中铁十二局集团第四工程有限公司 陕西西安 710000
摘要：金属钢波纹管涵是一种柔性结构，波纹管在结构上具有横向补偿位移的优良特性，可充分发挥金属抗拉性能，具有较大的抗沉降能力，设计简单、重量轻、运输方便、施工简单、施工工期短、造价低、荷载分布均匀等优良特性，因此，金属波纹管涵在现代公路建设中受到了青睐。该文以某旅游公路工程实例为研究对象，对金属波纹管涵的施工工艺、工程造价等方面进行对比研究，发现该类管涵具有传统涵洞无可比拟的优越性，可为金属波纹管涵在公路建设中的推广应用提供参考。
关键词：桥涵工程；金属钢波纹管涵；受力特性
1 前言
随着国民经济的发展，改革开放的不断深入，交通运输事业的快速发展，公路工程的建设速度不断加快，在建设过程中，涵洞作为一种重要的和常见结构设施，通常为满足排水、通道的要求，多年以来一直采用钢筋混凝土或圬工结构的涵洞，但该类涵洞存在设计繁琐、施工周期长、易出现沉陷及跳车现象等缺点，即使采用钢筋混凝土管涵也存在管节组合体及连接部位强度不够等缺陷；此外，在多年冻土、季节性冻土、膨胀土、软土等特殊地区，钢筋混凝土涵洞在使用过程中通常出现不同程度的损坏，更为严重的是当地基或基础不均匀沉降将导致涵洞的整体破坏，造成路基大范围的沉陷，给公路行车带来极为严重的安全隐患。亟待出现新的涵洞结构形式解决传统涵洞所面临的缺陷。
近年来，新材料、新工艺及新结构的不断应用于公路建设中，金属波纹管涵作为新材料及新结构，具有延性好、变形能力强、抗震性能好、能适应不同的复杂地形等优点，此外还具有重量轻、设计简单、施工技术难度低及周期短等特点，解决了传统涵洞所不能解决的问题。
2 金属钢波纹管的构造及特性
2.1 构造形式
金属钢波纹管涵一般具有管涵、拱涵及管拱涵三种基本形式，工程应用过程中一般以管涵的形式居多；当波纹管涵直径为30～150cm时，多采用直径相同的两片半圆拼装而成，若直径大于150cm时多采用多片拼装而成，连接的形式常为栓接。
2.2 受力特性
2.2.1 变形能力强
金属钢波纹管涵是一种柔性结构，波纹管在结构上具有横向补偿位移的优良特性，可充分发挥钢材抗拉性能强、变形性能优越的特点，具有较大的抗变形和抗沉降能力，能够较大程度地避免上部构造物破坏的问题，进而较好地避免了桥台跳车现象，提高了行车的舒适度与安全性，解决了圬工涵洞的沉降与路基的沉降不一致的问题。
2.2.2 耐久性
金属钢波纹管涵一般采用工厂加工制作，出厂前涵管及配套附件均经过热浸镀锌处理，每一道工序都有严格的质量检查把关，运至施工现场后，在工地现场对其涂刷沥青，进一步加强对其外观的保护防腐，以增加其设计使用年限，后期运营过程中还可根据具体情况在管内壁增涂沥青涂层对其加强养护，相比传统圬工涵洞具有耐久性好、养护费用低、重建几率低等优点。
2.2.3 施工简单、周期短
采用金属钢波纹管施工工期短，土建与型材安装可分开实施，然后进行整体拼装。此外，采用金属波纹管现场安装方便，一般采用高强螺栓连接，安装只需简单的安装工具，可以全部采用人工安装，不需要使用大型设备。
2.2.4 生态破坏少、环保
金属钢波纹管涵主体全部用钢材制成，只是构造物的洞口部分使用一些片石等建材，采用金属钢波纹管减少或根本上舍弃了常规建材，如水泥、黄砂、石子、木材的使用，对周围施工环境的破坏少，利于环保。
3 工程实例
3.1 工程概况
某旅游公路总长125.893km。该路段按照三级公路标准建设，路面宽度为8.5m（连接线为7.5m），桥梁设计荷载为公路-Ⅱ级。考虑到线路的重要性和地质地形的复杂性，更为重要的是该工程工期紧任务重，4月份进场，10月1日要求路面交工，因此，K9+088.05处原1-3x3m钢筋混凝土拱涵变更为金属钢波纹管涵，减少了施工工期的压力。该管涵为圆形整体管，采用分片拼装管，高强螺栓连接，全长173m，线型由两个不同半径的圆曲线组成，管内流水面坡度为5.3%。
3.2 金属钢波纹管技术参数
该工程所用的波纹管涵的主要技术参数见表一及图一所示：
表一 主要技术参数
波纹管所用材质用Q235-A或SS400热轧钢板加工成型，表面为热浸镀锌防腐处理，镀锌不小于600g/m2，平均厚度不小于84μm。连接方式：波纹板搭接、高强螺栓紧固，密封胶密封。
（图中：δ为壁厚，R为波峰（谷）半径）
图一 金属钢波纹管截面及波形示意图
3.3 施工工艺
金属钢波纹管涵施工主要包括施工放样、基础垫层填筑、管身安装、涵背回填、洞口铺砌、护坡防护施工等工艺流程。工艺流程图见图二
图二 金属钢波纹管施工流程图
3.3.1 施工放样
对施工场地进行平整，布置各种材料堆放场地，组织所需机械设备。施工前组织测量人员根据设计文件放出圆管轴线，打好中边桩，在涵管基础范围边缘撒上白灰线，测出原地面高程。
3.3.2 基础垫层填筑
基础材料采用砂砾填筑，顶层设置一层厚10cm的粗砂，最大粒径为12mm。填筑宽度底部为4.8m，两边按照1：1的坡度进行，基础厚度：（1）当基础为卵石、砾石、粗砂、中砂及整体岩层的情况时，厚度为80cm；（2）当基础为轻亚粘土、粘土及破碎岩层时，及当在干燥地区为粘土、亚粘土、轻亚粘土、细砂时，厚度为60cm。分两层摊铺，碾压密实，进行沉降量观测，沉降量不大于2mm。
3.3.3 管节安装
3.3.3.1 施工前准备
（1）备齐安装工具：梅花扳手（22～24mm）、活口扳手、小撬棍（φ12～16mm、长度50cm左右的圆钢）、撬棍（φ50mm长度1.8m的钢管）、手锤、凿子、螺丝刀（一字形）、千斤顶；（2）备齐涵管安装所需配件：螺丝及橡胶石棉垫；（3）检查波纹管各管节的长度、直径是否与该处涵洞相吻合；（4）设涵管安装指挥员一名，负责指挥起吊及施工人员现场操作。
3.3.3.2 安装操作方法
（1）安装前工作：检查涵管底部基础平整度、水平、标高，核对土建基准，确定涵洞位置、中心轴线、中点；（2）连接安装波纹管：根据涵洞实际情况，排放涵管。如果涵洞两侧进出水口是与路基同坡度的斜口形式，安装时先安装中间管节，在基础长度方向留出进出水口的位置。中间管节安装完毕，校正就位后再安装两侧进出水口。安装时从一侧排放第一根管节，使管中心与基础纵线中心线平行，同样把第二根管放置就位，当两根管相邻法兰间相距3～5cm缝隙时，用小撬棍对准法兰上的螺栓孔，使其两根管法兰上的螺栓孔对正，这时从第二节管的另一端用撬杠撬动管节，使其纵向平移，使两法兰间距在2cm左右，然后全部穿上螺栓，拧上螺丝，带平扣即可。此后以此方式逐节依次连接，每道涵洞中间管节无先后次序，可以随意连接；（3）镶石棉垫：由于现场地势等原因，有时相邻两法兰之间间距较小，这时用手锤、凿子把两法兰之间凿开大约1cm的缝隙，用螺丝刀把石棉垫镶在两法兰之间，有时管子顶部两法兰间距较大，石棉垫镶嵌困难，用绑丝把石棉垫绑在螺栓上固定，然后对称锁紧螺丝。直至从外观看两法兰之间只有2～5mm的缝隙即可；（4）管壁内外涂乳化沥青或热热沥青两遍，从外观看管壁内外均匀地涂成了黑管即可。一般沥青涂层的厚度要达到0.3～0.5mm；（5）用千斤顶校正涵管位置，使其中心在所规定的中心上。
表二 波纹钢板涵安装实测项目表
3.3.4 涵背回填
（1）为保证管底的回填质量，涵底楔形块处的填筑材料采用级配良好的天然砂砾或粗砂（含水量要求为最佳含水量2%左右），人工用小型打夯机在管身外向内侧进行夯实，打夯作用点必须紧贴管身，每个凹槽部位都必须夯实到位，确保管底的回填质量。
（2）涵背两侧的部位回填采用级配良好的天然砂砾或粗砂，使用小型夯实机械夯实。
（3）填筑时应分层填筑、分层压实，松铺厚度为15cm，压实度要求达到96%方可进行下层填筑。填筑前在管节两侧用红色油漆按每15cm高度标注，填筑时按标注线控制。
（4）填筑必须在涵管两侧同时对称、均衡地分层进行。
（5）涵洞上方回填厚度小于50cm时采用手扶振动压路机压实或用小于6t的静碾压路机压实，压实度不小于96%。
（6）当通道顶填土大于50cm后，方可采用YZ20压路机施工，每层20cm，压实度大于等于96%。
3.3.5 护坡防护
洞口设计采用端墙形式。洞口铺砌及护砌防护M7.5浆砌片石，应选择几何尺寸相对长和短的石块交错在同一层使之形成错索结构，保证错缝砌筑，不得竖缝、通缝。外露面应选择石块质地适当，细致色泽均匀，无风化剥落无裂纹的大石块进行凿面凿纹，以确保工程外露面的平整和准确的几何尺寸，轮廓要求清晰，线条直顺优美，并勾凹缝。
3.3.6 检验评定
通过对已建成的金属钢波纹管涵进行质量检查发现浆砌片石管座垫层砂浆强度，垫层宽度及厚度满足设计要求，相邻管节底面错台也均满足要求；外观管壁竖直，接缝平整，填缝饱满，施工质量合格。
3.4 经济比较
经该旅游公路相同直径的涵洞清单单价比较：金属钢波纹管涵每延米的造价是钢筋混凝土拱涵的0.7倍左右，是钢筋混凝土圆管涵的1.3倍左右。金属钢波纹管涵与钢筋混凝土拱涵、钢筋混凝土圆管涵的造价比较如表三：
表三 综合造价比较
对比表三各项数据可发现，钢波纹管涵的造价比钢筋混凝土拱涵的造价低出26%左右，且波纹管涵施工周期短，安装简单；钢波纹管涵的造价比钢筋混凝土圆管涵的造价高出28%左右，但前者施工周期短、受力性能好，其所产生的社会经济效益，要大于其工程造价所高出的部分，加之其后期养护费用低，重建几率小，从长远来看，其经济成本更低。
因此，金属钢波纹管的应用价值远大于传统涵洞，值得在山区旅游公路建设中推广。
论文作者:贺凯
论文发表刊物:《基层建设》2015年15期供稿
论文发表时间:2015/12/28
标签：涵洞论文; 波纹管论文; 金属论文; 涵管论文; 钢筋混凝土论文; 法兰论文; 螺栓论文; 《基层建设》2015年15期供稿论文;