王靜

山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 山西 太原 030012

常規(guī)涵洞多采用濕法作業(yè)，該施工方法存在諸多技術(shù)問題，質(zhì)量難以控制，施工工期長，對項(xiàng)目總工期影響大，勞動力成本較高。面對上述問題，有必要改變涵洞的設(shè)計(jì)和作業(yè)思路，采用新型結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配式涵洞可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)涵洞的缺點(diǎn)，工程質(zhì)量容易保證，施工速度快，能夠降低工程造價，已成為公路行業(yè)的最佳選擇。

1 概述

涵洞作為公路工程的重要組成部分之一，每公里約有3～4道，其結(jié)構(gòu)安全和良好的使用性能是公路及其周邊地區(qū)交通順暢的重要保障，也是農(nóng)田水利以及國防安全的必要需求。

現(xiàn)有涵洞主要采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆注蓋板涵、箱涵及拱涵。根據(jù)我國《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采用濕法作業(yè)的現(xiàn)澆混凝土涵洞施工，“在填埋式混凝土涵洞施工完工后，必須待其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后，方可進(jìn)行路堤填筑施工。”濕法作業(yè)影響路堤填筑施工的進(jìn)度；另外，在路堤填筑夯實(shí)過程中，機(jī)械碾壓的振動會對未完全形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的混凝土涵洞造成不良影響，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)受力不優(yōu)，不能充分發(fā)揮混凝土材料受壓的力學(xué)性能。濕法作業(yè)的現(xiàn)澆混凝土涵洞在工程中的技術(shù)問題主要體現(xiàn)在：

1）現(xiàn)場澆筑施工質(zhì)量較難保證。涵洞現(xiàn)場施工場地位于野外，場地條件復(fù)雜多變，而且一般施工單位對涵洞重視程度較低，施工人員專業(yè)技能參差不齊，導(dǎo)致涵洞現(xiàn)場澆筑及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量較難保證，離散性較大。容易出現(xiàn)的主要質(zhì)量問題有：

（1）構(gòu)件尺寸誤差大，鋼筋保護(hù)層厚度控制較差，耐久性差。

（2）涵洞工點(diǎn)分布較為零散，單個涵洞混凝土體量較小，施工條件差，野外施工混凝土運(yùn)輸、澆筑、振搗及養(yǎng)護(hù)都將影響涵洞質(zhì)量。

2）施工工期長，對項(xiàng)目總工期影響大。目前現(xiàn)澆涵洞施工工序一般為：地表清理，地基處理，依次施做涵洞基礎(chǔ)、涵洞，路基填筑，完成施工。涵洞現(xiàn)場澆筑施工工期較長，如果遇到軟土地基，涵洞制約項(xiàng)目工期更加顯著。

3）對環(huán)境和安全影響不利。涵洞施工路基開槽的現(xiàn)場條件較差，開槽后，較長時間不能回填，若出現(xiàn)溝底地下水上冒，以及長期下雨，都會造成溝槽垮塌的安全隱患。在現(xiàn)場進(jìn)行涵洞澆筑施工，也會對環(huán)境和安全帶來影響。施工時的噪聲、粉塵也會給周邊居民帶來不便。

4）勞動力成本較高。一直以來，較低的勞動力成本是我國制造業(yè)高速發(fā)展的重要原因之一，也是推動我國經(jīng)濟(jì)高速增長的主要動力。然而，隨著人口老齡化與經(jīng)濟(jì)全球化的不斷加深，勞動力成本急速上升已成為我國交通、建筑行業(yè)發(fā)展面臨的重要難題，各工程項(xiàng)目工地現(xiàn)場用人難的問題日益突出?，F(xiàn)場澆筑涵洞施工周期長、勞動力需求量大，勞動力成本逐年提高。

面對上述問題，近年來，施工構(gòu)件工廠化是技術(shù)發(fā)展已是必然趨勢，是提高工程質(zhì)量和修建速度、降低成本的主要方法，公路工程預(yù)制裝配式作業(yè)比例不斷上升。預(yù)制裝配式通道、涵洞等結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度易于保證，可制作自重輕，結(jié)構(gòu)精巧的高強(qiáng)度混凝土管片，與同類現(xiàn)澆混凝土建筑物相比，節(jié)省材料、造價低廉，能夠降低工程造價?，F(xiàn)場拼裝簡單、結(jié)構(gòu)拼裝后直接進(jìn)行回填，回填后便可交付使用，施工速度快適合于工廠化生產(chǎn)、工程質(zhì)量便于控制，克服了野外施工的種種弊端。盡管預(yù)制裝配式涵洞與現(xiàn)澆涵洞比較具有較大優(yōu)勢，但在現(xiàn)場工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，預(yù)制裝配式涵洞仍存在以下技術(shù)問題：

1）預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)改變了原有的結(jié)構(gòu)力學(xué)體系，現(xiàn)有的涵洞結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、設(shè)計(jì)算方法及各構(gòu)件連接方式等要點(diǎn)理論支持不夠。

2）接縫較多。接縫位置一般為涵洞施工的薄弱環(huán)節(jié)，接縫填充材料年久老化后容易造成涵洞漏水、漏砂。除此之外，接縫過多，受施工精度影響，會導(dǎo)致涵洞平整度降低。

3）精度要求高。預(yù)制涵洞受運(yùn)輸、安裝等方面制約，一般需要進(jìn)行模塊化，模塊化后對預(yù)制尺寸及精度要求較高，另一方面，對施工安裝精度也高。

4）運(yùn)輸、吊裝、安裝要求高。涵洞施工時一般路基未拉通，運(yùn)輸、吊裝及安裝條件較差。

在行業(yè)急需工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)型的背景下，針對上述技術(shù)問題，開展預(yù)制裝配式通道、涵洞成套技術(shù)研究，推廣大型公路工程預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用，在加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通行業(yè)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益的有機(jī)統(tǒng)一；在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)等各個環(huán)節(jié)集約利用資源、注重優(yōu)化交通基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸裝備結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸組織結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)；在提升行業(yè)監(jiān)管能力和企業(yè)組織管理水平，提高交通運(yùn)輸設(shè)施裝備節(jié)能環(huán)保水平；在提高土地、勞動力等資源利用效率，建成以低消耗、低排放、低污染、高效能、高效率、高效益為主要特征的綠色交通系統(tǒng)等方面，具有重要意義。

圖1 預(yù)制裝配式涵洞全貌

圖2 預(yù)制裝配式涵洞連接部細(xì)部圖

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，現(xiàn)有的涵洞建設(shè)很多是在現(xiàn)場澆筑混凝土形成的，需要投入大量的人力、物力和鋼模板，施工成本很高，并且現(xiàn)場澆筑受氣候影響較大，施工質(zhì)量難以控制。近年來，預(yù)制裝配式涵洞開始被廣泛應(yīng)用于城市涵洞，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化生產(chǎn)。國內(nèi)外專家在裝配式涵洞結(jié)構(gòu)受力、搭接強(qiáng)度、地基承載特性及施工技術(shù)等方面做了很多研究，并提出了很多有價值的研究成果[1-2]。

預(yù)制裝配式涵洞在整體式涵洞基礎(chǔ)上，結(jié)合預(yù)制安裝技術(shù)發(fā)展而來，形成了模塊化預(yù)制、現(xiàn)場裝配的新式技術(shù)。裝配式涵洞因其結(jié)構(gòu)形式的改變，其受力特性與整體式涵洞存在顯著差異，因此現(xiàn)有的涵洞結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、設(shè)計(jì)計(jì)算方法均要進(jìn)行改變以適應(yīng)實(shí)際。預(yù)制裝配式涵洞最早在歐美等西方國家應(yīng)用。美國在20世紀(jì)70年代末80年代初開始采用預(yù)制裝配式箱涵，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會提出預(yù)制裝配式涵洞設(shè)計(jì)規(guī)范ASTM-C1433，其提供了跨徑×凈高（單位：m）從0.9×0.6至3.3×3.3的全斷面預(yù)制裝配式涵洞。我國目前僅有少量地方規(guī)范尚缺乏行業(yè)規(guī)范，沒有明確的裝配式涵洞設(shè)計(jì)方法。目前，發(fā)達(dá)國家現(xiàn)代化城市中的地下工程大多都由預(yù)制箱涵組成，歐、美、日等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家已大量采用預(yù)制裝配式混凝土箱涵，并由多家專業(yè)化預(yù)制裝配式混凝土生產(chǎn)廠家提供相關(guān)技術(shù)支持，如美國Oldcastle公司、OMEGATM、法國的Matière公司等。然而預(yù)制裝配式涵洞在我國發(fā)展較晚，雖然已在一些省份開展相關(guān)研究，但亟需基于我國預(yù)制裝配式涵洞的特點(diǎn)、技術(shù)條件等因素形成我國標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)與施工一體化方法[3]。

自交通運(yùn)輸部2011年印發(fā)《高速公路施工標(biāo)準(zhǔn)化活動實(shí)施方案》以來，我國各省份相繼開展了裝配式涵洞技術(shù)的探索與研究，目前已在在安徽、廣東、山西等省份開展了裝配式涵洞與通道的研究，在內(nèi)蒙古包茂高速[4]、安徽省徐明高速公路[5]、山西昔榆高速公路[6-9]等得到應(yīng)用。

圖3 裝配式涵洞鋼筋整體吊裝

通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，可將預(yù)制裝配式涵洞的主要研究重點(diǎn)歸納為：預(yù)制裝配式涵洞的模塊化、裝配式涵洞構(gòu)件連接方式、裝配式涵洞受力與變形特性、裝配式涵洞設(shè)計(jì)方法。然而，現(xiàn)有研究并未給出系統(tǒng)的模塊化、構(gòu)件連接方式、設(shè)計(jì)方法的深入分析，多為幾種典型的預(yù)制裝配式涵洞的受力與變形特性。此外，裝配式涵洞工程當(dāng)前已開展的現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)較少，在理論分析深度上有待挖掘，數(shù)值模擬的研究結(jié)果需進(jìn)一步驗(yàn)證和提高精確性，因而在該領(lǐng)域亟需開展系統(tǒng)性研究。

此外，在探明了涵洞巖土體-地基相互作用下地基豎向承載機(jī)理的基礎(chǔ)上，解決了預(yù)制裝配式通道的合理模塊劃分方法、設(shè)計(jì)荷載計(jì)算、結(jié)構(gòu)受力與變形特性、施工技術(shù)及質(zhì)量控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)等方面的相關(guān)技術(shù)難題。

國內(nèi)外對預(yù)制裝配式涵洞生產(chǎn)技術(shù)已具有初步的了解，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好效果，但是目前對裝配式涵洞的設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及各構(gòu)件連接方式等要點(diǎn)都沒有進(jìn)行深入的研究，工程實(shí)踐也比較少；尤其是預(yù)制裝配式涵洞進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，建立一個成熟和完善的工程技術(shù)體系。

山西基于理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)，綜合實(shí)際地形地貌特征、地基承載力等因素，建立了填土、涵洞、地基共同作用計(jì)算模型，分析了不同拼接方式的涵洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形特性，提出了預(yù)制裝配式通道的合理模塊劃分、設(shè)計(jì)荷載計(jì)算、結(jié)構(gòu)受力與變形特性等方面的設(shè)計(jì)分析方法。結(jié)合昔陽（晉冀界）至榆次高速公路的預(yù)制裝配式涵洞工程實(shí)際，從測量放樣、基坑開挖、地基處理、墊層澆筑、構(gòu)建運(yùn)輸與拼裝、臺背回填等方面提出了適于裝配式涵洞施工的施工工藝及洞身質(zhì)量控制措施，有效確保了裝配式涵洞施工技術(shù)的規(guī)范性和可靠性，顯著提高了工程質(zhì)量。

圖4 山西昔榆高速裝配式涵洞斷面

3 研究意義和應(yīng)用前景

涵洞的設(shè)計(jì)與施工工藝對于公路建設(shè)成功有著極為重要的影響，而涵洞尺寸、混凝土強(qiáng)度及地基土破壞模式等因素都會直接影響到涵洞質(zhì)量。研究成果應(yīng)用于預(yù)制裝配式通道建設(shè)中，大大減小了傳統(tǒng)現(xiàn)澆涵洞施工中存在的環(huán)境污染，更大程度上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化施工。并且，工廠化的施工減少了傳統(tǒng)涵洞施工中作業(yè)期間的安全隱患。研究成果一方面能直接用于指導(dǎo)預(yù)制裝配式通道涵洞工程的設(shè)計(jì)和施工，并科學(xué)指導(dǎo)涵洞使用期間的維護(hù)與安全保障。另一方面，各種研究改進(jìn)了預(yù)制裝配式通道工程的理論支撐體系，可補(bǔ)充和完善現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范、規(guī)程中的設(shè)計(jì)計(jì)算理論與施工技術(shù)，對預(yù)制裝配式涵洞建設(shè)具有極其重要的指導(dǎo)、借鑒意義。

各項(xiàng)研究提出的研究成果，在確保涵洞安全可靠的前提下，加快了施工的進(jìn)度，縮短了施工工期。采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、工業(yè)化的生產(chǎn)和安裝，生產(chǎn)效率顯著提高，實(shí)現(xiàn)了模板高效利用，建立了質(zhì)量控制體系，可準(zhǔn)確評價裝配式涵洞的安全性，有效地提高了裝配式涵洞的建設(shè)質(zhì)量，使涵洞工程的耐久性和使用性能得到進(jìn)一步的提高。并且，裝配式涵洞可將設(shè)計(jì)施工一體化，保證在施工各階段能夠同步進(jìn)行信息化的控制和管理，提高施工效率，同時達(dá)到減少人力、財(cái)力、工期以及節(jié)能環(huán)保的目的。