洪 杰

（安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

波紋鋼管涵具有現(xiàn)場(chǎng)施工效率高、質(zhì)量控制好、方便運(yùn)輸與應(yīng)用、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用前景良好。此外，由于波紋鋼管涵的波紋的存在，使管涵在橫向具有比無(wú)波紋時(shí)更大的剛度，同時(shí)，在管涵縱向具有良好的柔性，其變形性能良好，可充分發(fā)揮鋼材的力學(xué)與變形性能。波紋鋼管涵在縱向彎曲變形時(shí)，只需改變波紋參數(shù)即可彎曲，因此基本不會(huì)出現(xiàn)管徑變化。因此波紋鋼管涵在縱向上具有良好的適應(yīng)地層的變異性，尤其適用于既有公路拓寬工程。

我國(guó)對(duì)于波紋鋼管涵的研究還處于起步階段，雖然我國(guó)已建設(shè)了幾座波紋鋼板橋涵，如1997 年上海浦東張橋鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)，跨徑4.46 m、2001年湖北荊州區(qū)里李埠小橋。但主要借鑒國(guó)外的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和資料，還沒(méi)有比較完善的設(shè)計(jì)施工規(guī)范，波紋鋼管涵坍塌破壞事故屢屢發(fā)生，阻礙了波紋鋼管涵結(jié)構(gòu)在我國(guó)的推廣和應(yīng)用[l-3]。自19世紀(jì)末起，美國(guó)、加拿大、英國(guó)、日本等國(guó)家就開(kāi)始研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用波紋鋼管涵，并制定了專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)、制造、施工安裝手冊(cè)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；日本在1980 年的《日本高等級(jí)公路設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)波紋鋼管涵做了較為詳細(xì)的規(guī)定；國(guó)外專(zhuān)家對(duì)這種新型的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究，取得了一定的成就[4-5]。然而，從調(diào)研結(jié)果來(lái)看，國(guó)外現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范主要從管涵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性來(lái)考慮，極少考慮管涵對(duì)公路路基與路面的強(qiáng)度、穩(wěn)定性與耐久性的影響[6-11]。

波紋鋼管涵的作為地下結(jié)構(gòu)，其變形性能與其周?chē)牡貙幼冃涡阅芡耆煌约肮こ虘?yīng)用注意事項(xiàng)不明確，導(dǎo)致波紋鋼管涵的應(yīng)用受限，或應(yīng)用后易導(dǎo)致工程病害。本論文對(duì)波紋鋼管涵對(duì)公路路基路面的影響進(jìn)行了分析，并分別提出了對(duì)上埋式與溝埋式波紋鋼管涵進(jìn)行上覆土加筋的建議與方法。

1 波紋鋼管涵對(duì)公路面的影響分析

某公路改建工程項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度25.5 m，路面寬21 m，很大一部分路段為老路拓寬段，瀝青混凝土路面。涵洞達(dá)137道，均采用波紋鋼管涵，直徑范圍為1～4.5 m，涵頂上覆土厚度為0.8～4.8 m不等。為了避免因波紋鋼管涵與周?chē)馏w不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致路面不平順，結(jié)合本工程實(shí)際面臨的問(wèn)題分析波紋鋼管涵對(duì)公路面的影響。

對(duì)于既有的公路，在管涵施工時(shí)先開(kāi)挖溝槽，將波紋鋼管涵放置在溝槽中，再進(jìn)行填土埋設(shè)，因此，管涵在既有公路底部屬于典型的溝埋式管涵，如圖1所示。而對(duì)于新建公路或既有公路旁的擴(kuò)建公路的底部管涵，施工時(shí)采逐層填筑的方式完成管涵埋設(shè)，因此管涵屬于上埋式管涵，如圖2所示。然而，在傳統(tǒng)的觀念中，上埋式管涵因其剛度大，在逐層填筑時(shí)因管涵兩側(cè)土體的豎向壓縮量大于管涵的豎向壓縮變形，導(dǎo)致管涵正上部土體單元的沉降量小于其兩側(cè)土體的沉降量，同此使管涵正上部土體單元受到兩側(cè)土體對(duì)其產(chǎn)生的向下剪切力，如圖2所示。但對(duì)于本工程的管涵結(jié)構(gòu)，盡管有波紋的存在，但其剛度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管涵，即為柔性管涵。在上部埋土?xí)r，管涵的豎向壓縮變形量較大，當(dāng)管涵的豎向壓縮變形量大于其兩側(cè)土體的豎向壓縮量時(shí)，導(dǎo)致管涵正上部土體單元的沉降量大于其兩側(cè)土體的沉降量，從而導(dǎo)致管涵正上部土體單元受到其兩側(cè)土體對(duì)產(chǎn)生的向上剪切力，如圖3所示。對(duì)于圖2與圖3的兩種不同剛度的上埋式管涵，管涵周?chē)耐翂毫εc結(jié)構(gòu)變形明顯完全不同，管涵對(duì)路基路面的影響模式也完全不同。

圖1 溝埋式管涵

圖2 上埋式剛性管涵

圖3 上埋式柔性管涵

由圖1～圖3可知，由于管涵結(jié)構(gòu)與土層無(wú)法達(dá)到協(xié)調(diào)變形，將導(dǎo)致管涵上覆土層出現(xiàn)不均勻沉降。管涵作為公路路基底部的結(jié)構(gòu)物時(shí)，其對(duì)路基路面的影響不可忽略。圖4與圖5分別為上埋式剛性管涵與上埋式柔性管涵的上覆土沉降趨勢(shì)示意圖。對(duì)于柔性管涵，因上覆土易出現(xiàn)較大的沉降量，導(dǎo)致路面基底強(qiáng)度不足，從而導(dǎo)致公路路面出現(xiàn)開(kāi)裂，如圖6所示。

圖4 上埋式剛性管涵

圖5 上埋式柔性管涵

圖6 路面開(kāi)裂

2 管涵上覆土不均勻沉降建議

鑒于波紋鋼管涵對(duì)路基路面的影響因素復(fù)雜，為了減小管涵上覆土不均勻沉降對(duì)路基路面的影響，且基于上埋式管涵與溝埋式管涵的影響機(jī)基理與施工方法的不同，在此分別提出管涵上覆土加筋措施。

2.1 上埋式管涵上覆土加筋措施

公路新建設(shè)或擴(kuò)建設(shè)時(shí)，管涵的填埋方式為上埋式，為減少管涵上覆土的不均勻沉降，在管涵上部填土過(guò)程中進(jìn)行鋪設(shè)土工格柵，其基本方法如下。

（1） 在管涵頂部開(kāi)始鋪設(shè)土工格柵，直到路床頂面 （包括在床頂面鋪設(shè)土工格柵） ；

（2） 每一層土工格柵之間的垂直距離應(yīng)和填土厚度保持一致，建議土工格柵之間垂直距離值宜在20～35 cm之間，即填土過(guò)程中，將每層填土的壓實(shí)厚度控制在20～35 cm；

（3） 土工格柵的長(zhǎng)度不小于5D （D為波紋鋼管涵的直徑） ，如圖7所示。

圖7 上埋式波紋鋼管涵

2.2 溝埋式管涵上覆土加筋措施

既有公路埋設(shè)管涵基本為上埋式管涵，為減少管涵上覆土的不均勻沉降，以及再次填土與原有填土之間的不均勻沉降，在管涵上部填土過(guò)程中進(jìn)行鋪設(shè)土工格柵，其基本方法如下。

（1） 溝埋式管涵填埋過(guò)程中，從路基面向下進(jìn)行放坡開(kāi)挖，坡度根據(jù)原有填土的穩(wěn)定性確度，一般約為45° （具體根據(jù)原路基填土的穩(wěn)定性確定）。

（2） 開(kāi)挖到管涵的設(shè)計(jì)底部時(shí)，管涵側(cè)部距離基底兩側(cè)的距離l不＜2 m，如圖9所示，以方便施工人員進(jìn)行波紋鋼管涵拼裝、填土和鋪設(shè)土工格柵 （l具體大小根據(jù)施工的方便性進(jìn)行考慮）。

（3） 溝埋式管涵從底部填土開(kāi)始鋪設(shè)土工格柵，直到路床頂面 （包括在床頂面鋪設(shè)土工格柵） ，以加強(qiáng)回填土與原有填土之間的搭接，減少回填土與原有填料之間的不均勻沉降。

（4） 在回埋過(guò)程中，為減小回填土與原有填土之間的不均勻沉降，在邊坡上開(kāi)挖臺(tái)階，臺(tái)階的高度與下一層填土的厚度相同，臺(tái)階的寬度與臺(tái)階的高度相同。

（5） 每一層土工格柵之間的垂直距離應(yīng)和填土厚度保持一致，建議土工格柵之間垂直距離值宜在20～35 cm之間，即填土過(guò)程中，將每層填土的壓實(shí)厚度控制在20～35 cm。

（6） 土工格柵的端部應(yīng)鋪設(shè)至臺(tái)階的底部，其長(zhǎng)度與鋪設(shè)位置有關(guān)，如圖6所示。

圖8 溝埋式波紋鋼管涵

2.3 溝埋式管涵上覆土加筋措施

土工格柵基本要求

波紋鋼管涵工程中所用的土工格柵需要滿足加筋土路堤和加筋土擋土墻中的基本要求和技術(shù)性能指標(biāo)。具體要求如下：（1） 土工格柵極限抗拉強(qiáng)度不應(yīng)＜25 kN/m，優(yōu)先選用極限抗拉強(qiáng)度不＜35 kN/m；（2） 優(yōu)先選用強(qiáng)度高、變形小、粗糙度大、抗老化、蠕變變形小的土工格柵；（3） 土工格柵極限抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的延伸率，高密度聚乙烯土工格柵不應(yīng)＞12%，其他土工格柵不應(yīng)＞10%。

為了達(dá)到良好的加筋效果，在管涵上覆土進(jìn)行土工格柵加筋時(shí)，提出如下施工控制要點(diǎn)。

（1） 鋪設(shè)土工格柵時(shí)，應(yīng)將強(qiáng)度高的方向鋪設(shè)于垂直管涵的軸線方向 （即公路的縱向） ；

（2） 在垂直于管涵的軸線方向上，土工格柵不允許采用連接；

（3） 同一層的土工格柵在管涵的軸線方向上應(yīng)有不＜10 cm搭接；

（4） 土工合成材料的鋪設(shè)時(shí)應(yīng)拉緊，不得有褶皺，必要時(shí)可用插釘固定，筋材拉緊固定后，應(yīng)立即填鋪上層填料；

（5） 鋪設(shè)土工合成材料的填土表面應(yīng)平整，不得有堅(jiān)硬凸出物，嚴(yán)禁碾壓機(jī)械直接在土工合成材料表面上進(jìn)行碾壓；機(jī)械行駛時(shí)，其筋材上填料覆蓋厚度不應(yīng)＜20 cm；

（6） 土工合成材料攤鋪后應(yīng)及時(shí)填筑材料，避免陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間直接照射；

（7） 填料必須分層填筑、碾壓，分層厚度以20～30 cm為宜。

3 結(jié)語(yǔ)

因波紋鋼管涵與路基填土屬于不同的變形結(jié)構(gòu)，在上部荷載作用下，波紋鋼管涵與其同深度范圍內(nèi)的填土的豎向變形無(wú)法做到絕對(duì)地協(xié)調(diào)。完成路面鋪設(shè)后，在車(chē)輛荷載反復(fù)作用下，易導(dǎo)致管涵上覆土層出現(xiàn)不均勻沉降，進(jìn)而易導(dǎo)致路面開(kāi)裂、破損，直接影響到道路的使用質(zhì)量，并影響到路基的使用壽命。文章針對(duì)具體的工程案例分析，得到了以下結(jié)論與建議。

（1） 波紋鋼管的橫向變形剛度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管涵，但是，波紋鋼管涵剛度大小是一個(gè)相對(duì)概念，具體與管涵周?chē)奶钔劣嘘P(guān)。不同剛度的上埋式管涵周?chē)耐翂毫εc結(jié)構(gòu)變形明顯完全不同，管涵對(duì)路基路面的影響模式也完全不同。

（2） 波紋鋼管涵對(duì)路基路面的影響因素復(fù)雜，為了減小管涵上覆土不均勻沉降對(duì)路基路面的影響，建議在波紋鋼管涵上覆土進(jìn)行土體加筋。

（3） 基于上埋式管涵與溝埋式管涵的影響機(jī)基理與施工方法的不同，在此分別提出管涵上覆土加筋措施，并對(duì)施工方法提出的具體建議。

（4） 對(duì)于溝埋式管涵，在回埋過(guò)程中，為減小回填土與原有填土之間的不均勻沉降，在邊坡上開(kāi)挖臺(tái)階，臺(tái)階的高度與下一層填土的厚度相同，臺(tái)階的寬度與臺(tái)階的高度相同，且土工格柵的端部應(yīng)鋪設(shè)至臺(tái)階的底部。