孫建光， 鐘明， 易達， 金玉良， 胡濱*

(1.中交第四公路工程局有限公司， 北京市 100022； 2．中交第一公路勘察設計研究院有限公司； 3．西安中交土木科技有限公司)

1 引言

鋼波紋管涵洞是一種波紋狀的拼裝結(jié)構(gòu)，英國首先用于灌溉農(nóng)田的涵洞，隨后美國、加拿大在公路工程中進行了大量應用，積累了豐富的經(jīng)驗，日本、韓國也進行了鋼波紋管橋涵結(jié)構(gòu)的應用，并對其進行了防腐等方面的研究，制定了各國的標準規(guī)范。中國1995—1997年在青藏公路應用，取得了成功，解決了多年凍土地區(qū)混凝土涵洞由于凍脹融沉產(chǎn)生的裂縫問題。截至目前，中國已經(jīng)在青海、安徽、西藏、內(nèi)蒙、新疆、湖南、山西、河北等30多個省區(qū)進行了推廣應用。雖然中國一些研究機構(gòu)和高校對公路小孔徑(孔徑小于4 m)鋼波紋管涵洞受力變形、防腐等方面也進行了研究，但關(guān)于高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞的受力特征、設計和施工技術(shù)方面研究得較少，制約了鋼波紋管涵洞在公路工程中的推廣，因此很有必要對其進行研究。

隨著中國公路行業(yè)的快速發(fā)展，鋼波紋管涵洞在公路工程中應用越來越多，特別是在山嶺重丘地區(qū)應用數(shù)量快速增長，但中國關(guān)于高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞土壓力研究較少。該文通過對貴州江口至玉屏高速公路高填方6 m孔徑鋼波紋管涵洞施工過程中分層土壓力的分析，揭示隨著填土高度增加鋼波紋管涵洞管周不同位置土壓力的變化規(guī)律，同時對比分析鋼波紋管涵洞與混凝土涵洞的經(jīng)濟和社會效益。

2 依托工程概況

依托工程為江口至玉屏高速公路5標樁號K45+936雙孔直徑6 m鋼波紋管涵洞，兩孔之間凈距為2 m，波形參數(shù)為波距300 mm×波高110 mm，壁厚為6 mm(鍍鋅前)，所用材料為Q235鋼材，鋼波紋板出廠時采用熱浸鍍鋅進行防腐處理，運輸至現(xiàn)場采用螺栓進行拼裝施工，且現(xiàn)場安裝前管壁內(nèi)外均勻涂刷瀝青二次防腐。鋼波紋管楔形部位采用粗砂填充、“水密法”施工，進出口為八字墻結(jié)構(gòu)。管周1 m、兩管之間及管頂填筑1 m范圍內(nèi)采用小型夯機進行夯實，其他施工區(qū)域采用重量為25 t壓路機進行壓實，管頂填筑高度為13.53 m。

3 試驗方案

3.1 鋼波紋管涵洞外壁土壓力測試方案

土壓力盒出廠前進行了校準，現(xiàn)場進行試測已確保其準確性。按照試驗方案，在鋼波紋管外壁不同角度按以下方法依次埋設壓力盒：壓力盒切著管壁，與管壁之間、壓力盒周圍均采用細沙填充，人工夯實后采用細土再次回填。

壓力盒按照一定角度在管外埋設，具體為：在路中位置鋼波紋管外側(cè)按照一定的角度進行壓力盒的布置，依次為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330°共計12個測點。相隔1.8 m按照同樣方案布置，作為對照，合計24個測點。具體布設如圖1所示。

圖1 鋼波紋管涵洞外壁壓力盒布置圖

3.2 測試工況

鋼波紋管涵洞施工時，管周0.3 m及管頂0.5 m范圍內(nèi)應禁止機械施工，避免機械對鋼波紋管的破壞。管側(cè)及管頂均采用分層填筑，每層填筑完成后機械駛離鋼波紋管20 m以外停止施工，后采用土壓力測試儀器進行數(shù)據(jù)采集，待采集完成后方可進行下一步施工。具體測試工況見表1。

表1 測試工況匯總

4 鋼波紋管涵洞管外壁徑向土壓力測試結(jié)果及分析

4.1 管周徑向土壓力隨填土高度的變化規(guī)律

管周徑向土壓力隨填土高度的變化規(guī)律見圖2。

從圖2可以看出：

圖2 管周徑向土壓力隨填土高度的變化規(guī)律

(1) 鋼波紋管涵洞施工過程中，隨著填土高度的不斷增加，各測點徑向土壓力值均逐漸增大。

(2) 總體上，管周各角度的土壓力增長分為3個階段：① 第1階段波動增長區(qū)(管頂+0.2 m至管頂+1.0 m)，各測點徑向土壓力增長幅度較小，這是由于管頂填土1.0 m范圍內(nèi)，為避免大型機械施工使鋼波紋管產(chǎn)生較大變形，甚至出現(xiàn)垮塌等現(xiàn)象，而采用重量較輕的夯機配合人工進行夯實，壓實不夠引起的；② 第2階段為快速增長區(qū)(管頂+2.2 m至管頂+9.2 m，即填土從管頂至1.5D左右，D為直徑)，隨著填土高度的增加以及施工機械進一步的壓實，彌補了第1階段壓力值不足，部分角度徑向土壓力值突然增大，但大小關(guān)系保持一致，管底180°>管側(cè)90°>管側(cè)270°>管側(cè)120°>管側(cè)240°>管頂0°>管側(cè)60°>管側(cè)300°>管側(cè)210°>管側(cè)30°>管側(cè)330°；③ 第3階段為緩慢增長區(qū)(管頂+11.8 m至路面頂部，即填土約為2D至路面頂部)，各角度徑向土壓力值隨著填土高度增加幾乎不變，這是由于鋼波紋管與周圍土體形成土拱效應，形成拱區(qū)，減少了鋼波紋管的受力。

(3) 施工過程中，填土管頂+9.2 m時，各角度土壓力由快速增長變?yōu)榫徛鲩L，處于增長的拐點，施工時應注意觀察并進行必要的檢測。

(4) 總體上管底180°、管側(cè)90°、管側(cè)270°和管頂0°位置土壓力較大，這是因為鋼波紋管涵洞為薄殼結(jié)構(gòu)，隨著管頂填土的增加，該4處測點變形較大，但最大壓力值小于允許值，結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定。

(5) 各測點徑向土壓力均以拋物線形式增長，只是與管頂填土高度的增長斜率有所不同。管頂0°在填土至管頂+9.2 m時突然增大，說明此時管頂周圍受力較大，施工時應進行同步觀測。

4.2 管周徑向土壓力隨測試位置的變化規(guī)律

管周徑向土壓力隨測試位置的變化規(guī)律見圖3。

從圖3可以看出：

圖3 管周徑向土壓力隨測試位置變化規(guī)律

(1) 隨著填土高度的增加，不同角度徑向土壓力分布較為均勻，隨著填土高度的增加逐漸增大。

(2) 隨著測試位置的變化，從管頂0°→管周330°變化過程中，土壓力變化規(guī)律為減小→增大→減小→增大→減小→增大→減小的過程，且呈波浪形變化。

(3) 除管頂0°以外，各測點以管底180°為對稱軸，呈現(xiàn)對稱分布的規(guī)律，說明受管周及管頂土體的約束，鋼波紋管受力較為均衡，有利于鋼波紋管涵洞的整體穩(wěn)定性。

(4) 管周90°、管底180°和管周270°出現(xiàn)應力集中，但各角度的最大應力值均小于鋼材的允許應力值，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。雖然壓力較小，但施工時應采取一定的措施確保工程的整體安全穩(wěn)定性。

(5) 總體上，各角度土壓力值變化規(guī)律明顯，隨著填土高度的增加逐層遞增，管底180°的增加幅度要大于其他角度，說明管底受較大的土壓力，因此在鋼波紋管涵洞地基處理時，應保證地基換填材料滿足規(guī)范要求，且壓實后的承載力滿足設計要求，以免工后產(chǎn)生較大的變形。

5 鋼波紋管涵洞效益分析

5.1 經(jīng)濟效益分析

鋼波紋管涵洞采用工廠標準化生產(chǎn)，運輸至現(xiàn)場進行拼裝施工，工藝簡單方便，施工速度快，相比較于混凝土涵洞可大幅度縮短施工工期，縮短高速公路項目的建設時間，進而減少施工時人員和機械成本費用的投入，同時相對提高項目運營時間，使項目能盡快投入到運營階段，盡早產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

在公路高填方路基工程中，考慮到地基處理的費用、基礎(chǔ)換填及管涵兩側(cè)回填施工的費用，鋼波紋管涵洞較混凝土涵洞節(jié)約工程造價。項目組通過對貴州省江玉高速、都勻高速等多條高速公路的調(diào)研，并進行了鋼波紋管涵洞與混凝土涵洞的造價對比分析，總體上孔徑越大，鋼波紋管涵洞節(jié)省造價越多?？讖叫∮? m的鋼波紋管涵洞與混凝土涵洞造價相當，節(jié)省工期10～30 d；孔徑3～5 m時，與鋼筋混凝土蓋板涵造價比較節(jié)約10%左右，相應地節(jié)省工期30～60 d；孔徑6～8 m時，與鋼筋混凝土橋梁造價比較節(jié)約18%左右，相應地節(jié)省工期50～90 d；孔徑9～10 m時，與鋼筋混凝土橋梁造價比較節(jié)約25%左右，相應地節(jié)省工期80～150 d?？傮w上采用鋼波紋管結(jié)構(gòu)減少了工程造價，縮短了施工工期，經(jīng)濟效益顯著。

5.2 社會效益分析

鋼波紋管涵洞采用拼裝工藝，施工速度快，不需要混凝土結(jié)構(gòu)支模、拆模及后期養(yǎng)生，受天氣影響較小，可在雨季和冬季施工，解決了山嶺重丘區(qū)多雨雪天氣影響工程質(zhì)量和工程進度，解決了冬季溫度較低影響混凝土施工質(zhì)量的難題。

由于受山嶺重丘區(qū)公路工程高填方路基的影響，材料缺乏及地形的限制，混凝土涵洞后期維護常常較為困難，需要投入大量的人力物力，而鋼波紋管涵洞在后期只需定期涂刷乳化瀝青進行防腐維護，不但施工工藝簡單、操作方便，而且節(jié)省了后期維護成本。

對于一些特殊地區(qū)(如軟土、凍土、濕陷性黃土等地區(qū))，應用混凝土涵洞經(jīng)常出現(xiàn)地基變形產(chǎn)生裂縫進而引起結(jié)構(gòu)物的破壞，鋼波紋管涵洞采用拼裝施工，能較大地適應地基產(chǎn)生的變形，避免了結(jié)構(gòu)物破壞引起的工程事故，特別適合在以上地區(qū)使用。水毀路段、軍事保修等臨時工程，采用鋼波紋管涵洞更具有優(yōu)勢。

鋼波紋管涵洞減少了砂石、水泥等材料的用量，避免了山石開采對環(huán)境的破壞，減少了環(huán)境污染，有利于環(huán)保，同時所用鋼材后期可回收利用，避免了混凝土結(jié)構(gòu)后期拆除對環(huán)境的進一步破壞，符合國家提倡的“環(huán)境友好型”理念。

6 結(jié)論

通過對鋼波紋管涵洞管外不同角度位置現(xiàn)場布置土壓力盒，持續(xù)對路基填筑高度13.65 m、孔徑6 m的鋼波紋管涵洞施工過程中管外徑向土壓力值進行了觀測，得出了高填方大孔徑鋼波紋管涵洞的管外徑向土壓力變化規(guī)律，并對鋼波紋管涵洞的經(jīng)濟和社會效益進行了分析，得到以下結(jié)論：

(1) 施工過程中，隨著填土高度的不斷增加，鋼波紋管涵洞各測點徑向土壓力值逐漸增大，且呈現(xiàn)出拋物線形式的增長曲線。

(2) 總體上，隨著填土高度的增加，鋼波紋管涵洞管外徑向土壓力增長分為波動增長→快速增長→緩慢增長的過程。

(3) 隨著測試位置的變化，從管頂0°→管周330°變化過程中，土壓力為減小→增大→減小→增大→減小→增大→減小的過程，且呈波浪形變化。除管頂0°以外，各測點以管底180°為對稱軸，呈現(xiàn)對稱分布的規(guī)律。

(4) 鋼波紋管涵洞采用工廠標準化生產(chǎn)，施工工藝簡單，相比較于混凝土結(jié)構(gòu)，孔徑越大節(jié)省造價越多，同時可大幅度縮短施工工期。鋼波紋管涵洞受天氣影響較小，減少了砂石等材料的開采，后期維護方便且可回收利用，有利于環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。