孫伯文 李祝龍 劉洪林

1 概述

鋼波紋涵洞是采用波紋狀鋼管或由波紋狀弧形板通過連接、拼裝形成的一種涵洞形式。美、加、日、韓等國在這一領(lǐng)域開展了大量研究和應(yīng)用,并制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范[1]。非洲多數(shù)國家也大量使用鋼波紋管涵洞。我國在解放前也曾在多條公路中使用波紋管涵洞,但由于鋼材短缺,之后未能得到廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)末,我國已經(jīng)在小孔徑公路鋼波紋管涵洞方面開展了部分研究工作,1997年～1999年在青藏公路修建小孔徑波紋管試驗(yàn)涵,并初步研究了小孔徑波紋管涵洞的受力特征[5]。

經(jīng)調(diào)研,國外研究主要側(cè)重在防腐跟蹤分析。鋼波紋管波形設(shè)計(jì)和受力計(jì)算等技術(shù)多為生產(chǎn)公司所掌握,不對(duì)外公開。而國內(nèi)正面臨大量生產(chǎn)及應(yīng)用鋼波紋管涵洞,但尚未開展關(guān)于其受力特征、防腐性能及設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)方面的系統(tǒng)研究[4]。

由于軸向波紋的存在使其具有徑向剛度大,軸向柔性大,抗彎抗裂的優(yōu)良受力特征,具有很強(qiáng)的適應(yīng)地基與基礎(chǔ)變形的能力,可以解決因地基基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致的涵洞破壞問題。在軟土、膨脹土、濕陷性黃土、多年凍土等不良工程巖土地區(qū),高填方路基沉降路段,具有抗涵洞開裂破壞的優(yōu)勢(shì)[7]。還可取代大體積圬工、混凝土結(jié)構(gòu),減少石方開采山體破壞,利于環(huán)保;并且施工便捷快速,主體結(jié)構(gòu)可重復(fù)利用,在道路搶修、抗災(zāi)搶險(xiǎn)、臨時(shí)便道、地下工程安全支護(hù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 河北省特征及鋼波紋管涵洞的壽命

2.1 河北省特征及土壤概況

河北省內(nèi)有壩上高原、燕山和太行山地、河北平原三大地貌單元,是中國唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊、海濱的省份。省內(nèi)氣候特征差異明顯,特殊巖土分布較廣,類型也較多,主要有:北部山區(qū)的局部多年凍土、東部沿海的沖積軟土、南部的膨脹土、西部的黃土,此外還有局部地區(qū)的粉土以及易液化的砂土,濕地的泥沼,局部區(qū)域的鹽漬土,個(gè)別地區(qū)還存在一定的巖溶、煤礦塌陷等可能性。河北北部的多年凍土(如果仍存在)呈退化趨勢(shì),季節(jié)凍土的歷年平均最大凍土深度變化呈減小趨勢(shì)。我省西部、北部為多山,南部大面積平原,東部沿海,特有的地形、地貌及巖土特征使公路建設(shè)面臨不同的需求,更加顯現(xiàn)出鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。河北省土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜,河北土壤類型較多,包括21個(gè)土類、55個(gè)亞類,土壤 pH值 6.5～7.5的占 32.1%,7.5～8.5的占56.4%。潮土面積占全省面積的25%左右。鋼波紋管涵洞,外側(cè)主要為土壤腐蝕,內(nèi)側(cè)主要為水腐蝕和大氣腐蝕。以滄州地區(qū)土壤為例(河北省典型腐蝕土壤之一),土壤中影響腐蝕的主要因素為氯化物、全鹽和電阻率等,以各點(diǎn)土壤的鹽分與氯離子含量為指標(biāo),土壤大體分為濱海中度～重度鹽化土壤、輕鹽化潮土和潮土三種類型;近海的港城等處于強(qiáng)腐蝕性土壤中,部分土壤的腐蝕性較強(qiáng)～中等。

2.2 鋼波紋管涵洞的防腐及壽命

美國鋼鐵學(xué)會(huì)以16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鍍鋅610 g/m2覆蓋層的鋼波紋管為基礎(chǔ)研究得出以電阻率和pH值預(yù)測(cè)服務(wù)壽命的方法。

國外鋼波紋管涵洞的防腐蝕方法,主要包括金屬覆蓋層和非金屬覆蓋層,種類較多,也相應(yīng)得出了其使用指南和壽命。國外鋼波紋管涵洞的壽命一般在50年以上,也存在一些使用70年以上的,個(gè)別預(yù)估壽命100年。

綜合分析現(xiàn)有國內(nèi)防腐技術(shù),雖然距離國外防腐技術(shù)存在一定差距,但采用推薦的防腐方案(后文)后,一般地區(qū)的鋼波紋管涵洞的壽命應(yīng)達(dá)到20年～30年以上。如果考慮鋼波紋管涵洞防腐的養(yǎng)護(hù)(大修、二次防腐)、設(shè)計(jì)厚度腐蝕富余量等,鋼波紋管涵洞的耐腐蝕壽命也可達(dá)到50年(或以上)。

3 鋼波紋管涵洞的適應(yīng)范圍、使用條件和選用原則

鋼波紋管涵洞的使用條件應(yīng)滿足:1)相應(yīng)波形必須具有足夠的壁厚,確保鋼波紋管結(jié)構(gòu)在受荷時(shí)最大應(yīng)力低于鋼結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力(或屈服應(yīng)力);2)鋼波紋管的防腐處理必須不低于后文防腐蝕推薦標(biāo)準(zhǔn),以確保一定年限內(nèi)鋼波紋管涵洞具有足夠的耐腐蝕能力,鋼板壁厚應(yīng)適當(dāng)考慮防腐富裕量[8];3)鋼波紋管應(yīng)能夠承受標(biāo)準(zhǔn)荷載引起的變形,不致產(chǎn)生非線性破壞。

鋼波紋管涵洞的選用應(yīng)遵循適用、安全、經(jīng)濟(jì)的原則,在滿足功能需求基礎(chǔ)上充分發(fā)揮鋼波紋管結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持因地制宜、發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、不盲目使用的原則。

下列地區(qū)宜優(yōu)先考慮鋼波紋管涵洞:

1)不良巖土地基的涵洞,包括多年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等;2)缺乏人力資源或高危險(xiǎn)、高原缺氧地區(qū)等工程;3)砂石資源缺乏地區(qū)及水泥、鋼材等運(yùn)距較遠(yuǎn)的邊遠(yuǎn)地區(qū);4)為加快施工進(jìn)度、達(dá)到快速通車目的的應(yīng)急搶險(xiǎn)、救災(zāi)等工程。

下列情況應(yīng)慎重使用:1)高速公路重要路段或維護(hù)困難路段。鋼波紋管涵洞為鋼結(jié)構(gòu),必然存在腐蝕的可能,高速公路對(duì)路基和涵洞的壽命周期要求較高,這樣必須考慮防腐養(yǎng)護(hù),在養(yǎng)護(hù)管理困難路段應(yīng)慎重使用。2)泥石流堆積扇或排泄砂石流量大、流速高的區(qū)段。這些區(qū)段泥砂或砂石的沖刷將形成對(duì)防腐材料或鋼結(jié)構(gòu)的磨蝕,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視,必要時(shí)應(yīng)針對(duì)具體情況進(jìn)行防腐獨(dú)立設(shè)計(jì);局部區(qū)段可能存在淤積等,采用鋼波紋管涵洞應(yīng)考慮該問題。3)高填土路段。高填路段,應(yīng)根據(jù)施工工藝及施工后路堤不同土拱效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析,確保涵洞受力安全。4)較大孔徑。一般鋼波紋管涵洞孔徑大于3.0 m時(shí)應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算分析,確保涵洞受力安全。大孔徑涵洞采用拼裝式施工時(shí)尤其要加強(qiáng)連接部位的設(shè)計(jì)分析。

4 河北的應(yīng)用效果

河北省承德市公路工程管理處在國道111牌樓至圍城縣城段、灤赤線灤平東營(yíng)至西瓜園二級(jí)公路、承圍支線灤河鎮(zhèn)至韓麻營(yíng)段二級(jí)公路3條一般干線項(xiàng)目中應(yīng)用大孔徑鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)。2006年河北省公路管理局等在津汕高速滄州黃驊段、沿海高速唐山段、青蘭高速公路、承唐高速公路、西柏坡一級(jí)公路等工程中應(yīng)用大孔徑鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)。

河北衡景公路位于華北平原軟土沉降地帶,水泥涵管需澆筑混凝土加固處理地基;修建小橋也要加深水泥基樁。由于長(zhǎng)年干旱,無地表水,施工用水從數(shù)千米外拉過來;該地涵洞水流不大,修建小橋工程造價(jià)增加,經(jīng)過設(shè)計(jì)、業(yè)主、施工三方研究商討,決定使用金屬波紋管涵,這樣只需對(duì)基礎(chǔ)墊層換填碎石或砂礫,壓實(shí)度達(dá)95%即可安裝。應(yīng)用效果:解決了鋼筋混凝土涵洞基礎(chǔ)如沉降不均、涵洞破壞嚴(yán)重、維修困難、施工慢等特點(diǎn)。

5 應(yīng)用的效益分析

造價(jià)分析表明,孔徑不大于4 m時(shí),波紋管涵洞與混凝土蓋板涵、石拱涵造價(jià)基本相當(dāng),部分涵洞節(jié)省不到10%,費(fèi)用增加也在10%以內(nèi),但工期節(jié)省20 d～50 d。φ 5.0 m波紋管涵洞造價(jià)與小橋造價(jià)基本相當(dāng),工期節(jié)省35 d。φ 6.0 m波紋管涵洞與石拱涵相比,節(jié)省造價(jià)18.2%～23%,工期節(jié)省50 d以上。

隨著國內(nèi)鋼波紋管涵洞的廣泛應(yīng)用,關(guān)于波形和壁厚優(yōu)化的研究將逐步深入,優(yōu)化后的波形可以采用相對(duì)較薄的結(jié)構(gòu)鋼適應(yīng)相同的填土及汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)地,鋼波紋管涵洞壁厚的減薄及波形的減小,可以減少用鋼量,降低造價(jià)[2]。

以全國500多萬平方千米特殊巖土區(qū)還有100萬km以上公路要建養(yǎng)(或改擴(kuò)建),具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

相對(duì)于鋼筋混凝土圓管涵和蓋板涵,鋼波紋管涵洞的應(yīng)用,一方面節(jié)約了大量的石材、水泥,有利于環(huán)保,另一方面建設(shè)工期可以大幅度縮短,不僅加快了建設(shè)步伐,充分體現(xiàn)了建設(shè)工期縮短即相對(duì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加的經(jīng)濟(jì)效應(yīng),特別是在局部地區(qū)如寒冷地區(qū)一年中施工期僅5個(gè)～6個(gè)月,這樣應(yīng)用鋼波紋管涵洞更具有明顯的優(yōu)勢(shì)。尤其在搶險(xiǎn)救災(zāi)、地震抗洪、軍事保通工程中應(yīng)用鋼波紋管涵洞更能體現(xiàn)其明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[7]。

6 結(jié)語

通過研究和應(yīng)用表明,鋼波紋管涵洞具有明顯的優(yōu)勢(shì),主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:結(jié)構(gòu)本身由于波形具有軸向補(bǔ)償特征使得其更加適應(yīng)地基變形;耐久性方面可以適應(yīng)一般公路,且使用壽命足夠長(zhǎng),但需進(jìn)行防腐設(shè)計(jì);經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益方面明顯優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

[1]陳昌偉.波形鋼板結(jié)構(gòu)及其在公路工程中的應(yīng)用[J].公路,2000(7):48-54.

[2]李祝龍.公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)位論文,2006.

[3]李祝龍,劉百來.鋼波紋管涵洞力學(xué)性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].公路交通科技,2006(3):25-26.

[4]李祝龍.公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5]李祝龍,章金釗.高原多年凍土地區(qū)波紋管涵應(yīng)用技術(shù)研究[J].公路,2000(2):28-31.

[6]李祝龍,劉百來.薄殼理論在鋼波紋管涵洞力學(xué)性能分析中的應(yīng)用[A].第三屆全國公路科技創(chuàng)新高層論壇論文集(上下卷)[C].北京:人民交通出版社,2006.

[7]趙衛(wèi)國,李祝龍,李創(chuàng)軍.公路鋼波紋管涵洞的研究與應(yīng)用展望[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2007(8):78-80.

[8]吳大中,李祝龍.公路鋼波紋管涵洞防腐對(duì)策[J].公路與自然,2007(2):51-52.