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        波紋鋼內(nèi)襯法在市政排水箱涵修復(fù)中的應(yīng)用

        2021-10-16 08:18:40索超峰
        工程建設(shè)與設(shè)計 2021年15期
        關(guān)鍵詞:箱涵內(nèi)襯波紋

        索超峰

        (同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司,上海200092)

        1 引言

        波紋鋼結(jié)構(gòu)在歐美國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)計手段的不斷發(fā)展,人們對這類結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐久性、設(shè)計施工方法和適用條件有了更加深入的認識。

        工程實踐證明,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)護成本、綜合造價等方面具有明顯的優(yōu)勢,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、重建等快速修復(fù)工程,對原有的結(jié)構(gòu)加固、置換、修復(fù)和接長[1-4]。

        本文依托九江火車站站前外廣場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,為實際工程設(shè)計、施工提供一定參考價值。

        2 現(xiàn)狀箱涵概況

        2.1 工程概況

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

        圖1 箱涵平面布置示意圖

        本工程火車站外廣場待改造箱涵建設(shè)年代較早,且缺乏養(yǎng)護,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,排水量嚴重不足,造成人行地道段憋水,下大雨時地道段向外溢水,嚴重影響行人安全。另外,九江市火車站廣場及交通組織改造工程項目設(shè)計將火車站外廣場廬山南路兩側(cè)現(xiàn)狀綠地改造為停車場,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)壁錯動位移,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 障礙物影響過水?dāng)嗝?/p>

        圖5 側(cè)壁橫向裂縫

        根據(jù)CCTV 檢測結(jié)果,西側(cè)箱涵破損較為嚴重,主要病害有墻身產(chǎn)生裂紋、鋼筋剝落、底部隆起與塌陷、錯臺、滲水漏土,嚴重影響箱涵結(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。后期箱涵進行截污施工,箱涵出水口設(shè)置截流堰,雨季時箱涵內(nèi)外壓力均衡,箱涵結(jié)構(gòu)不致被破壞,非雨季時節(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,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,路基回填施工時碾壓不均衡,填筑不對稱等,往往會造成箱涵錯臺。

        5)本地區(qū)箱涵采用雨污合流進行排水,污水含有大量腐蝕性較強物質(zhì),箱涵混凝土結(jié)構(gòu)長期在腐蝕性環(huán)境下,頂板鋼筋混凝土保護層剝落,鋼筋裸露銹蝕,長期以來,頂板結(jié)構(gòu)承載力不足,出現(xiàn)較多裂縫,滲漏水嚴重,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廬山南路路邊綠化帶內(nèi),橫穿長虹大道和站前廣場停車場;在箱涵排口段,上方存在現(xiàn)狀南湖岸邊景觀平臺;箱涵起始端位于火車站外廣場人行地道入口。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)實施難度很大,考慮以上現(xiàn)實條件,可采用以下3 種方式進行箱涵修復(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。但是,施工周期長,需要破壞周邊綠化和現(xiàn)狀道路,交通組織較為困難,實際實施難度較大。

        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,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層厚度均勻,箱涵的質(zhì)量相對較好。但是,預(yù)制拼裝箱涵結(jié)構(gòu)需要的施工場地較大,需要破壞周邊綠化和現(xiàn)狀道路,交通組織較為困難,實際實施難度較大。

        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),施工簡單方便。

        3.4 比選分析

        針對本工程箱涵修復(fù),在施工期間九江火車站站前廣場處于運營狀態(tài),廣場進出車流量相對較大,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2.78 萬元;若采用開挖預(yù)制箱涵,每延米綜合造價2.96 萬元;若采用波紋鋼內(nèi)襯法,每延米綜合造價為2.09 萬元。相比傳統(tǒng)修復(fù)方式,約節(jié)省造價25%,主要相比傳統(tǒng)開挖重建方式,無須大面積破壞現(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、材料進出、通風(fēng)等要求即可,對周邊影響程度降到最低,綜合造價相對經(jīng)濟。

        通過上述對比可知,波紋鋼板內(nèi)襯修復(fù)具有施工快速、環(huán)保無污染、造價較低、施工方便的特點。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

        先對箱涵周邊進行注漿加固,使箱涵外壁與周邊土體密貼,然后施工臨時內(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)通過內(nèi)支撐支護,采用風(fēng)鎬破除已損壞的箱涵底板,向下開挖約0.5 m,然后進行波形鋼板拼裝,向下開挖的渣土通過采用自制導(dǎo)軌,鋼絲繩小車機械運輸至檢查井洞口處,在檢查井洞口處設(shè)置提升設(shè)備,提升到地面以后運輸?shù)街付ǖ攸c。箱涵檢查井根據(jù)現(xiàn)場實施條件,每80 m 左右設(shè)置1 個,主要滿足施工期間箱涵通風(fēng)、材料進出、人員進出的需求。

        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。安裝順序為先底部橫桿,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打孔注漿,在原老箱涵與波紋鋼板之間注入標(biāo)號為32.5 的水泥砂漿,使波紋鋼板與箱涵之間縫隙充實填滿,注漿時壓力不宜超過1.0 MPa,達到結(jié)構(gòu)傳力的作用,實現(xiàn)壓力均勻分布和整體受力,提高箱涵的抗壓強度。

        4.3 關(guān)鍵節(jié)點處理

        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 實際使用效果

        目前,本工程已經(jīng)全部實施完畢,已經(jīng)投入運營,經(jīng)過本次排水箱涵修復(fù),徹底解決九江站前外廣場排水不暢問題,確保站前廣場運營安全。

        5 結(jié)語

        本文依托九江火車站站前外廣場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)濟性以及實際使用價值。為今后同類型實際工程設(shè)計、施工、維護提供一定參考價值。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)保無污染、造價較低、施工方便的特點。

        2)波紋鋼內(nèi)襯修復(fù)現(xiàn)場安裝方便,無須使用大型設(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。

        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)準化設(shè)計,生產(chǎn)、設(shè)計簡單,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,便于運輸存放,施工工藝簡單,組裝快速,工期短等優(yōu)點。其缺點是耗用鋼材較混凝土管涵多,其價格受鋼材價格市場的影響較大。

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