趙建斌， 李萬樂， 申俊敏， 董立山

(1.山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 山西 太原 030006；2.榮盛房地產(chǎn)發(fā)展股份有限公司， 河北 廊坊 065001)

涵洞作為高速公路跨越溝谷、河流、人工渠道以及排除路基內(nèi)側(cè)邊溝水流的構(gòu)造物，是公路的重要組成部分。但由于黃土地區(qū)地形、地質(zhì)條件復雜，黃土物理力學性質(zhì)特殊，造成了涵洞選址、洞身結(jié)構(gòu)和地基設(shè)計的困難，其中任何一項環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會引起各種不同程度的涵洞病害。這些病害輕則引起涵洞開裂、滲漏或積水，重則使涵洞結(jié)構(gòu)破壞，嚴重影響高速公路正常運營。同時由于涵洞屬于隱蔽工程，且沿線數(shù)量較多，在高速公路的日常檢查維護中經(jīng)常被忽略，病害不易被發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)時問題已較為嚴重，再進行維護修補需要花費更多的人力物力[1，2]。

目前，有學者針對高速公路涵洞病害開展了大量而細致的調(diào)查工作。顧安全在對303座涵洞調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生開裂的涵洞數(shù)量達到了63.5%；李彥武對黃土地區(qū)公路病害進行了全面調(diào)研，結(jié)合黃土地區(qū)氣候地質(zhì)條件分析認為，黃土地區(qū)涵洞的主要病害是基礎(chǔ)下沉、沖刷，涵洞淤積、沖毀及溯源侵蝕等[3]；趙立巖對三級及三級以下各類公路的混凝土圓管涵進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)涵洞在公路運營后不久便發(fā)生各種不同程度的病害，其中約有8%的涵洞需要修復[4]；戴鐵丁針對高速公路涵洞常發(fā)生的開裂、錯位、滲漏水等病害，對四川、陜西、甘肅、云南的代表性高等級公路涵洞病害開展了調(diào)查研究工作，歸納了涵洞病害類型，并提出相應(yīng)處置對策[5]。雖然上述文獻對公路涵洞病害進行了全面調(diào)研和分析，但都未針對黃土地區(qū)特殊地質(zhì)條件，從涵洞設(shè)計、施工等方面對涵洞病害進行詳盡分析并形成系統(tǒng)結(jié)論。

山西省山區(qū)面積約占全省總面積的80%以上，是典型的黃土廣泛覆蓋的山地高原，境內(nèi)高速公路橋涵數(shù)量眾多，分布廣泛。本文對山西省內(nèi)已建的數(shù)條高速公路涵洞病害開展了詳細的調(diào)研工作，主要路線包含太舊高速、大運高速、太佳高速、汾離高速、離軍高速和平陽高速，其中太舊高速為山西省內(nèi)建成通車的第一條高速公路，也是中國第一條山嶺高速公路，路線所經(jīng)山西東部的黃土高原與太行山脈兩大地貌地帶，而新近建成通車的平陽高速也位于晉東地區(qū)；大運高速由北至南貫穿山西省全境，全線約1/4的里程處在山嶺重丘區(qū)；汾離高速、離軍高速、太佳高速則位于山西省西部，該地區(qū)屬于典型黃土高原地形。本次調(diào)研樣本基本覆蓋山西省全境，調(diào)研成果可為黃土地區(qū)高速公路涵洞設(shè)計和施工提供參考和借鑒。

1 調(diào)研概況

黃土高原溝壑縱橫，地形地質(zhì)條件復雜，據(jù)粗略統(tǒng)計，相比一般山區(qū)高速公路每公里平均4～6座的分布密度，黃土地區(qū)涵洞數(shù)量可以達到每公里6座以上，且高填方涵洞占很大一部分比例；同時黃土地區(qū)為典型的半干旱大陸季風氣候，降水集中且強度大，黃土的抗沖蝕性差，涵洞及其附屬設(shè)施水毀現(xiàn)象極為嚴重。因此涵洞的選型選址以及結(jié)構(gòu)地基設(shè)計都對涵洞耐久性有很大影響，處理不當會導致各種涵洞病害的發(fā)生。

本次調(diào)研采用實地踏勘方式對山西省數(shù)條高速公路的86個涵洞進行了調(diào)查，涵洞類型包括拱涵、蓋板涵和箱涵，其中發(fā)現(xiàn)有31座涵洞存在不同程度的病害，涵洞病害較為普遍。其中高填方涵洞多采用拱涵、箱涵形式，而填方高度較低且有車輛通行要求時一般采用蓋板涵，因此涵洞類型以及受力形式的差異造成了涵洞病害也呈多樣性特點，表1給出了歸納整理后的涵洞病害調(diào)研結(jié)果。

表1 病害調(diào)查匯總

2 病害特點及分析

2.1 洞身開裂

黃土沖溝多狹而深，因此高速公路采用填方路堤形式跨越?jīng)_溝時填方高度一般都較大，此時在路堤下方設(shè)置涵洞時多采用混凝土拱涵，涵洞主要承受上部填土荷載作用，并與路堤填土、地基構(gòu)成一個相互協(xié)調(diào)、相互影響的作用體系。在現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計規(guī)范中，涵頂垂直土壓力采用線性土壓力計算方法，而由于一般涵洞都屬于剛性結(jié)構(gòu)，其剛度遠大于兩側(cè)填土剛度，因此涵洞上方填土在涵頂平面形成沉降差，并造成涵頂土應(yīng)力集中(圖1)。因此現(xiàn)行規(guī)范的土壓力計算方法不能準確反映涵頂實際受力情況，從而異致高速公路中很多高填方涵洞都出現(xiàn)了開裂問題。

圖1 填方路堤下拱涵受力分布

圖2為填方路堤下的混凝土拱涵，涵洞高5.5 m，寬5 m，路堤坡面采取了全封閉防護。雖然該涵洞填土高度只有8 m，遠未達到高填方路堤標準，但仍出現(xiàn)了沿拱圈的環(huán)向裂縫及拱腳部位的縱向裂縫(圖3)。這是由于涵洞自身高度較大，從而產(chǎn)生更大的填土土層在涵頂平面的沉降差，致使涵頂土壓力集中現(xiàn)象更加明顯，并可能超出涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計強度，導致拱圈開裂。

圖2 高速公路混凝土拱涵

同時當涵洞上方填土高度較大時，涵洞側(cè)墻及翼墻需要承受較大的側(cè)向土壓力荷載，并導致涵洞側(cè)墻及翼墻出現(xiàn)沿涵洞軸線方向的水平向裂縫；而當?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時，特別是在涵洞洞口處，會使涵洞側(cè)墻發(fā)生剪切破壞，并且裂縫與水平方向呈一定角度(圖3)。

圖3 涵洞不同部位裂縫情況

在一些填土高度較低的平坦地區(qū)，多采用混凝土蓋板涵或箱涵作為過水或行人通道，此時涵洞主要承受上部車輛荷載。黃土地區(qū)是我國重要的煤炭能源基地，且煤炭外運以公路為主，因此高速公路通行車輛中重載運煤車輛所占比例較高。由于在涵洞設(shè)計時未能充分考慮重載車輛作用，致使涵洞蓋板出現(xiàn)開裂。

圖4 蓋板開裂

從圖4可以看出，對應(yīng)大型車道下方的蓋板出現(xiàn)了數(shù)條橫向裂縫；同時蓋板跨中撓度過大則會造成涵洞上方瀝青混凝土路面產(chǎn)生龜裂、坑槽(圖5)，浸水后會加重路面破損狀況，降低路面使用壽命。

圖5 涵洞上方路面破損

2.2 臺背處不均勻沉降

涵洞洞身與兩側(cè)臺背填土之間存在剛度差異，因此會在其交界處產(chǎn)生不均勻沉降，導致其上方路面形成一條或數(shù)條橫向裂縫(圖6)，并會伴隨跳車現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖6 涵洞臺背交界處的路面裂縫

雖然在目前高速公路涵洞設(shè)計過程中都要求對臺背填土進行處理，有的甚至加鋪了土工格柵，但依然無法避免此類病害的發(fā)生。在經(jīng)調(diào)研的高速公路中，幾乎所有涵洞臺背交接處都存在這樣的裂縫，并且有些裂縫經(jīng)擴展后形成大面積的破損面(圖7)，經(jīng)多次修補后仍不能完全修復，嚴重影響高速公路行車質(zhì)量。

圖7 經(jīng)修補后的路面破損面

2.3 涵洞淤塞積水

由于涵洞地基處理不當引起的涵洞地基下沉、錯臺和洞口壅水，都會造成涵洞內(nèi)部積水(圖8(a))，積水沿涵洞基礎(chǔ)施工縫滲入地基，進一步降低地基強度，使涵洞的不均勻沉降更為嚴重，并有可能造成涵洞破壞。

同時由于黃土高原地表徑流夾帶大量泥沙，特別是在暴雨集中季節(jié)，這些泥沙在涵洞內(nèi)部沉積造成淤堵(圖8(b))，減小了涵洞過水面積，降低了排水效率，如不及時清理，甚至會使涵洞失去排水功能。

圖8 涵洞淤塞積水

2.4 涵洞滲漏水

涵洞特別是蓋板涵在墻板搭接處連接不緊密，未用瀝青麻絮填塞，在路堤填方高度較低的情況下，雨水能直接從縫隙中滲入涵洞，侵蝕混凝土墻面，降低涵洞洞身結(jié)構(gòu)強度，留下安全隱患。

圖9 涵洞蓋板下漏水

2.5 護坡破壞

當涵洞尺寸較大且兩側(cè)填土高度較高時多采用漿砌片石錐形護坡，但在護坡設(shè)計以及施工時，往往忽略了護坡坡腳以及護坡與邊坡交界處的處理，如護坡接縫處封閉不嚴留有縫隙，護坡基礎(chǔ)不按最大沖刷和最大凍深確定其埋置深度，涵洞洞口鋪砌面短，隔水墻外的溝渠底部未有效加固等，

圖10 涵洞護坡破壞

都可能造成涵洞護坡及排水溝水毀破壞。而黃土抗沖刷性較差，涵洞護坡一旦出現(xiàn)局部破壞，往往會在該部位迅速擴展，較為嚴重時甚至可能影響到整個填方路堤的穩(wěn)定性。

3 病害原因匯總

從以上調(diào)研結(jié)果可以看出，涵洞病害在黃土地區(qū)高速公路中普遍存在，且類別較多，對高速公路的正常運營造成極大影響。但通過匯總分析，可將涵洞病害原因歸結(jié)為以下幾個方面。

3.1 涵洞選址設(shè)計

黃土地區(qū)溝壑縱橫，地勢起伏，高速公路往往采用填方方案跨越數(shù)量眾多的黃土沖溝。這些沖溝是黃土高原的匯水排水通道，同時由于黃土的水敏性，在雨季時仍會不斷發(fā)育。因此在涵洞選址時既要盡量保持沖溝的天然水流狀態(tài)，還要考慮到其未來的發(fā)育情況，如若選址不當，無法發(fā)揮出涵洞應(yīng)有的排水作用，極有可能造成涵洞洞外排水，導致路基土強度下降，路面下沉，更有甚者在水流侵蝕作用下造成路面結(jié)構(gòu)下部脫空，并可能引發(fā)路基塌陷。而在高速公路設(shè)計過程中由于沿線涵洞數(shù)量眾多，且并非一些關(guān)鍵性的控制工程，因此涵洞設(shè)計往往難以引起重視。設(shè)計人員對地勘資料研究不夠透徹，涵洞布設(shè)位置、排水路徑、砌護方式設(shè)計不合理，造成涵洞無法發(fā)揮出應(yīng)有的排水作用，并最終導致涵洞病害的發(fā)生。

3.2 涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

高速公路涵洞設(shè)計時采用的部頒標準圖填土高度適用范圍只有7 m，當填土高度超過7 m后則采用現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計規(guī)范中的線性土壓力計算方法計算涵洞填土荷載，但該算法忽略了由于涵洞與周圍填土存在剛度差異造成的涵管頂部的垂直土壓力集中，導致涵洞設(shè)計荷載小于其實際受到的真實荷載[6]；同時為滿足高填方涵洞的地基承載力要求而提高涵洞地基強度，反而會加劇涵頂土壓力集中現(xiàn)象，并可能造成涵洞結(jié)構(gòu)破壞。因此在涵洞填土荷載計算時應(yīng)綜合考慮涵洞洞身、路堤填土以及涵洞地基構(gòu)成的相互協(xié)調(diào)、相互影響的作用體系，使計算結(jié)果更加精確合理，從而保證涵洞結(jié)構(gòu)安全及正常使用。

而當填土高度較低時，涵洞主要承受車輛荷載作用，山西省作為產(chǎn)煤大省，運煤車輛重載甚至超載現(xiàn)象嚴重，一些地區(qū)10 t以上重型貨車的超載比例在40%以上，某些路段更是達到80%，而部頒標準圖只是按照一般車輛荷載進行設(shè)計計算，因此涵洞結(jié)構(gòu)強度無法滿足車輛荷載要求，并導致結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生。

3.3 施工因素

在涵洞施工過程中由于地形、材料、工期限制等經(jīng)常會出現(xiàn)違規(guī)操作情況，如涵洞施工過程中接縫未用瀝青麻絮填塞，混凝土澆筑時未充分振搗密實，為趕工期在混凝土未達到設(shè)計強度指標就開始填土，臺背兩側(cè)非對稱填土導致涵洞偏壓等，這些因素可能在涵洞施工期便導致病害的發(fā)生，有些則在涵洞今后的運營過程中留下安全隱患。

3.4 其他因素

黃土具有強烈的水敏性，特別是在暴雨季節(jié)從梁峁頂流向溝底的徑流夾帶大量泥沙能夠形成能量巨大的溝道洪水，引起更加強烈的土壤侵蝕，溝底地形條件也因此變化劇烈，如果涵洞防護措施不夠完善，極易造成涵洞及其附屬設(shè)施的水毀破壞；同時由于涵洞屬于隱蔽工程，涵洞病害發(fā)生后往往無法及時發(fā)現(xiàn)，錯過了最佳的修補養(yǎng)護時機，導致病害進一步發(fā)展。

4 結(jié) 論

此次調(diào)研活動對山西省內(nèi)多條高速公路的涵洞病害狀況進行了歸納和分析，探討了病害產(chǎn)生原因，并得出以下主要結(jié)論：

(1)在黃土地區(qū)高速公路設(shè)計中，涵洞是最為重要的排水構(gòu)造物，且數(shù)量巨大。由于設(shè)計施工等方面原因?qū)е碌暮撮_裂、地基沉降、滲漏水等病害時有發(fā)生，嚴重影響了高速公路的正常運營；

(2)涵洞病害產(chǎn)生的原因是多方面的，為減少病害的發(fā)生，在涵洞選址時要充分分析周邊地形地貌條件的影響，涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計則要考慮其真實受力狀況，使涵洞選型、選址以及結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理；在施工過程中則要嚴格控制工序，確保施工質(zhì)量；

(3)由于資料收集不夠完整，再加上地形條件的限制，使得無法對調(diào)研高速公路上的每座涵洞都進行病害調(diào)查，因此調(diào)研工作具有一定的隨機性，調(diào)研過程中可能存在遺漏。

[1] Chen Baoguo,Zheng Junjie,Lu Yan’er. Study on soil-structure interaction of unsymmetrical trench installation culvert[J]. Journal of Southeast University (English Edition), 2009,25(1):94-99.

[2] 馬 強, 鄭俊杰, 張 軍. 山區(qū)涵洞受力影響因素的數(shù)值模擬分析[J]. 合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2009, 32(10):1514-1517.

[3] 顧安全. 上埋式管道及洞室垂直土壓力的研究[J]. 巖土工程學報，1981, 3(1): 3-15.

[4] 趙立巖. 混凝土圓涵洞的病害分析及預防[J].公路,2001,(11):60-62.

[5] 戴鐵丁. 公路涵洞病害處治技術(shù)研究[D].西安:長安大學, 2005.

[6] JTG D60-2004， 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].