公路钢波纹管通道施工技术研究

引言

广东省汕湛高速公路部分路段路基填土高度较高，由于混凝土材料的短缺及运输导致工程造价高，采用混凝土桥涵施工时阻止了原道路的通行，应用柔性的钢波纹管通道则可以减轻或避免这些问题，而且节省工程投资。另外，广东省地形地貌多变、全省地质条件复杂，且属南方多雨地区，高速公路在钢波纹管通道应用方面尚存在诸多技术难题，集中力量加强该领域研究，可以迅速形成一批科研成果，促进行业发展。另外，依托工程所应用的大孔径（直径10 m）钢波纹管通道一方面加快建设进度，另一方面提高服务性能。

1 国内外研究现状及发展趋势

1.1 国外钢波纹管结构研究现状

钢波纹管结构最早在1784年英国首次应用于农田灌溉，美国于1896年进行了钢波纹管结构涵洞的应用，并进行了部分研究。随后加拿大也进行了钢波纹管结构涵洞的应用，并对其结构稳定性、防腐工艺进行了分析，得出了一些成果。韩国、日本在美国和加拿大应用基础上对钢波纹管结构涵洞、通道进行了研究，并进行了大量的应用，其中韩国研究的较多，并对中小跨径钢波纹板桥（跨径6～13 m）进行了应用。美国、加拿大、韩国、日本等国均编制出版了本国钢波纹管结构涵洞、通道的技术标准或规范。

1.2 国内钢波纹管结构研究现状

1998年，上海市政工程设计研究院和上海公路处在上海新开河对4 m直径的钢波纹管（板）涵洞进行了荷载试验，结合试验采用有限元对钢波纹管结构进行了初步力学分析。

2009—2013年中交第一公路勘察设计研究院有限公司在以往研究的基础上，对泗许高速淮北段多孔（3×4 m）钢波纹板桥、直径4 m钢波纹管涵洞和直径1.5 m螺旋钢波纹管涵洞进行了现场试验，测试了施工过程中及施工完成后车辆荷载下钢波纹管涵的受力特征，测试了车辆荷载下多孔（3×4 m）钢波纹板桥的动态挠度及荷载冲击系数，并采用有限元分析软件对其抗震特征进行了模拟分析。2012—2015年，中交第一公路勘察设计研究院有限公司多次对青海G214共和至玉树公路钢波纹管涵洞调研，对位于玛多县多年冻土区的大跨径（直径4 m）钢波纹管涵洞进行了现场试验，对高海拔多年冻土区钢波纹管的受力特征进行了分析，特别是对钢波纹管涵洞管周温度进行了不间断的监测，在此基础上采用有限元数值模拟分析软件对管周温度场进行了分析，得出温度的变化规律。

1.3 发展趋势

通过对国外的资料分析可以看出，国外对钢波纹管涵洞（通道）的研究主要为镀锌及不同地质条件、不同环境下的防腐研究，对钢波纹管涵洞（通道）的施工工艺也有部分研究；但对施工过程及工后汽车荷载下钢波纹管涵洞（通道）的受力研究较少，关于结构设计多为较保守的经验方法。

Gaillot等［6］学者研究发现，单核细胞增生性李斯特杆菌的clpP在42℃条件下生长表达升高了4倍。再将野生株和敲除clpP的突变株置于42℃条件下，观察20 h发现，对比野生株，突变株的生长受到严重破坏，几乎不能生长。突变株最高只能在40℃下生长。还有研究发现，将肺炎链球菌的clpP突变株分别置于40℃、42℃、44℃观察3 h，发现随温度的升高，菌株生长量是递减的［18］。Msadek［5］将枯草芽孢杆菌的模式株和敲除clpP基因的突变株，同时放在37℃和54℃的环境下观察5 h并测定生长曲线。结果发现在37℃和54℃时模式株都能正常生长，但突变株只能在37℃下生长，54℃时不生长。

通过对国内的资料分析可以看出，国内几家单位都是各自从各自的研究角度进行现场试验和研究，但都没有系统进行土与结构共同作用的研究，也没有进行其整体稳定性能方面的研究。

（2）整合资源做强施工服务类经济。实现企业资质升级和增项，整合施工服务类企业。管理、技术、市场资源等力量，实现通过DB（设计—施工总承包）或EPC（交钥匙工程）等方式承接工程建设项目，全面提高经济质量和效益。按照国家政策导向积极推进各项改革。

但国内外科研机构都只是对小孔径（最大直径为6 m）的钢波纹管涵洞（通道）进行了受力等研究，并没有对大孔径（直径10 m）的钢波纹管通道进行研究，更没有给出大孔径钢波纹管通道（直径10 m）的具体设计与施工方法。

2 钢波纹管通道施工工艺

2.1 材料要求

2.1.1 主体结构材料要求

钢波纹板件采用碳素结构钢时，抗拉强度不小于350 MPa；钢波纹板件所用的钢板应符合《碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板和钢带的规定，采用连续热镀锌钢板加工波纹钢圆管、波纹钢板件时，抗拉强度不小于350 MPa。

2.1.2 连接件要求

连接件采用扭剪型高强度螺栓、螺母，强度等级不低于8.8级。螺栓连接时采用专用密封胶进行密封防渗及防锈；高强度螺栓、螺母规格为M12、M16、M20，螺栓长度宜为30～60 mm；管箍、法兰盘的材料采用碳素结构钢，抗拉强度不小于350 MPa；外套箍圈及箍圈法兰的材料采用低碳钢，其化学成分及力学性能应符合《碳素结构钢》中对应的规定，其中，纵向抗拉强度要求不小于400 MPa；箍圈法兰用角钢尺寸、外形、重量及允许偏差应符合《热轧等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差》的规定。

1.2.4 对比分析法 应用归纳、演绎和对比等逻辑分析方法，对首届女篮亚洲杯中国队与冠亚军队的进攻能力在投篮得分情况、不同位置主力队员的得分情况以及前场篮板球、助攻、失误、造犯规等方面的技术统计数据进行对比分析，并结合相关体育学科知识进行统计、归纳、分析，以找出中国女篮与澳大利亚、日本女篮在进攻能力方面所存在的差距。

2.1.3 密封材料要求

钢波纹板搭接之间应采用密封材料处理，密封材料应具有较好的弹性，与钢波纹板挤压后应充分填筑在两个板片之间，并且应用很好的不透水性。高温条件下应具有良好的耐高温性，同时低温条件下，特别是多年冻土区密封材料应有良好的耐寒性。密封材料可采用天然橡胶、氯丁橡胶、聚乙烯泡沫或耐候密封胶。

门开了，但只是开了一条缝，一张脸从缝里挤出来，瞪着眼睛望我。那是一张毫无特色的脸，普通得现在我连一点印象也没有了，只记得大约3 0多岁的样子，眼睛很有神。他神秘兮兮地向左右望望，伸手把我拉了进去。他个子不高，但很精壮，穿着一件黑背心。

(2)在低振幅A=200mv和500mv的激励下，在频率80HZ附近，外加E=1000V和压电供电条件下减振后的加速度降幅明显低于无场条件下，E=1000V相对于E=0V条件下其振幅衰减量约50%，在压电提供电场的条件下其最振幅衰减量也达25%。但在较高振幅A=1000mv和2000mv的激励下，在低频段内相对与无场强其振幅量有所下降，但在较高频段，其效果相反。

2.1.4 防腐要求

钢波纹板件、螺栓、螺母等材料出厂前应在工厂进行热浸镀锌处理，镀锌所用锌应符合规范要求的0号或1号锌，钢表面镀锌处理应符合相关规范要求，一般应不小于Sa2.5等级，外壁防腐一般在以上要求的基础上增加沥青或其他防腐涂层；内部防腐一般在以上要求的基础上根据不同的腐蚀状况和应用条件可采用沥青或其他非金属防腐涂层、水泥砂浆或混凝土铺装、沥青玛蹄脂铺装，也可在采用覆塑层。镀锌基础上可采用涂装或喷涂沥青等非金属覆盖层。

镀锌层外观质量：镀锌构件表面锌层应均匀完整、颜色一致，表面具有实用性光滑，不允许有流挂、滴瘤或多余结块。镀件表面应无漏镀、露铁等缺陷。有螺纹的构件在热浸镀锌后，应清理螺纹或作离心分离。

镀锌构件的锌层应均匀，试样经试验后，无金属铜的红色沉积物。镀锌构件的锌层应与基底金属结合牢固，经试验后，锌层不剥离、不凸起，不得开裂或起层到用裸手指能够擦掉的程度。镀锌构件经试验后，基体钢材不应出现腐蚀现象，基体钢材在切割边缘出现的腐蚀不予考虑。

钢波纹管结构一般应采用镀锌进行防腐处理，确实由于当地缺少锌等材料时，可采用镀铝技术进行代替，但应符合以下要求：镀铝构件表面铝层应连续，不允许存在明显影响外观质量的熔渣、色泽暗淡以及假浸、漏浸等缺陷；镀铝构件的铝层应均匀，不允许有针孔，试样经试验后，无红褐色的氢氧化铁沉积物；锌铝构件的铝层应与基底金属结合牢固，经试验后，铝层不剥离、不凸起，不得开裂或起层到用裸手指能够擦掉的程度；镀铝构件经试验后，基体钢材不应出现腐蚀现象，基体钢材在切割边缘出现的腐蚀不予考虑。

2.2 地基处理

（1）当涵管位于软土地基上时，地基处理方法与该路段路基的处理方法相同，为便于后期钢波纹管通道拼装，可在其上填一层大于20 cm厚的砂砾垫层。（2）为方便钢波纹管组装、周围的回填及压实，基坑开挖宽度应大于钢波纹管通道直径的3倍，特殊情况至少应确保桥涵以外1.2 m以上的作业空间。

2.3 钢波纹板拼装施工

（1）拼装底部钢波纹板：先进行底部第一片钢波纹板的定位，应使板中心对准放线的的白线，并用第一片板进行定位，两侧分别以第一片板为基准进行拼装，拼装时应对准螺孔，管内工人将螺栓插入螺孔内，外侧工人套上垫圈和螺母，采用套筒扳手螺母进行预紧。两片板之间的搭接长度为50 mm。（2）拼装环形圈：应采用从下向上的顺序进行对称拼装，两片板的搭接长度为50 mm，且应采用错缝处理，即上面两片板的拼装叠缝应在相邻板片的中间，上面两片板的拼装叠缝不应与下面两片板叠缝在同一断面，确保钢波纹管结构填土过程中受力均匀，避免同一断面叠缝产生两侧拉力，导致在叠缝处撕裂。（3）圆周向拼装到顶部最后一片板进行合拢时，应对钢波纹管结构进行测量，确保截面尺寸误差符合规范要求。当不符合要求时，应调整螺栓的松紧度，并结合顶部最后板片进行不断调整，直到达到规范的要求。（4）当拼装完成后，应采用定扭汽动扳手对称依次序紧固管两侧螺栓，后依次紧固顶部螺栓。应确保所有螺栓紧固，不得有遗漏的螺栓或链接不紧密的螺栓。（5）检查所有螺栓均紧固后，采用专用密封胶对板片之间的拼装缝隙、螺栓与钢波纹板之间的缝隙进行密封处理，以防止下雨时雨水顺着路基流到钢波纹管上，此处密封不紧密导致渗水，影响通道内车辆及行人的通行。（6）管涵拼装完成后且密封胶密封完成后，应采用沥青对钢波纹管进行涂刷，进行二次防腐确保钢波纹管的使用寿命。涂刷时应对管内壁、外壁均匀涂刷两遍，沥青可为热沥青或乳化沥青，涂层的厚度应为0.3～1 mm，当未达到要求时，可进行多次涂刷。（7）两片钢波纹板搭接时，为了不使路基中水从缝隙中渗入管内，拼装时应确保上部板件在外，下部板件在内，见图1。（8）为了增大螺栓与土的摩擦力，为了螺栓不轻易取出保证钢波纹管的整体稳定性，拼装时螺栓宜在管内，螺母宜在管外，见图2。

2.4 回填施工

钢波纹管通道楔形部位宜采用“水密法”密实，并采用人工振捣，待楔形部位回填完成且符合要求后方可进行两侧回填。钢波纹管通道两侧应采用分层、对称的施工方法，且水平分层的压实厚度宜为150～200 mm，当一侧填完后应进行另一侧填筑，后采用压路机进行碾压，依次类推直到管顶。为了防止压力机等大型机械施工碰撞对钢波纹管产生的破坏，钢波纹管两侧0.5 m范围内禁止大型机械通过。由于钢波纹管通道为薄壳结构，其受力特征为管与周围土的共同受力，因此管顶最小填土高度（一般为0.6 m）范围内应禁止大型机械通过或震动压实，防止钢波纹管通道受力过大产生整体垮塌。

图1 板件搭接

图2 螺栓紧固

3 结语

（1）在高路基情况下，由于波纹的存在，钢波纹管通道更容易与周围土体形成土拱效应，受力特征更为优越。（2）钢波纹管通道两侧应对称、均衡回填，且结构物外边缘向外0.5 m以内范围，应严格控制除夯实机械以外的重型机械通行。管顶覆土厚度0.6 m范围内，应禁止夯实机械以外的重型机械在结构物上方通行，且不得做振动压实。（3）钢波纹管通道对地基要求低，节省了基础处理费用，采用钢波纹管结构涵洞不仅可以大大地缩短工期、节约建设成本，而且后期维护便捷、对环境扰动小，又可有效去除我国目前钢产能过剩的危机，具有深远的经济效益和社会效益。

水力压裂技术应用中，水力的强化能够使煤层的地应力场在可控范围形成均分，这样，能够避免瓦斯之间的压力差距，防止瓦斯在某一个方向或者地点集中的现象发生，这种方法能够有效降低瓦斯突出的现象发生。另外，水力压裂技术可以使原本不均等的瓦斯压力场变得相对稳定，减小瓦斯之间的压力差距，避免形成瓦斯能量局部地区过度集中的现象发生。水力压裂技术使煤层之间空隙增大，让瓦斯能从高压区流向低压区，进而达到平衡压力的目的，降低煤矿开采的风险。

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