大厚度湿陷性黄土地区深埋钢波纹管涵施工质量控制

大厚度湿陷性黄土地区深埋钢波纹管涵施工质量控制

杨庆亮

中铁二十局集团市政工程有限公司  甘肃兰州  730030

摘 要：钢波纹管涵具有变形能力强、抗震性能好、造价底、施工周期短等诸多优点，在城市道路、高速公路等领域应用广泛。但施工过程质量控制不当引起的钢波纹管涵沉降变形过大，会导致结构受力变化，与设计初衷不符，影响工程美观的同时降低结构受力和使用功能。论文以榆中生态创新城生态大道项目钢波纹管涵为研究背景，采用“钢管内支撑+标准化工艺+监控量测”的方法对大厚度湿陷性黄土地区深埋钢波纹管涵的施工质量控制进行理论研究和实践探索。研究表明该方法有效控制和减少了施工过程引起的沉降变形等质量问题，为同类地区钢波纹管涵施工质量控制提供依据和参考。

关键词：钢波纹管涵；湿陷性黄土；质量控制

引言

随着钢波纹管涵在工程领域的广泛应用，各种工况和地质条件下钢波纹管涵受力变形、沉降等质量问题广泛引起人们高度重视。由于大厚度湿陷性黄土遇水后内部结构突变，强度瞬间下降的特性会引起沉降，深埋状态下钢波纹管涵受到土压力引起的变形和沉降等问题尤为突出。

杨光［1］等采用有限元分析的方法对不同地基条件下钢波纹管涵的地层受力、变形特性、周边、的应力分布、进行分析，发现波纹管涵的应力呈对称分布，在两侧出现较大的压应力集中，管涵的顶部和底部的压应力最小，甚至出现较小的拉应力，不利于结构的稳定。杨露［2］等通过对钢波纹管涵受力分析和病害成因和防治研究，指出钢波纹管涵是一种薄壁柔性结构，必须在环向均匀受压下才能够保持稳定的状态，现场施工是钢波纹管涵形成环向均匀受压环境的最关键环节，使用科学合理的工艺工法，也是保证钢波纹管形成环向均匀受压环境的关键环节之一，可以有效避免工后沉降和大多病害的发生。乌延玲［3］等通过热水镇至经棚镇一级公路的钢波纹管涵洞的施工过程，对钢波纹管受力与变形特性研究得出钢波纹管涵的涵顶两侧45度位置为受力最薄弱点。杨晓华［4］等在山西榆次龙白至祁县城赵高速公路研究指出钢波纹管涵径一定时，路堤填高在14～20m区间，涵管各监测点应力应变随涵洞顶部的填土高度增大大致呈线性增大的趋势，钢波纹管受力处于弹性受力的状态。彭晨［5］在固西段高速公路对湿陷性黄土路基现场沉降观测中得出湿陷性黄土路基施工沉降期为150d左右，在此期间需加强测量监测。

以上的研究均对钢波纹管涵受力和变形特征、涵洞顶部土压力、路基沉降等问题进行了重点研究，但对于大厚度湿陷性黄土地区深埋钢波纹管涵如何系统性控制施工质量的理论和实践研究较少。

本文在钢波纹管涵受力及变形规律、钢波纹管涵病害和成因等研究成果的基础上，采用“钢管内支撑+标准化工艺+监控量测”的方案进行质量控制，以达到减少和消除钢波纹管涵沉降变形等质量问题。

1  工程概况

榆中生态创新城生态大道项目K3+605钢波纹管涵，管径2.0米，长122.0米，与线路交角90°，涵顶填土高度19米，进出口设置C20片石混凝土一字墙。设计地基承载力不小于250KPa，基础采用砂砾石柔性基础，两侧及顶部0.5～4.0m范围内采用砂砾土回填，压实度不小于93%。钢波纹管采用Q235-A热轧钢板制作，波距150mm，波高50mm，热浸镀锌防腐，采用M20高强度螺栓连接，管道搭接采用天然橡胶等密封处理。

图1.1钢波纹管涵原始地貌

图1.2钢波纹管三维图

2  地质情况

K3+605钢波纹管涵位于现状沟道内，地层结构较为简单，涵洞下伏层全新统（Q4）～下更新统（Q1）冲洪积碎屑沉积物，主要由素填土、黄土状粉土、碎石层组成。涵洞下伏层黄土状粉土具有Ⅳ级（很严重）自重湿陷性。

3  钢波纹管涵受力分析

利用ANSYS有限元分析软件按照钢波纹管规格尺寸进行建模计算分析，分析结果如下：

图3.1管涵土压力图     图3.2 网格划分图

图3.3 管涵三维有限元模型

图3.4 土体及钢波纹管侧面等效应力分布图

图3.5 钢波纹管偏移图及最大应力图

图3.6 钢波纹管轴力图及弯矩图

图3.7钢波纹管应力图及位移图

通过有限元分析软件计算分析，深埋钢波纹管涵在湿陷性黄土状粉土土压力作用下强度、刚度、应力及位移变形等均满足相关规范要求。

钢波纹管涵作为一种薄壁柔性结构，随着涵顶填土厚度增大，管涵竖向荷载也将逐步增大，钢波纹管涵整体的变形由圆形逐渐的变为椭圆形，使得钢波纹管涵整个周围的土压力分布趋向于均匀化环境，这种变化趋势有利于管道的受力和稳定。钢波纹管涵管壁轴向波纹在均匀环向压力的作用下，同时发生径向及横向的变形。

基于上述钢波纹管受力特点及变形趋势及大厚度湿陷性黄土深埋特点，施工前制定“钢管内支撑+标准化工艺+监控量测”的施工方案，对钢波纹管涵受力变形关键部位进行预加固、预控制，通过动态监控量测等手段对方案效果进行验证。

4  内支撑预加固措施

根据钢波纹管涵受力和变形趋势，对波纹管涵水平、竖向和45°方向

采用φ48钢管内支撑预加固，提高钢波纹管涵的整体性和受力性，更好的将薄弱环节受力引道传递到基础上，从而降低和减少路堤施工和沉降期土压力对钢波纹管涵的受力影响，周围均匀围压环境形成并稳定后，撤除内支撑。

具体措施：每2m一个断面在波纹管涵内设置一道内支撑，内支撑采用米字型布置，水平、竖直和45°方向各设一道φ48钢管。竖向和45°方向内支撑钢管两端设置可调节顶托，顶托与波纹管涵接触面之间设置木块，防止破坏波纹管。施工及沉降期间根据受力和监测数据分析报告及时调整顶托，使其处于良好的受力状态。

5  防变形施工措施

基底处理：钢波纹管涵作为薄壁柔性受力结构，涵洞基底应采用柔性砂砾石基础，这样能更好的适应波纹管材质和变形特性；同时提高基础整体强度与稳定性，便于波纹管的安装固定。

图5.1 钢波纹管涵基底处理图

安装作业：安装质量直接影响波纹管涵的整体性、受力环境使用。安装前对基础标高、平整度和平面位置等仔细复核，然后以中轴线和中心点作为基准进行安装第一节波纹管，然后以此为基准点向两侧逐步向外安装，直道两端分别达到设计起始点的位置。

螺栓连接：首先将连接螺栓孔的位置对正，然后在螺栓上套入垫圈，采用润滑油均匀地涂抹在螺纹上，然后先将竖直水平四个孔定位固定，再自下而上依次对称插入剩余螺栓，最后用扳手拧紧螺母。螺栓由高到底顺坡方向保持一致插入孔内。拼接1节后对断面形状等进行检查，确认满足设计要求后再进行下一节安装。钢波纹涵整体拼装好之后，使用电动扳手按照设计和规范要求的顺序对螺栓进行紧固。预紧力扭矩按照设计规范要求，≥340-70=270N·m，≤340+70=410N·m的范围进行控制。

检查验收：钢波纹管整体安装完成并自检合格后，及时组织各建设责任主体进行举牌验收，主要检查平面位置、预拱度、整体线型、错台、螺栓连接等，验收合格后，及时组织后续工序施工。

涵洞回填：涵洞两侧及顶部0.5-2m范围内采用砂砾土回填。每层虚铺厚度按照25cm、压实厚度按照20cm进行控制，分层对称回填。回填采用人工配合小型夯夯实机具或振动压路机夯填密实，波纹管涵周围压实度应达到93%以上，不得超过95%，否则对两侧土体造成过大的压力，这样反而不利于土体和钢波纹管涵得稳定。涵顶50cm以内采用手持式压路机压实。涵顶50cm以上采用大型机械压实。

6  沉降变形监测

根据监控量测方案，钢波纹管涵管顶回填土达到50cm以上及时布置测点，实施动态监测、数据整理分析，根据监测数据分析和报告，及时调整内支撑和路基施工参数。

6.1监测方案

监测点布置：沿钢波纹管涵轴线方向每间隔2m布置一个断面，每个断面分别布置3个拱顶下沉点和1个底板沉降点。

监测点采用Φ16以上螺纹钢筋顶部焊接50×50×3mm钢板，然后在钢板上粘贴LEICA反射片。钢筋根部与波纹管涵有效固定，能够适时反应钢波纹管本身受力和变形。

图6.1 钢波纹管涵沉降监测点布置示意图

监测方法：在涵洞外稳固处埋设1个固定基点，采用高精度全站仪按频率对各断面测点逐一测量，测量整理数据。

监测频率：在涵洞量测及顶部路基填筑期间，每天1次，填筑完成后每3天1次，路基完成后2～3个月每5天1次，3个月后逐步减少监测的频率。

6.2监测数据的整理分析

根据监测数据分析，以及结合其他相关项目的监测数据、自然环境、施工工况等情况及以往数据分析等，对沉降变形和监测数据发展趋势做出预测。

监测成果应包括当日数据报表、阶段性监测报告、最终的监测总结报告。监测技术成果应采用文字描述以及绘制变化曲线或图形相结合等方式反映。

现场监测采集数据，应及时分析整理并编制成图表和说明等固定格式文件，按要求归档的同时反馈到施工现场，用以动态指导施工。具体流程如下：a.检查核实原始数据，确保监测数据的准确性；b.讲监测数据按照监测时间逐个填写到监测表格中；c.根据监测数据和监测时间，绘制时间位移变化图（变形过程线）。

图6.2 各测点随时间位移变化曲线图

由图6.2可见，生态大道项目钢波纹管涵随着时间位移变化趋势，0-90d各测点累计位移呈线型上升，90d以后逐步逐步趋于平缓稳定。累计沉降量拱顶下沉测点1＞底板沉降＞拱顶下沉测点2=拱顶下沉测点3。拱顶和底板下沉位移较大，钢波纹管涵轴线45°方向下沉位移较小，钢波纹管涵整体受压，整体呈扁平状变形。钢波纹管涵随着路基沉降变形日趋稳定，各测点0～75d变形较大，呈线型发展，90d以后日趋稳定。

8  结束语

综上，本文以生态大道项目钢波纹管涵为例，对大厚度湿陷性黄土深埋钢波纹管涵采用“钢管内支撑+标准化工艺+监控量测”的方法进行施工质量控制的研究。证明了该方案进行质量控制的可行性，具体总结如下：

⑴大厚度湿陷性黄土路基沉降周期为90d，期间钢波纹管涵顶板累计沉降73mm，底板累计沉降58mm，钢波纹管涵累计变形15mm，达到了预控目标，满足规范要求。

⑵对于管径

2.0米左右的钢波纹管涵，φ48钢管米字型内支撑吻合钢波纹管涵受力和变形趋势，能有效控制施工过程变形。

⑶标准化工艺和螺栓连接、缝隙、错台等关键环节质量控制，是保证结构整体性和均匀围压环境形成的关键，是质量控制的重点。

⑷该项目钢波纹管涵施工沉降期控制在4-9月份，在雨期来临前钢波纹管涵均匀围压环境形成和路基达到了稳定，有效减小了沉降变形。

参考文献:

[1]杨光，王晓明等.地基不均匀沉降条件对大直径钢波纹管涵受力特征分析[J].工程与建设.2021.10

[2]杨晓华,李嘉璐等.高填方路堤下钢波纹管涵受力与变形特征[J].公路交通科技.2020（10）：74-82

[3]彭晨.宁夏湿陷性黄土路基沉降观测现场试验研究[J].山东交通科技，2022（3）：50-53

[4]乌延玲，冯忠居等.钢波纹管涵洞受力与变形特性现场试验分析[J].西安建筑科技大学学报.2011.08

[5]杨露，周晓玺.钢波纹管涵洞受力性能分析及病害防治[J].黑龙江交通科技.2018.7