高填路基中装配式波纹钢箱拱型涵洞施工技术研究

尹云厅,盛兴富,李 维,彭俊文,站福军

（1.四川交投设计咨询研究院有限责任公司,四川 成都 610041; 2.南京联众工程技术有限公司,江苏 南京 210000）

0 引言

目前，公路通道、箱涵以及中小桥梁工程，大部分是由钢筋混凝土制成，但存在钢筋混凝土结构造价很高，现浇施工养护周期长，预制结构接缝多，接缝密封困难，在使用过程中易开裂、漏水，维护成本高，工程水泥、砂石用量大，不利于环保等问题，不符合国家现在积极倡导的绿色建筑和装配式建筑政策[1]。

传统的分片搭接结构的圆形截面波纹钢管，在欧美国家已有百余年的悠久历史和成功应用案例。该结构是一种典型的柔性结构，通过波纹钢薄壁与土壤的相互作用，将结构上部的荷载分散到周围的土体上，以承受较大的活载和较高的填土[2]。

在国内，关于传统的分片搭接结构的圆形截面波纹钢管，进入21 世纪后，才逐步展开了公路波纹钢结构的理论和试验研究，并发布了相关的产品标准。然而，国内基本上都参照加拿大规范，并根据设计单位和制造商对这种结构的认识和经验进行设计和施工。由于传统的分片搭接结构的圆形截面波纹钢管漏水问题，自身结构问题，无法预变形问题，圆形截面内部空间利用限制问题，局部螺栓无法安装问题，回填管理盲区问题以及市场管理问题[3]。在实际应用中，出现了很多严重问题，致使多个省份禁用，严重制约了该类产品大规模的推广和使用。

该文介绍了一种新型的装配式波纹钢箱拱型涵洞结构构造以及施工要点，希望可为实际工程应用提供一种新型选材参考。

1 波纹钢箱拱型涵洞概述

1.1 波纹钢箱拱型涵洞发展简况

波纹钢埋置式结构在欧美国家已有百余年的历史和成功应用案例，是一种典型的半柔性结构，通过波纹钢结构与周围土壤的相互作用（土结共同受力原理），以承受较大的活载和较高的覆土[4]。

波纹钢箱拱型涵（隧道式）结构，是在旧式结构的圆形、拱型（马蹄形）、大半圆形等多种开口截面与闭口截面结构的波纹钢管涵洞及通道基础上，优化升级换代的结构及技术[5]，解决了旧式结构在变形、漏水、耐久性等方面的缺陷，箱拱涵断面发展变迁见图1。

图1 箱拱涵发展变迁图

波纹钢箱拱涵（隧道式）结构具有矩形结构物断面的净空空间优势，也具有圆形地下结构的受力性能优势，高跨比可变，可用于高跨比较小的大型通道，也可用于高跨比较大的综合管廊，多连孔结构可替代中小型桥梁。

1.2 传统的分片搭接波纹钢管涵的问题

（1）传统的分片搭接结构的圆形截面波纹钢管在防水密封方法上存在两个技术难题或者说技术缺陷：①产品的连接方式都是搭接，搭接缝太多，很难密封。并且，搭接缝中间不能设止水垫片，否则会严重影响装配。②螺栓孔全部为贯穿管壁的，几乎无法有效密封。

（2）传统的分片搭接结构的圆形截面波纹钢管对两侧楔形部位回填的密实度依赖性大，但相当多的工程密实度达不到设计要求，且楔形部位回填密实时，管体滚动及上浮难以控制。楔形部位的回填非常重要，且是关键性工序，但充填的施工操作非常难，至今没有合适的施工方法。

（3）传统的分片搭接结构的圆形截面波纹钢管作为行车或人行通道时，其圆形断面净空利用率低，通行空间受限，很难用于跨度大于6 m 的通道及暗板桥。

（4）传统的分片搭接结构的圆形截面波纹钢管安装时，螺栓需要从管内穿向管外，螺母在管外拧紧，但底部螺栓的管外是地基，无操作空间[6]。

1.3 装配式波纹钢箱拱涵洞性能优势

（1）装配式波纹钢箱拱型涵洞结构下部及标准节段之间的连接，采用法兰对接连接型式（螺栓不贯穿结构体内外），非传统板片搭接连接型式（螺栓贯穿结构体内外），再通过布设密封垫、防水布及防水涂料等多重密封方式，用以解决传统圆形截面波纹钢管结构漏水问题。

（2）装配式波纹钢箱拱型涵洞结构底部充填流态自密实水泥固化土，用以解决传统圆形截面下部楔形关键部位回填密实度不达标问题。

（3）装配式波纹钢箱拱型涵洞结构截面为箱拱型断面型式，通道内部净空间利用率及通行净宽与净高得以提高，具有矩形结构物断面的净空空间优势。

（4）装配式波纹钢箱拱型涵洞结构可以根据跨度和填土高度及回填介质情况，在产品制造时设置预变形量。

2 工程项目应用

四川成绵高速公路土建2 标施工范围为K55+000~K66+100，全长11.1 km，其中高速范围内共有桥梁17 座，包括大桥11 座，中桥6 座；涵洞32 道，通道47 道。其中15 道为钢波纹管涵，涵洞孔径为2~6 m，管顶填土高度为1~45 m。其中K57+415 通道采用1-4×4 m 波纹钢箱拱型通道，如图2 所示。该路段部分地形较为复杂，沟壑纵横，高填深挖较多，传统的盖板涵受覆土高度限制，不适合该项目高填路基段采用，而钢筋混凝拱涵对施工要求高、后期病害多已基本不再使用。

图2 1-4×4 m 装配式波纹钢箱拱型通道

对高填通道可供选择的结构形式有传统的圆形波纹钢管涵（涵底水泥土铺平）、新型装配式波纹钢箱拱涵（隧道式）涵洞。通过以上结构形式对比分析，本着标准化、装配化原则，该项目涵洞选型原则如下：

（1）过水涵洞选用增加塑料陶瓷层的波纹钢箱拱涵（隧道式）。

（2）低填土路基段，受箱拱涵净高要求，不宜采用箱拱涵，采用盖板涵。

（3）填土不受控地段的通道均采用装配式波纹钢箱拱涵（隧道式）。

3 装配式波纹钢箱拱涵施工要点

3.1 基础施工

根据设计图纸，施工单位放线测量员给出起始桩号线与中心轴线方向标记。浇筑垫层前（施工单位基坑开挖深度按图保质完成），布置垫层内施工抗浮拉筋，浇筑流态固化水泥土至设计标高，保证垫层表面平整度。

3.2 波纹钢箱拱涵主体结构施工

施工顺序为底板安装→侧板安装→顶板安装→节间拼接→底板与垫层间空隙流态固化水泥土浇筑→行车及排水通道设置→洞口施工。

（1）底板吊装：①吊装时做好防护措施，起吊和平移应缓慢。将底板竖直下吊至垫层。②底板下部两侧调平块下放置砖块（MU30）垫平，前后侧中心位置下放置砖或木板微调高差，底板吊装放置于砖块上，通过激光水平仪测量底板标高及底板两端节间连接法兰孔中心与轴向中心线对齐。③在底板与波纹法兰连接面位置铺设密封垫。

（2）侧板吊装：①竖直吊起侧板，侧板上焊接的波纹式法兰面直接对接底板。②通道侧板与底板用M24 螺栓固定（螺栓初拧）。③侧板与底板夹角处设置支撑，支撑上螺栓孔与侧板、底板端部螺栓孔栓接防止倾倒。

（3）顶板吊装：①顶板下吊方式与底板一致，只需注意板片拱向与底板相反。通道顶板与侧板用M24 螺栓固定（螺母在通道内侧且螺栓初拧）。螺栓未初拧前禁止松开吊索，确保吊装安全。②拆除两端头支撑，组装完成后进行外形校正，校正完毕后，所有纵向螺栓终拧。③通道用“八”字型或“火”字型拉索定型，拉索在施工回填至顶部填土＞0.5 m 时拆除。④在单节通道螺栓全部拧紧后，在通道外侧螺栓、螺柱孔及通道外侧顶板分片搭接缝、顶板与侧板搭接缝处使用自粘塑料贴膜密封（防水层宽出搭接缝5 cm）；然后在底板外侧焊接施工抗浮拉筋，垫层拉筋与对应位置的底板上预焊的焊钉对焊。

（4）节间拼接：①铺设环向密封垫，环向密封垫铺设成密闭整环。②按上述步骤3~6 依次完成第二节、第三节……拼装，节间环向螺栓拧紧。

（5）底板与垫层间空隙流态固化水泥土浇筑：待通道安装完成后在通道外部做淋水实验，找出漏点且补漏合格后方可实施底部填充等后续工序。按设计要求立模并控制模板边界，浇筑流态固化水泥土，待流态固化水泥土与底板外侧完全密实即可。

3.3 回填工程

通道两侧及顶部回填前，应清除回填区植被、有机土壤、松散沉积物和粒径大于80 mm 的卵砾石；结构性回填应分层水平对称填筑，压实厚度不得超过20 cm。填筑应在通道两侧同时进行，两侧高差不得大于20 cm，并严密监测通道变形。压实度应满足相关设计要求，且压实度应不小于96%。

底板外侧楔形部位的填料应与结构紧密压实，根据不同覆土高度采用流态固化水泥土和C30 混凝土填充。

4 施工注意事项

4.1 密封设计

（1）该结构防水设计应综合考虑气候条件、水文地质状况、结构特点、施工方法和使用条件等因素，并满足结构的安全、耐久性和使用要求。

（2）结构现场拼接的连接缝，顶板与侧板采用自身板片搭接螺栓拧紧后，在通道外侧螺栓、螺柱孔及通道外侧顶板与侧板的接缝处使用自粘塑料贴膜密封（防水层宽出搭接缝5 cm）。

（3）侧板与底板之间和节与节之间利用螺栓和法兰压紧橡胶密封垫的密封方式。

（4）通道角部纵向接缝与节间环向接缝的交叉点的通道外部底板上最邻近波槽的外端设置堵板，向波槽内浇筑非固化橡胶沥青防水材料，其液面应高于上述交叉点。

4.2 耐久性设计

热浸镀锌防腐方式适合于合国家标准《岩土工程勘察规范》（GB 50021）的规定微腐蚀、弱腐蚀和中等防腐等级。

低合金高强度结构钢的波纹钢结构墙板以及高强度螺栓、螺母、垫块等，出厂前宜进行热浸镀锌防腐处理；热浸镀锌所用的锌应为GB/T 470 规定的1 号锌或0 号锌，钢表面处理的最低等级为Sa2.5，热浸镀锌防腐设计除应符合国家标准《金属覆盖层 钢铁制件热浸镀锌层技术要求及实验方法》（GB/T 13912）的规定，尚应符合表1的规定。

表1 热浸镀锌质量要求

5 施工验收要点

5.1 一般规定

装配式波纹钢箱拱型通道主体结构分部工程质量应符合下列规定：①各分项工程质量均应符合合格质量标准。②质量控制资料和文件应完整。③有关安全及功能的检验和见证检测结果应符合合格质量标准的要求。④有关观感质量应符合合格质量标准的要求。

5.2 基础工程验收

装配式波纹钢箱拱型通道基础处理应密实、无积水，地基承载力、压实度、纵断高程、轴线偏位以及宽度的检查数量、检查方法以及允许偏差应满足表2 的要求，其中地基承载力、压实度、纵断面高程以及轴线偏位为主控项目，其他为一般项目。

表2 装配式波形钢箱拱型通道基础检查项目及要求

5.3 结构拼装工程

装配式波纹钢箱拱型通道安装外观质量验收标准应符合下列要求：①装配式波纹钢箱拱型通道整体顺直、无弯曲。②管壁不得有裂纹、凹陷、鼓包、划痕等缺陷。③法兰连接严密、平整。④涂层应无漏涂，且表面光滑、连续、均匀，无肉眼可见的空隙、裂缝、脱皮、破损等缺陷。⑤管壁无污染。装配式波纹钢箱拱型通道尺寸及其允许偏差应符合表3~5 的规定，其中轴线偏位、结构底高程、结构水平向、结构铅垂向以及螺栓拧紧力矩为主控项目，其他为一般项目。

表3 装配式波形钢箱拱型通道结构尺寸及允许偏差

表4 装配式波形钢箱拱型通道法兰连接螺栓拧紧力矩

表5 装配式波形钢箱拱型通道搭接连接螺栓拧紧力矩

5.4 防水工程

装配式波纹钢箱拱型通道密封材料的性能指标应符合本规程和现行国家标准《城市综合管廊工程技术规范》（GB50838）的有关规定。密封检查及其允许偏差应符合表6 的规定，其中纵向拼接间隙、节间拼接间隙为主控项目，其他为一般项目。

表6 密封检查项目及允许偏差

5.5 防腐工程

装配式波纹钢箱拱型通道防腐工程检查项目及允许偏差应符合表7 的规定，其中镀锌层厚度是主控项目，其他为一般项目。

表7 防腐工程检查项目及允许偏差

5.6 回填工程

装配式波纹钢箱拱型通道基槽回填每层填料无超设计要求的粒径，每层碾压应平整、密实。回填检查项目及允许偏差应符合表8 的规定，其中密实度、最小覆土厚度为主控项目，其他为一般项目。

表8 回填工程检查项目及允许偏差

6 结语

钢结构具有良好的延性，抗拉、抗压、抗剪强度高，结构构件自重轻，装配化施工速度快。装配式波纹钢箱拱型涵洞结构就是一种典型的钢结构应用，在功能上能解决传统圆形截面的波纹钢管的变形、漏水等问题。波纹钢箱拱型通道结构内部净空利用率高，装配式施工工期短，经济性好，应用前景广阔，特别在高填方路段相较钢筋混凝土结构具有明显经济优势[7]。可通过在部分项目上建设样品工程，现场实验结合理论研究完成相关参数及标准体系的建设，逐步扩大绿色装配钢结构的应用范围。