放置磚或木板微調(diào)高差，底板吊裝放置于磚塊上，通過激光水平儀測量底板標高及底板兩端節(jié)間連接法蘭孔中心與軸向中心線對齊。③在底板與波紋法蘭連接面位置鋪設(shè)密封墊。

（2）側(cè)板吊裝：①豎直吊起側(cè)板，側(cè)板上焊接的波紋式法蘭面直接對接底板。②通道側(cè)板與底板用M24 螺栓固定（螺栓初擰）。③側(cè)板與底板夾角處設(shè)置支撐，支撐上螺栓孔與側(cè)板、底板端部螺栓孔栓接防止傾倒。

（3）頂板吊裝：①頂板下吊方式與底板一致，只需注意板片拱向與底板相反。通道頂板與側(cè)板用M24 螺栓固定（螺母在通道內(nèi)側(cè)且螺栓初擰）。螺栓未初擰前禁止松開吊索，確保吊裝安全。②拆除兩端頭支撐，組裝完成后進行外形校正，校正完畢后，所有縱向螺栓終擰。③通道用“八”字型或“火”字型拉索定型，拉索在施工回填至頂部填土＞0.5 m 時拆除。④在單節(jié)通道螺栓全部擰緊后，在通道外側(cè)螺栓、螺柱孔及通道外側(cè)頂板分片搭接縫、頂板與側(cè)板搭接縫處使用自粘塑料貼膜密封（防水層寬出搭接縫5 cm）；然后在底板外側(cè)焊接施工抗浮拉筋，墊層拉筋與對應(yīng)位置的底板上預(yù)焊的焊釘對焊。

（4）節(jié)間拼接：①鋪設(shè)環(huán)向密封墊，環(huán)向密封墊鋪設(shè)成密閉整環(huán)。②按上述步驟3~6 依次完成第二節(jié)、第三節(jié)……拼裝，節(jié)間環(huán)向螺栓擰緊。

（5）底板與墊層間空隙流態(tài)固化水泥土澆筑：待通道安裝完成后在通道外部做淋水實驗，找出漏點且補漏合格后方可實施底部填充等后續(xù)工序。按設(shè)計要求立模并控制模板邊界，澆筑流態(tài)固化水泥土，待流態(tài)固化水泥土與底板外側(cè)完全密實即可。

3.3 回填工程

通道兩側(cè)及頂部回填前，應(yīng)清除回填區(qū)植被、有機土壤、松散沉積物和粒徑大于80 mm 的卵礫石；結(jié)構(gòu)性回填應(yīng)分層水平對稱填筑，壓實厚度不得超過20 cm。填筑應(yīng)在通道兩側(cè)同時進行，兩側(cè)高差不得大于20 cm，并嚴密監(jiān)測通道變形。壓實度應(yīng)滿足相關(guān)設(shè)計要求，且壓實度應(yīng)不小于96%。

底板外側(cè)楔形部位的填料應(yīng)與結(jié)構(gòu)緊密壓實，根據(jù)不同覆土高度采用流態(tài)固化水泥土和C30 混凝土填充。

4 施工注意事項

4.1 密封設(shè)計

（1）該結(jié)構(gòu)防水設(shè)計應(yīng)綜合考慮氣候條件、水文地質(zhì)狀況、結(jié)構(gòu)特點、施工方法和使用條件等因素，并滿足結(jié)構(gòu)的安全、耐久性和使用要求。

（2）結(jié)構(gòu)現(xiàn)場拼接的連接縫，頂板與側(cè)板采用自身板片搭接螺栓擰緊后，在通道外側(cè)螺栓、螺柱孔及通道外側(cè)頂板與側(cè)板的接縫處使用自粘塑料貼膜密封（防水層寬出搭接縫5 cm）。

（3）側(cè)板與底板之間和節(jié)與節(jié)之間利用螺栓和法蘭壓緊橡膠密封墊的密封方式。

（4）通道角部縱向接縫與節(jié)間環(huán)向接縫的交叉點的通道外部底板上最鄰近波槽的外端設(shè)置堵板，向波槽內(nèi)澆筑非固化橡膠瀝青防水材料，其液面應(yīng)高于上述交叉點。

4.2 耐久性設(shè)計

熱浸鍍鋅防腐方式適合于合國家標準《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021）的規(guī)定微腐蝕、弱腐蝕和中等防腐等級。

低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的波紋鋼結(jié)構(gòu)墻板以及高強度螺栓、螺母、墊塊等，出廠前宜進行熱浸鍍鋅防腐處理；熱浸鍍鋅所用的鋅應(yīng)為GB/T 470 規(guī)定的1 號鋅或0 號鋅，鋼表面處理的最低等級為Sa2.5，熱浸鍍鋅防腐設(shè)計除應(yīng)符合國家標準《金屬覆蓋層 鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術(shù)要求及實驗方法》（GB/T 13912）的規(guī)定，尚應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 熱浸鍍鋅質(zhì)量要求

5 施工驗收要點

5.1 一般規(guī)定

裝配式波紋鋼箱拱型通道主體結(jié)構(gòu)分部工程質(zhì)量應(yīng)符合下列規(guī)定：①各分項工程質(zhì)量均應(yīng)符合合格質(zhì)量標準。②質(zhì)量控制資料和文件應(yīng)完整。③有關(guān)安全及功能的檢驗和見證檢測結(jié)果應(yīng)符合合格質(zhì)量標準的要求。④有關(guān)觀感質(zhì)量應(yīng)符合合格質(zhì)量標準的要求。

5.2 基礎(chǔ)工程驗收

裝配式波紋鋼箱拱型通道基礎(chǔ)處理應(yīng)密實、無積水，地基承載力、壓實度、縱斷高程、軸線偏位以及寬度的檢查數(shù)量、檢查方法以及允許偏差應(yīng)滿足表2 的要求，其中地基承載力、壓實度、縱斷面高程以及軸線偏位為主控項目，其他為一般項目。

表2 裝配式波形鋼箱拱型通道基礎(chǔ)檢查項目及要求

5.3 結(jié)構(gòu)拼裝工程

裝配式波紋鋼箱拱型通道安裝外觀質(zhì)量驗收標準應(yīng)符合下列要求：①裝配式波紋鋼箱拱型通道整體順直、無彎曲。②管壁不得有裂紋、凹陷、鼓包、劃痕等缺陷。③法蘭連接嚴密、平整。④涂層應(yīng)無漏涂，且表面光滑、連續(xù)、均勻，無肉眼可見的空隙、裂縫、脫皮、破損等缺陷。⑤管壁無污染。裝配式波紋鋼箱拱型通道尺寸及其允許偏差應(yīng)符合表3~5 的規(guī)定，其中軸線偏位、結(jié)構(gòu)底高程、結(jié)構(gòu)水平向、結(jié)構(gòu)鉛垂向以及螺栓擰緊力矩為主控項目，其他為一般項目。

表3 裝配式波形鋼箱拱型通道結(jié)構(gòu)尺寸及允許偏差

表4 裝配式波形鋼箱拱型通道法蘭連接螺栓擰緊力矩

表5 裝配式波形鋼箱拱型通道搭接連接螺栓擰緊力矩

5.4 防水工程

裝配式波紋鋼箱拱型通道密封材料的性能指標應(yīng)符合本規(guī)程和現(xiàn)行國家標準《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB50838）的有關(guān)規(guī)定。密封檢查及其允許偏差應(yīng)符合表6 的規(guī)定，其中縱向拼接間隙、節(jié)間拼接間隙為主控項目，其他為一般項目。

表6 密封檢查項目及允許偏差

5.5 防腐工程

裝配式波紋鋼箱拱型通道防腐工程檢查項目及允許偏差應(yīng)符合表7 的規(guī)定，其中鍍鋅層厚度是主控項目，其他為一般項目。

表7 防腐工程檢查項目及允許偏差

5.6 回填工程

裝配式波紋鋼箱拱型通道基槽回填每層填料無超設(shè)計要求的粒徑，每層碾壓應(yīng)平整、密實。回填檢查項目及允許偏差應(yīng)符合表8 的規(guī)定，其中密實度、最小覆土厚度為主控項目，其他為一般項目。

表8 回填工程檢查項目及允許偏差

6 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延性，抗拉、抗壓、抗剪強度高，結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重輕，裝配化施工速度快。裝配式波紋鋼箱拱型涵洞結(jié)構(gòu)就是一種典型的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用，在功能上能解決傳統(tǒng)圓形截面的波紋鋼管的變形、漏水等問題。波紋鋼箱拱型通道結(jié)構(gòu)內(nèi)部凈空利用率高，裝配式施工工期短，經(jīng)濟性好，應(yīng)用前景廣闊，特別在高填方路段相較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有明顯經(jīng)濟優(yōu)勢[7]。可通過在部分項目上建設(shè)樣品工程，現(xiàn)場實驗結(jié)合理論研究完成相關(guān)參數(shù)及標準體系的建設(shè)，逐步擴大綠色裝配鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。