索超峰

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

1 引言

波紋鋼結(jié)構(gòu)在歐美國(guó)家有百余年悠久歷史和成功應(yīng)用案例。隨著材料技術(shù)、制造工藝和設(shè)計(jì)手段的不斷發(fā)展，人們對(duì)這類結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐久性、設(shè)計(jì)施工方法和適用條件有了更加深入的認(rèn)識(shí)。

工程實(shí)踐證明，波紋鋼結(jié)構(gòu)具有良好的變形適用能力，特別適用于常年凍土、膨脹土、軟土等不良地質(zhì)條件，以及高填方路段及地震區(qū)的公路或鐵路涵洞與通道。與傳統(tǒng)圬工或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，波紋鋼結(jié)構(gòu)在受力性能、施工工期、使用壽命、養(yǎng)護(hù)成本、綜合造價(jià)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可作為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的替代者。波紋鋼結(jié)構(gòu)橫向具有一定的剛度，縱向有良好的柔度，在構(gòu)造上具有優(yōu)越的靈活性，可廣泛應(yīng)用于具有彎曲、分岔等特殊需要的市政、水利和人防工程。還特別適用軍事、搶險(xiǎn)、重建等快速修復(fù)工程，對(duì)原有的結(jié)構(gòu)加固、置換、修復(fù)和接長(zhǎng)[1-4]。

本文依托九江火車站站前外廣場(chǎng)排水箱涵非開挖修復(fù)工程案例，分析在特定條件下波紋鋼結(jié)構(gòu)在市政排水構(gòu)筑物中的應(yīng)用情況，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)、施工提供一定參考價(jià)值。

2 現(xiàn)狀箱涵概況

2.1 工程概況

本工程火車站外廣場(chǎng)東西兩側(cè)箱涵上游均起始于潯南大道（見圖1），箱涵標(biāo)準(zhǔn)斷面為3 m×1.5 m。水流自南向北，最終溢流進(jìn)入南門湖，部分合流污水截留進(jìn)入兩湖截污管。

圖1 箱涵平面布置示意圖

本工程火車站外廣場(chǎng)待改造箱涵建設(shè)年代較早，且缺乏養(yǎng)護(hù)，存在排水不暢以及箱涵結(jié)構(gòu)損壞的問題。老箱涵設(shè)置在外廣場(chǎng)地下人行通道下側(cè)，是九江火車站區(qū)域主要雨水排放通道。由于箱涵結(jié)構(gòu)損壞，內(nèi)部排水?dāng)嗝姹粔K石封堵，排水量嚴(yán)重不足，造成人行地道段憋水，下大雨時(shí)地道段向外溢水，嚴(yán)重影響行人安全。另外，九江市火車站廣場(chǎng)及交通組織改造工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)將火車站外廣場(chǎng)廬山南路兩側(cè)現(xiàn)狀綠地改造為停車場(chǎng)，將大大增加地下箱涵的地面荷載，影響箱涵結(jié)構(gòu)安全。因此，火車站箱涵改造項(xiàng)目具有建設(shè)必要性和緊迫性。

2.2 箱涵結(jié)構(gòu)病害原因分析

根據(jù)箱涵CCTV 探測(cè)可知，西箱涵存在底板隆起，沿箱涵縱向出現(xiàn)1 道裂縫，箱涵側(cè)墻漿砌片石出現(xiàn)不同程度的破損和剝落，部分區(qū)段出現(xiàn)墻角出現(xiàn)沉陷，箱涵側(cè)壁錯(cuò)動(dòng)位移，以及鋼筋混凝土頂板出現(xiàn)混凝土剝離，鋼筋裸露。具體如圖2～圖5 所示。

圖2 箱涵底板隆起

圖3 箱涵側(cè)壁破損

圖4 障礙物影響過(guò)水?dāng)嗝?/p>

圖5 側(cè)壁橫向裂縫

根據(jù)CCTV 檢測(cè)結(jié)果，西側(cè)箱涵破損較為嚴(yán)重，主要病害有墻身產(chǎn)生裂紋、鋼筋剝落、底部隆起與塌陷、錯(cuò)臺(tái)、滲水漏土，嚴(yán)重影響箱涵結(jié)構(gòu)的使用壽命。箱涵病害產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1）箱涵在靠近湖口段底板隆起，原箱涵結(jié)構(gòu)采用素混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底板抗水壓能力不足，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)直接斷裂。后期箱涵進(jìn)行截污施工，箱涵出水口設(shè)置截流堰，雨季時(shí)箱涵內(nèi)外壓力均衡，箱涵結(jié)構(gòu)不致被破壞，非雨季時(shí)節(jié)，箱涵內(nèi)部水壓較小，外部地下水壓力作用于箱涵，箱涵底板承載能力不足，使其斷裂呈隆起狀。

2）箱涵部分區(qū)段底板塌陷，箱涵施工過(guò)程可能存在不良地基或者分別位于不同土質(zhì)上，在地基壓力作用下，不同土質(zhì)表現(xiàn)出不同的壓縮特性，造成基礎(chǔ)不均勻沉降，再加上底板承載力不足，底板隆起，造成底板部分區(qū)域水土流失，久而久之這些地方就產(chǎn)生塌陷。

3）箱涵基坑開挖時(shí)，局部超挖且超挖后處理不當(dāng)，造成地基承載力不均勻，是引起箱涵沉降縫拉裂和墻身出現(xiàn)裂紋的原因之一。

4）箱涵回填不規(guī)范。本工程箱涵位于廬山南路東側(cè)綠化帶內(nèi)，一側(cè)靠近道路，一側(cè)為綠化帶，路基回填施工時(shí)碾壓不均衡，填筑不對(duì)稱等，往往會(huì)造成箱涵錯(cuò)臺(tái)。

5）本地區(qū)箱涵采用雨污合流進(jìn)行排水，污水含有大量腐蝕性較強(qiáng)物質(zhì)，箱涵混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在腐蝕性環(huán)境下，頂板鋼筋混凝土保護(hù)層剝落，鋼筋裸露銹蝕，長(zhǎng)期以來(lái)，頂板結(jié)構(gòu)承載力不足，出現(xiàn)較多裂縫，滲漏水嚴(yán)重，以致最終坍塌。

3 修復(fù)方案比選

箱涵所處地段為火車站站前廣場(chǎng)廬山南路路邊綠化帶內(nèi)，橫穿長(zhǎng)虹大道和站前廣場(chǎng)停車場(chǎng)；在箱涵排口段，上方存在現(xiàn)狀南湖岸邊景觀平臺(tái)；箱涵起始端位于火車站外廣場(chǎng)人行地道入口。如圖6 所示。

圖6 箱涵修復(fù)段平面示意圖

箱涵所在道路廬山南路與長(zhǎng)虹大道為九江市主要交通干線，車流量非常大，箱涵周邊環(huán)境較復(fù)雜，箱涵的修復(fù)實(shí)施難度很大，考慮以上現(xiàn)實(shí)條件，可采用以下3 種方式進(jìn)行箱涵修復(fù)：（1）開挖重建，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；（2）開挖重建，采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；（3）采用波紋鋼內(nèi)襯修復(fù)。

3.1 開挖重建，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

箱涵大部分位于路邊綠化帶內(nèi)，箱涵大部分采用大開挖施工，其中穿越道路段采用圍護(hù)開挖施工，箱涵覆土約1.84～2.50 m，箱涵基坑開挖深度約3.60～4.30 m，采用此種修復(fù)方法，結(jié)構(gòu)安全可靠，修復(fù)使用年限較長(zhǎng)。但是，施工周期長(zhǎng)，需要破壞周邊綠化和現(xiàn)狀道路，交通組織較為困難，實(shí)際實(shí)施難度較大。

3.2 開挖重建，采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

采用預(yù)制鋼筋混凝土施工，可大大縮短施工周期。同時(shí)，預(yù)制箱涵在工廠預(yù)制，相比現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵，預(yù)制箱涵的混凝土保護(hù)層厚度均勻，箱涵的質(zhì)量相對(duì)較好。但是，預(yù)制拼裝箱涵結(jié)構(gòu)需要的施工場(chǎng)地較大，需要破壞周邊綠化和現(xiàn)狀道路，交通組織較為困難，實(shí)際實(shí)施難度較大。

3.3 采用波形鋼板內(nèi)襯修復(fù)

波紋板一種新型的鋼波紋板結(jié)構(gòu)，是將波紋鋼板內(nèi)側(cè)的兩側(cè)或四周翻法蘭邊即內(nèi)接法蘭分段襯砌系統(tǒng)。在箱涵內(nèi)部施工，不必破壞路面結(jié)構(gòu)，施工簡(jiǎn)單方便。

3.4 比選分析

針對(duì)本工程箱涵修復(fù)，在施工期間九江火車站站前廣場(chǎng)處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，廣場(chǎng)進(jìn)出車流量相對(duì)較大，可使用的施工空間有限。

本工程若采用開挖現(xiàn)澆施工，每延米綜合造價(jià)2.78 萬(wàn)元；若采用開挖預(yù)制箱涵，每延米綜合造價(jià)2.96 萬(wàn)元；若采用波紋鋼內(nèi)襯法，每延米綜合造價(jià)為2.09 萬(wàn)元。相比傳統(tǒng)修復(fù)方式，約節(jié)省造價(jià)25%，主要相比傳統(tǒng)開挖重建方式，無(wú)須大面積破壞現(xiàn)狀道路、綠化，在箱涵局部開口，滿足箱涵施工期間人員出入、材料進(jìn)出、通風(fēng)等要求即可，對(duì)周邊影響程度降到最低，綜合造價(jià)相對(duì)經(jīng)濟(jì)。

通過(guò)上述對(duì)比可知，波紋鋼板內(nèi)襯修復(fù)具有施工快速、環(huán)保無(wú)污染、造價(jià)較低、施工方便的特點(diǎn)。在滿足區(qū)域排水要求的前提下，本工程推薦采用波紋鋼板內(nèi)襯修復(fù)現(xiàn)狀破損箱涵，對(duì)于箱涵轉(zhuǎn)彎段，波紋鋼修復(fù)困難，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4 波紋鋼內(nèi)襯修復(fù)方案

4.1 材料選擇

本工程采用178×45 型波紋鋼板拼接，波距178 mm，波高45 mm，板寬460 mm，M16 高強(qiáng)螺栓連接，壁厚4 mm。如圖7所示。

圖7 波形斷面圖

4.2 施工方案及步驟

先對(duì)箱涵周邊進(jìn)行注漿加固，使箱涵外壁與周邊土體密貼，然后施工臨時(shí)內(nèi)支撐體系，內(nèi)支撐采用槽鋼與箱涵內(nèi)側(cè)底部密貼，然后采用工字鋼頂住箱涵內(nèi)側(cè)壁，每隔個(gè)1.0 m 設(shè)置1 道。具體布置圖如8 所示。

圖8 內(nèi)支撐加固圖

1）通過(guò)內(nèi)支撐支護(hù)，采用風(fēng)鎬破除已損壞的箱涵底板，向下開挖約0.5 m，然后進(jìn)行波形鋼板拼裝，向下開挖的渣土通過(guò)采用自制導(dǎo)軌，鋼絲繩小車機(jī)械運(yùn)輸至檢查井洞口處，在檢查井洞口處設(shè)置提升設(shè)備，提升到地面以后運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。箱涵檢查井根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件，每80 m 左右設(shè)置1 個(gè)，主要滿足施工期間箱涵通風(fēng)、材料進(jìn)出、人員進(jìn)出的需求。

2）支設(shè)拼裝波紋鋼板：波紋鋼板采用3 塊弧形鍍鋅鋼板拼接而成，鋼板之間采用螺栓連接，底部每隔1.0 m 采用工字鋼拉桿，然后，在工字鋼之間澆筑鋼筋混凝土底板，拼裝完成后3.0 m×1.5 m 的箱涵凈高度為1.21 m，凈寬度為2.82 m；2.0 m×1.2 m 的箱涵凈高度為1.20 m，凈寬度為1.82 m；1.5 m×1.2 m 的箱涵凈高度為1.20 m，凈寬度為1.32 m。安裝順序?yàn)橄鹊撞繖M桿，再兩側(cè)拼裝波紋鋼板，然后頂部波紋鋼板。板與板之間增加密封橡膠條增加氣密性，螺栓要擰緊牢固，使整個(gè)結(jié)構(gòu)形成鋼板受壓體系，下部工字鋼受拉的體系。如圖9 和圖10 所示。

圖9 箱涵加固斷面（單位：cm）

圖10 波紋鋼連接詳圖

3）壁后注漿：箱涵安裝拼接波紋鋼板每完成20 m 左右，地面隨后使用小型鉆孔機(jī)打孔注漿，在原老箱涵與波紋鋼板之間注入標(biāo)號(hào)為32.5 的水泥砂漿，使波紋鋼板與箱涵之間縫隙充實(shí)填滿，注漿時(shí)壓力不宜超過(guò)1.0 MPa，達(dá)到結(jié)構(gòu)傳力的作用，實(shí)現(xiàn)壓力均勻分布和整體受力，提高箱涵的抗壓強(qiáng)度。

4.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處理

波紋鋼加固斷面與現(xiàn)澆箱涵連接采用波紋鋼加固斷面直接伸入現(xiàn)澆箱涵。具體連接斷面如圖11 所示。

圖11 現(xiàn)澆箱涵與波紋鋼加固連接圖

4.4 實(shí)際使用效果

目前，本工程已經(jīng)全部實(shí)施完畢，已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)，經(jīng)過(guò)本次排水箱涵修復(fù)，徹底解決九江站前外廣場(chǎng)排水不暢問題，確保站前廣場(chǎng)運(yùn)營(yíng)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托九江火車站站前外廣場(chǎng)排水箱涵非開挖修復(fù)工程案例，首次將波紋鋼內(nèi)襯結(jié)構(gòu)應(yīng)用于市政排水箱涵結(jié)構(gòu)性修復(fù)中，著重介紹了波紋鋼內(nèi)襯結(jié)構(gòu)在修復(fù)箱涵工程中的可行性、經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)際使用價(jià)值。為今后同類型實(shí)際工程設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)提供一定參考價(jià)值。主要得出以下結(jié)論：

1）在特定條件波紋鋼內(nèi)襯修復(fù)排水箱涵具有施工快速、環(huán)保無(wú)污染、造價(jià)較低、施工方便的特點(diǎn)。

2）波紋鋼內(nèi)襯修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，無(wú)須使用大型設(shè)備，減少或根本舍棄了常規(guī)建材，如水泥、黃沙、石子、木材的使用，環(huán)保意義深遠(yuǎn)。

3）結(jié)構(gòu)受力情況合理，荷載分布均勻，并有一定的抗變形能力。

4）采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短。

5）波紋鋼管是一種柔性結(jié)構(gòu)，具有一定的抗震能力而且能適應(yīng)較大的沉降與變形，與鋼筋混凝土涵管相比，具有管節(jié)薄，質(zhì)量輕，便于運(yùn)輸存放，施工工藝簡(jiǎn)單，組裝快速，工期短等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是耗用鋼材較混凝土管涵多，其價(jià)格受鋼材價(jià)格市場(chǎng)的影響較大。