鋼波紋管涵在高速公路中的套用
概述
鋼波紋管是由碳鋼板經冷成型加工而成的管壁帶有波形截面的並且管體表面經耐腐蝕處理的金屬管道狀結構物，用來代替公路、鐵路工程中的砼涵洞及小橋等。具有一定柔性的高強度鋼波紋管，不僅提高了適應地基與基礎變形的能力，有效解決因地基基礎不均勻沉降導致涵洞破壞的問題，而且波紋涵管涵洞由於軸向波紋的存在使其具有優良的受力特性，軸向和徑向同時承擔因載荷引起的應力應變，可以更大程度上分散載荷的效應，更好地發揮鋼結構的優勢。
鋼波紋管橋涵最早於 1784 年誕生於英國，1896年美國率先將波紋鋼管套用於公路涵洞。美國、加拿大等國家從20世紀八九十年代開始制定相應的技術規範，並廣泛使用鋼波紋管橋涵。中國於20世紀90年代才逐步開展鋼波紋管的研究、生產及套用，並且套用於青藏公路的搶修工程。鋼波紋管目前在中國東北、華北、西北及華東地區公路工程中已開始大規模套用。 年，交通運2008輸部發布並實施 / 《公路橋涵波形鋼JTT710－2008板》， 年又發布 / 《公路涵洞通道2010 JTT791－2010用波紋鋼管（板）》，為鋼波紋管的推廣套用提供了依據和有利的條件。
1 鋼波紋管涵套用工程實例
廣東省某山區高速公路有2個 U 形溝谷路段，原施工圖設計採用高架橋跨越，但在實施階段由於征地拆遷等原因，導致施工進度滯後許多。為加快施工進度，將兩處高架橋改為填方路基，同時設定涵洞滿足過人及過水的需求。由於涵頂填土較高，備選涵洞方案有拱涵及鋼波紋管涵2種，經過比較，採用在兩處填方路段均設定鋼波紋管涵的方案。
2 高填土時鋼波紋管涵與拱涵的比較
目前，高填方路段涵洞的形式較多採用鋼筋砼拱涵，其擁有鋼材用量較少、結構堅固、自重及超載潛力大及使用壽命較長等優點，但同時也存在圬工量大、占用勞力較多、工期長和對地基承載能力要求高等不利因素。對比鋼筋砼拱涵，鋼波紋管涵具有以下優勢：
（1）對地基要求低。由於鋼波紋管涵為柔性結構物，其基礎一般也為柔性基礎，涵洞基底的沉降和兩側路基的沉降是均勻的，所以在涵洞構築時不必單獨對鋼波紋管的基底進行特別處理，基本原則是路基怎樣處理，涵洞基底也怎樣處理。而鋼筋砼拱涵對地基承載力的要求較高，涵頂填土高度大於12m的拱涵通常要求地基承載力達到500kPa以上。南方地區軟土分布廣泛，地基承載力通常達不到設定拱涵的要求，需採用強力的地基處理方案提高地基承載力，而且處理後仍然可能無法避免不均勻沉降，導致拱涵開裂等。
（2）施工便捷。鋼波紋管生產、管體拼裝與土建可分開同時實施，大大縮短施工期。鋼波紋管重量只有水泥製品的10%～20%，現場吊、拼裝通常只需要2～3周，參與的人員和機械較少。而鋼筋砼拱涵施工通常需要數月時間，需耗費大量人力、物力。同時，減短工期也可使工程早期交付使用及減少因施工而引發的民怨。
（3）經濟性較好。通過測算比較，該文例舉的鋼波紋管涵平均每延米的造價比同等規格的拱涵低3000元左右，而高填方的路段往往涵洞較長。因此，採用鋼波紋管涵能夠節約較多造價。若考慮到鋼波紋管涵的施工便利以及地基處理等方面可能節約的成本，則其經濟性更為可觀。
（4）環保低碳，減少或根本捨棄了常規建材如水泥、砂石等的使用，有利於環境保護，環保意義深遠。截止2010年底，國內粗鋼產量達到6億t，占全球產量的45．5%。鋼產量的增長為發展中國鋼結構建設事業創造了良好的時機。
3 南方高填土鋼波紋管涵設計經驗
（1）南方地區雨水充沛，地下水豐富，軟土分布廣泛，做好涵洞基礎及台背回填對於鋼波紋管涵整體穩定及防水尤為重要。地基要對整個鋼波紋管涵保持均勻的承載力，要避免軟弱基和岩基交叉的地基，如果不可避免軟弱地基，要用優質砂石及礫石壓實成型，儘量減少整個區間的變位量。基礎厚度從鋼波紋管涵的底部算起以80cm左右為宜，用透水性好、粒度分布良好的砂礫或碎石成型。材料的最大粒徑不得超過波長的1/2。鋼波紋管涵台背宜採用砂礫或碎石進行回填，兩側回填應同時進行，壓實落差應小於20cm。因偏壓造成鋼波紋管涵變形時，應修正截面變形後重新壓實
（2）加強防腐防沖刷設計。南方地區地下水多帶有不同程度的腐蝕性，同時山嶺重丘地區地表水流湍急，季節性降雨沖刷嚴重。因此，鋼波紋管涵的防腐及防沖刷設計應重點考慮。在涵洞內外壁熱鍍鋅層嚴格按照相關標準控制的基礎上，可採用如下措施加強涵洞的防腐及防沖刷能力：1）對腐蝕及沖刷不嚴重的場合，可在鋼波紋管內外壁增加熱塗瀝青層2道，每道厚約1．5mm，瀝青塗抹需在回填之前進行。該措施也可增強涵洞的防水功能。2）對腐蝕及沖刷較為嚴重的場合，除在外壁增加2道熱塗瀝青層外，可考慮在管內壁包裹一層 C25細石砼，更能加強涵洞受水流沖刷的能力，確保對涵管管壁的保護。C25細石砼體積配合比為水泥∶砂子∶ 石子=1∶1．16∶2．93，加水混合均勻後澆築在管內壁一定高度的圓弧內，澆築厚度為高出波峰3cm，抹平即可。細石砼粘附力很強，能滿足水流及砂石的沖刷要求。此外，也可考慮管身內壁鋪設複合水泥砂漿鋼絲網保護層的做法，要求最小厚度不小於5cm。但此法施工較為困難，不推薦採用。
（3）鋼波紋管涵採用工廠標準化生產，通常涵頂填土高度與鋼管厚度、波高等參數規格有明確的對應關係。而山區高速公路涵洞較長，如果某一座涵洞涵頂填土高度位於兩種涵洞規格臨界處，則採用高或低標準生產通常會有幾十萬元的價格差別。在這種情況下，建議在低標準的基礎上採用局部增設加強肋的做法以達到既能保證波紋管涵在施工過程及後期運營的安全要求，又節約造價的目的。具體做法如圖3所示，在管頂填高超過（ H－3）m範圍內的管身頂部設定加強肋，加強肋在圖示範圍內沿洞身每2m（中心間隔）設定1道，加強肋是圓心角為225°的鋼波紋管（型號與涵洞洞身所採用的鋼波紋管型號相同）圓弧片。
（4）鋼 波紋管涵洞基礎施工時應在基礎上縱
向預留0．3%～1%的預拱度。埋設於一般土質地基上的鋼波紋管，經過一段時間後常會產生一定的下沉，而且下沉量通常是管道中部大於兩端。因此，敷設於路堤下的鋼波紋管管身要設定中部向上的預拱度。預拱度大小根據地基可能出現的下沉量、涵底縱坡和填土高度等因素綜合考慮，通常為管長的0．3%～1%，最大不超過2%，以確保管道中部不出現凹陷或滑坡。
4 結語
該文所舉工程實例為廣東省首次在高速公路中採用鋼波紋管涵，期間進行的技術經濟比較、設計階段的最佳化、施工過程的控制及建成使用情況均對鋼波紋管涵在南方地區的推廣使用及相關設計、施工規範的完善具有較為重要的意義。通過分析，在用於高填方路基時，鋼波紋管涵相對於鋼筋砼拱涵具有一定的技術經濟優勢。因此，隨著經驗的積累及認識的提高，鋼波紋管涵在高填方高速公路建設中必將具有更廣闊的套用前景。
