预制装配式混凝土箱涵设计与施工

GXF360 2019-09-21

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涵洞是公路工程的重要组成部分，主要体现在工程数量和工程造价上。根据相关资料，涵洞工程数量占桥涵工程总数的60%～70%，平原地区公路每公里平均有1～3座，山岭重丘地区公路每公里平均有4～6座。涵洞工程造价占桥涵工程造价总额的30%左右[1]。

长期以来，我国的涵洞工程多采用以现场施工为主的传统生产方式，这种生产方式工业化程度不高、设计建造较粗放、建设效率低、资源和能源消耗大，不能满足节能环保的建设要求。相较之下，预制装配化和工业化生产可以整合设计、生产及施工等整个产业链，大幅提高劳动效率，降低对人力资源的需求，同时，工业化的生产环境可以保障从业人员的安全。因此，构建以工业化为主体的精益建造模式成为解决劳动力短缺及安全和质量得不到保证等诸多问题的有效途径，也是实现涵洞产品节能、环保及全生命周期价值最大化的可持续生产方式。

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目前，我国常见的涵洞主要有圆管涵、拱涵、盖板涵和箱涵四种类型。其中，箱涵具有整体性强、承载能力高的特点，适用性较强。因此，本文以预制装配式混凝土箱涵为主要研究对象。

1 装配式箱涵设计

预制装配式箱涵采用工厂化节段预制、现场拼装的生产方式。基于相关工程应用实例，综合考虑预制场地的建设及模板的周转使用次数等因素，可知当箱涵的建设规模超过2 km时，预制装配式箱涵的经济性要优于现浇箱涵。因此，预制装配式箱涵达到一定的建设规模时将体现出明显的经济优势。

为实现预制装配式箱涵的大规模工厂化制作，应尽量满足其对于标准化与模数化的要求。本文综合考虑箱涵的受力性能、吊装与运输条件、安装定位的便捷性及地基条件的适用性等因素，进一步研究预制装配式混凝土箱涵的设计原则和方法。

1.1 预制节段和截面划分原则

在设计阶段，考虑箱涵的功能要求，在满足排水或通行需求的前提下，须尽可能统一其截面尺寸，同一工程应尽可能减少箱涵的截面尺寸类型。

根据设计规范及防水抗渗的要求[2]，涵洞须每隔6 m设置一道伸缩缝，因此，预制箱涵的节段长度宜为2 m、3 m或6 m，对比分析以上三种节段长度的优劣如下：

(1) 箱涵节段长度越长，不均匀沉降后，接头拼缝张开量越大，越容易造成箱涵在拼缝处渗水。因此，箱涵节段长度的划分应考虑地基的不均匀沉降和箱涵所在位置处水压力的大小。

(2) 箱涵节段的划分与其自身的截面尺寸及安装的便捷性息息相关。节段长度越长，现场安装速度越快，但节段重量随着长度的增加而增加，导致其对机械设备的要求也越来越高；节段越短，现场安装速度越慢，但节段重量小，其对机械设备的要求也随之降低。因此，应根据截面的尺寸大小，并结合现有的机械设备条件选取最优的节段长度。

(3) 对于截面尺寸较大的箱涵，如果进行整体预制吊装，因单个节段的箱体重量过大，将给运输安装定位带来一定的困难。因此，应结合箱涵的受力特点进行截面分割。

以在建的海启高速公路工程为例，其箱涵截面尺寸主要有4 m×2.2 m、4 m×2.7 m及6 m×3.5 m三种规格。本文针对这三种截面尺寸，分析装配式箱涵的截面分割方法。根据现场运输及吊装设备的要求(单个构件的重量不超过30 t)，4 m×2.2 m与4 m×2.7 m两种箱涵采用整体式节段预制；6 m×3.5 m箱涵采用上下组合式节段预制，单个预制节段长度为2 m。

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1.2 连接构造

对于箱涵节段整体式预制而言，节段之间的连接是最为关键的构造形式，而对于箱涵截面上下组合式预制而言，连接构造除了节段之间的连接，还包括上下截面之间的连接。前者称为“箱涵节段的连接”，后者称为“涵片间的连接”。

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(1) 箱涵节段的连接：为提高预制装配式箱涵纵向的整体性和接口的密封性，箱体之间可采用预应力钢绞线(钢棒)或螺栓纵向锚固连接。箱涵之间常用的预应力纵向连接构造形式有贯穿式和相邻箱体式两种，如图1所示。

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(a) 贯穿式

(b) 相邻箱体式
图1 箱涵预应力纵向连接构造形式

(2) 涵片间的连接：箱涵涵片间的连接构造按照受力形式的不同分为有预应力连接和无预应力连接；按照构造形式的不同分为承插式连接、弯曲螺栓连接及预应力连接，如图2所示。

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(a) 承插式连接构造

(b) 弯曲螺栓连接构造

承插式连接构造简单，施工速度快，但其端部连接类似于理想铰，不能抵抗弯矩，故其顶板的跨中弯矩较大，需要增大混凝土构件的截面尺寸与配筋量。同时，其在水平方向上连接薄弱，抗剪能力差，在较大水平力作用下易发生脱落。弯曲螺栓连接与预应力钢棒连接(已应用于海启高速公路涵洞工程)有着类似的工作原理，其连接部位类似于弹簧铰，可以抵抗一定量的弯矩，进而减小跨中弯矩，实现与原整体式箱涵相近的受力结构构造体系。但弯曲螺栓与混凝土的接触面较小，当接头部位受力较大时，混凝土易受拉开裂，对接头部位造成破坏，影响箱涵(通道)的耐久性。因此，当场地条件较差或容易发生不均匀沉降时，宜采用预应力连接构造。

1.3 防水设计

预制装配式箱涵的防水设计包括箱涵本身和箱涵节段之间的拼接缝。箱涵本身应采用自防水混凝土，其中，钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，预应力混凝土结构的混凝土等级不应低于C40。设计抗渗等级应符合表1的规定[3]。

表1 防水混凝土设计抗渗等级

涵洞埋置深度H/m设计抗渗等级H<10P610≤H<20P820≤H<30P10H≥30P12

预制装配式箱涵节段之间的拼接缝是产生渗水的主要部位。预制装配式箱涵的接口按照抗渗要求可分为三个等级[3]：①渗漏不严格，常用于排雨水管道；②不易渗漏接口，常用于排污水管道和地下人行通道；③不得渗漏，常用于输水管道。箱涵属于第二抗渗等级。

装配式涵洞的防水有两种方式可选。其一，涵洞节段连接处采用平接缝构造，在接缝位置采用热沥青麻絮填塞，然后在外表面贴两层0.3 m宽的SBS改性沥青防水卷材。这种防水设计比较简单但施工工艺繁琐，适用于地基条件较好的工程。其二，涵洞节段连接处设置承插式连接构造，采用预应力筋挤压遇水膨胀止水条的方式，当施加于遇水膨胀止水条界面的压力不小于1.5 MPa、胶条挤压变形大于50%时，即可达到防水效果[4]，适用于易发生不均匀沉降的软土地基环境。

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2 节段工厂化预制

箱涵节段工厂化预制时，应根据装配式箱涵的不同构造和尺寸定制不同类型的定型钢模板。钢模板的刚度较大，不仅能够保证混凝土的外观质量，而且能够满足箱涵节段端口平整度的精度要求。

钢筋在预制场内的底胎上进行绑扎及焊接组成钢筋骨架，装定型钢模板，调整钢筋位置，以便有效控制钢筋保护层厚度。

混凝土采用强制式拌合机准确称量搅拌，罐车运输，现场采用泵车或吊罐进行浇筑，浇筑时采用分层振捣，顶面压实抹平。同时，应加强混凝土的养生，每天做好混凝土的养护记录，并保证混凝土覆盖物湿润。可采用吊车或叉车进行模板拆除，注意保护成品混凝土的外观质量，避免模板拆除时预制箱涵的损伤。

工厂预制过程中，应特别注重对箱涵节段端口的质量控制，确保端口的垂直度和厚度能够满足设计及规范的要求，避免因施工误差导致涵洞的插承口无法安装，以及因端口垂直度误差较大导致涵洞拼缝处防水性能降低。

（3）核心模块构建。进行基础数据模块、财务管理模块、电子报表模块、预算管理模块、网上报销模块、网上报销大众版、工资管理模块、手机App、其他薪资管理模块（试用）、合同管理模块（试用）、资产管理模块。

3 现场拼装施工

3.1 节段安装

预制箱涵节段安装前，应首先在混凝土垫层上铺10 mm厚黄砂，用于垫层找平和减少摩擦，然后用环氧类黏结剂将制品型遇水膨胀止水条(厚2 cm)粘贴到预制节段的凹槽内。在确定混凝土垫层达到所需强度后，将箱涵节段吊放到垫层上，根据装配式箱涵配置要求，从下游侧(低处)向上游侧(高处)依次进行安装。安放时，应注意插口与承口交错放置。采用拉索等设备对箱涵节段进行定位，使其中轴线与混凝土垫层轴线对齐[5]。

3.2 预应力张拉

为防止地基不均匀沉降引起箱涵节段间错位，同时考虑防水的要求，在箱涵四角的预留孔中穿入钢铰线，按照设计要求进行张拉，如图3所示。具体步骤如下：

(1) 在预制箱涵节段的预留孔内插入钢绞线，并在钢绞线两端安装上固定工具。

(2) 在进行张拉连接前，应仔细检查遇水膨胀止水条是否安放齐全。

(3) 安装张拉设备，根据所需的张拉力先张拉底部钢绞线预应力至0.9σcon，然后张拉顶部钢绞线预应力至σcon，最后张拉底部钢绞线预应力至σcon，在连接箱内用锚具把钢绞线锚固。

(4) 拉紧作业后，放松张拉油缸，预应力筋锚固后的外露部分宜采用机械方法切割，其外露部分不宜小于预应力筋直径的1.5倍，且不宜小于30 mm。根据需要对钢绞线连接处孔隙进行灌浆处理，灌浆应饱和、密实。灌浆后，用砂浆对连接箱进行填充抹平。外露预应力筋保护层厚度不应小于50 mm。

图3 预应力张拉示意图

为了保证预应力有效地施加到遇水膨胀止水条的界面上，考虑到预制箱体节段受拉后可能产生一定的位移(遇水膨胀止水条压缩量约为50%)，要求每安装两个或三个箱涵节段，须在箱涵节段端部张拉一次预应力，每间隔6 m在连接箱内锚固一次，内缩量限值为1 mm。

3.3 防水处理

对于地下水位较高的地区，可在箱涵节段连接处的接口外侧贴上止水胶带，以达到双层防水效果。同时，用灰浆等防水材料对预制箱涵节段内部间的嵌槽缝进行防水处理，使用专用工具把接缝抹平、压实。

4 预制装配式箱涵的技术优势

预制装配式箱涵采用工厂化预制、现场拼装的施工模式，与现浇箱涵相比，具有以下技术优势[6]：①质量好。装配式箱涵节段采用工厂化制作，质量易于控制，耐久性能好。②工期短。箱涵节段工厂预制、现场组装，箱涵的制作与地基的处理在不同的场地上同时进行，缩短了现场作业时间。③环境影响小。箱涵节段主要在工厂完成制作，可以实现集约化管理，节能环保。④经济性。人员投入量少、现场组装效率高，在大规模的应用下可降低生产成本。

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