金属波纹管涵在公路工程中的应用

摘要：金属波纹管涵以其性能稳定、安装方便、有利环保、造价低廉等优点，在公路工程中发展迅速。本文介绍了金属波纹管涵在公路工程中的运用，探讨了金属波纹管涵的设计及施工要点。

关键词：金属波纹管涵 设计 施工

中图分类号：S611文献标识码： A

1．概述

将2-8mm薄金属板压成波纹后，用以增加管节的刚度和管轴压力的抵抗强度，再卷制成管节，用此种管节修建成的涵洞称为金属波纹管涵。在公路涵洞中不均匀沉降是其破坏的主要形式之一。从材料、结构和功能的本质关系上分析，采用柔性、高强度的金属波纹管涵洞，不仅具有适应地基与基础变形的能力，可以解决 因地基基础不均匀沉降导致的涵洞破坏问题，而且金属波纹管涵洞由于轴向波纹的存在使其具有优良的受力特征，轴向和径向同时分布因荷载引起的应力应变，可以更大程度上分散荷载的效应，更好地发挥金属结构的优势。尤其在多年冻土、软土、膨胀土、湿陷性黄土等不良工程岩土地区，及缺乏砂石材料或地基承载力较低地区，利用金属波纹管结构修筑涵洞具有更显著的优势。与钢筋混凝土涵洞相比，金属波纹管涵因其管节薄，重量轻，便于运输存放，施工工艺简单，组装快速，工期短等优点，近年来在我国公路上得到广泛使用。

2．金属波纹管涵洞适用范围

金属波纹管涵洞采用标准化设计、生产，因此适用于质量要求高、工期紧的工程项目。

现场安装不需使用大型设备，主要为拼装施工，减短了多年冻土的时间，冻融量小，故特别适用于多年冻土地区。

金属波纹管涵洞是一种柔性结构，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，特别适合于软土、膨胀土、湿陷性黄土等地基承载力较低地区和地震多发地区。

金属波纹管涵洞施工只需对基础和进出口进行处理，减少了水泥、块石、片石或碎石、砂等的用量，对环境的破坏小，适用于生态环境脆弱的地区，有利于环保。

金属波纹管涵洞施工只需很少的人工，故适用于在劳动力缺乏地区。

金属波纹管代替钢筋混凝土进行涵洞施工，有利于解决北方寒冷地区冬季管涵混凝土结构的破坏问题，适用于高原地区。

3.波纹管涵的选用

波纹管涵的选用包括管节的孔径、形状和管壁厚度的确定：

3.1波纹管节孔径，形状的确定

3.1.1波纹管涵的孔径、形状：整装型圆管：0.5m≤D≤2.5m；拼装板型圆管：1.5m≤D≤8.0m；拼装管拱形：1.5m≤D≤6.0m；拼装拱形：1.5m≤D≤7.0m。

新设计金属波纹管涵洞时孔径的确定，采用有关部门规定的现行钢筋混凝土盖板涵孔径；原设计的钢筋混凝土圆管涵变更设计采用金属波纹管涵洞时，由于金属波纹管涵洞管内的粗糙系数为n=0.020-0.025(整装型)和n=0.030-0.035（拼装板型）比钢筋混凝土管n=0.010-0.012高出一倍多，虽然在管内部分管壁上（内壁周长的1/4-1/2）涂涮一层沥青材料后，粗糙等级可以酌量降低，但这种措施并不能解决波纹本身产生的摩阻作用。在采用波纹管涵时，可考虑将设计确定的钢筋混凝土管涵的孔径增大一级。

3.1.2管壁波纹形状和板片连接型式根据孔径大小可分为两大类：

1.整装型圆管

小直径圆形管多为整装型，其管壁波纹的基本尺寸如图3-1所示。这类波纹管通常由整圆形波纹管节组合而成，管道拼装，常用法兰螺栓连接。

2.拼装板型

拼装板型一般由两个半圆形管壁片或多片板搭接组装而成，其两板间的连接采用搭接型式，在管壁圆周方向，多为几块弧状波纹板组装而成。大孔径波纹管均为拼装板型，为便于制造和运输，厂家多将大孔径波纹管在其圆周方向制成三片或三片以上。组装时，各波纹板间的连接通常采用搭接，并用螺栓锚固，其波纹板的板壳尺寸如图3-1所示

拼装板型波纹管，按其截面形状可分为：

圆形：圆周向由两个半圆或多片板搭接组装成圆形。

管拱形：其管节的截面形状如图3-2。截面大小，通常用跨度L和高度H表示，横截面分块，一般分为3―9片。

拱形：常用波纹板拱结构为单层式，拱曲线为圆弧线，跨度1.5m-7m者有定型产品，拱跨分块，一般为2-5片，较大跨径波纹板拱桥用多层波纹板构成。

3.2波纹管涵管壁厚度的确定

埋入土体中的波纹管，在荷载作用下，一般不超过管壳的弹性变形极限，即具有较大的承载能力，这是由于埋入土体中的柔性波纹管与土形成一个相互作用的组合结构。普通波纹管涵均有定型产品，一般可不必进行详细设计计算，可根据《公路施工手册（桥涵）下册》参值进行选定。

3.3波纹管涵的管座与基础

3.3.1 一般要求

修建波纹管涵，一般都要在天然地面或经严格夯实的填土上先挖掘埋设管道的沟槽，其中挖槽宽，不但应方便管侧填土的夯填，而且还应满足设计上需要的基础宽度，如图3-5所示。

在填方不高路段上修建涵洞，以采用先填路基，然后再开挖沟槽埋设涵管的方法较好。

为使作用于管道上的外力较均匀地分布于地基与管侧填土之中，波纹管底还应有一个理想的管座与基础。

在波纹管底，不管其基础材料如何，都应在放置管道的基础上修整或填筑一道理想的弧形管座，使管座与管身紧密贴合（图3-5）。管座材料必须匀质、无大石块等硬物，且坚固耐用。若基础材料甚好，也可直接先将管道置于沟底，随后再认真填筑管身两腋托之下的填土，使之形成一道良好的管座。

当管径大于3.50m，且有仰拱板的大孔径结构时，应预先细心地修整出一道简单的V形沟槽（图3-6）。其沟槽的最小宽度B为3.0m或取所埋管道顶部块件半径之半，取其小者。

3.3.2 各种土质地基的处理方法

1）优质土地基

未经筛分的砂、碎石、砂砾土以及砂质土都是比较理想的地基材料，但需清除10cm以上的石块等硬物。

2）一般性土质地基

承载能力不高的普通地基，需设一定厚度的基础，但是，若将涵管底基槽原状上经严格夯实（其夯实度达到重型击实密度的90%以上）以后，也可直接将波纹管置于地基上。

3）岩石地基

波纹管不能直接置于岩石或混凝土基床上，过于刚性的支承，不但会降低管壁本身所具有的良好柔性，而且还会减小涵管承载能力。所以对岩石地基应挖掉一部分软岩，换填上一层优质土，并认真夯实。岩石风化层地基不能作为基础，需换填上3D宽度的填土。

4）软土地基

当涵管处于软土地基上时，需对软土路基进行处理，软土地基为沉积的软弱饱和和粘性土层。软土层在2米以内时，可将其全部挖除，换以力学性质较好的粘性土、中粗砂、卵砾石等，并分层夯实，夯实度达到最佳密度的90-95%。换填土顶面尺寸应按照基底加宽，每边加宽不小于0.3米，底面尺寸由基底加宽后的边缘按45扩展而定。基底处理完毕后，作适当厚度的砂垫层，一般为1-3米，砂垫层顶面尺寸应为基底，每边加宽0.5米，底面尺寸由顶面边缘按35-45扩散而定。砂垫层材料一般采用中砂、粗砂或细砂掺碎石或砾石，其含泥量不超过3-5%并夯实紧密。

5）湿陷性黄土地基处理

应尽量避免在雨季施工，如必须在雨季施工，应有专门的防洪排水设施。基坑开挖时，应在基坑底面以上预留5-10cm土层，进行夯实至基底设计标高。因黄土地基不容许有渗漏，可换填灰土垫层，灰土配合比一般采用2：8或3：7的体积比均匀拌合后，分层摊铺，夯实。然后铺上厚为50-150cm的沙砾。压实度不小于95%。基础作好后，即可直接铺设波纹涵管。

3.4预留拱度

埋设于一般土质地基上的波纹管，经过一段时间后，常会产生一定的下沉，而且往往是管道中部大于两端。因此，铺设于路堤下的波纹管的管身要设置预留拱度。其大小根据地基土可能出现的下沉量、涵底纵坡和填土高度等因素综合考虑。通常可为管长的0.4%-1%。最大不宜大于2.0%，以确保管道中部不出现凹陷或逆坡。

3.5波纹涵管的防锈处理

一般金属波纹管涵及其螺栓、螺母、钩栓等附件出厂时中，已经过镀锌或镀铝处理，其镀锌量达4.25g/m2。在没有盐碱水或有害工业废水浸泡以及涵管内经常流水的情况下，其镀膜即可防止锈蚀。否则，可在管节内外常水位以下管壁涂上或喷上含有石棉纤维的厚沥青一道，或涂刷两遍沥青和石油拌和物，以加强防腐蚀作用。此外，还可采用加厚管壁的办法。一般管壁每年蚀耗厚度为0.01mm-0.03mm可按计划使用年数和此数值估计增加厚度。

4.结束语

对特殊岩土地区，如多年冻土、膨胀土、软土、湿陷性黄土等地区，一般情况下钢筋混凝土圆管涵或盖板涵在使用过程中均出现不同程度的损坏，较严重的病害为地基或基础不均匀沉降导致涵洞破坏。这些地区钢筋混凝土圆管涵或盖板涵的使用寿命有时低于20年。而应用金属波纹管涵洞则完全可以解决因地基变形导致的涵洞破坏，同时可以减小路面因地基沉降引起的应力集中。又因为金属波纹管涵为柔性结构，有利于改善软土地基结构物与路堤交界处的"错台现象"，提高行车的舒适度与安全性。所以从公路的寿命周期和服务水平的变化看，金属波纹管涵洞完全能满足一般公路的性能需求，且较钢筋混凝土涵洞更具优越性。

参考文献

1.李祝龙 公路金属波纹管涵洞设计与施工技术

2.王志宏 金属波纹管涵施工手册

3.熊斌辉 浅谈YTHG拼装金属波纹涵管施工工艺

4.张宇明隋东滑福晶 金属波纹管涵洞的推广应用