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钢波纹管涵加固施工及质量控制技术

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浏览:- 发布日期:2018-02-01 10:09:35【

价值工程 0 引言 钢波纹管涵加固是将薄钢板、铝或塑料等材料压成波纹 后,卷制成管节,是采用波纹状管或由波纹状板通过连接、 拼装而成的一种柔性结构。它对软弱基底变形的适应能力 较强,可以有效解决地基基础不均匀沉降所造成的涵洞破 损的问题。最近几年,钢波纹管涵加固在不良地基工程中得 到广泛应用。 1 工程概况 三黎高速公路设计荷载等级为公路-1 级。路线经过地 区条件复杂,属亚热带和湿润季风气候。此项目标段位于贵 州省黔东南州三穗县、天柱县境内,地势总体为北高南低, 属中低山台地峡谷、低山驼脊谷地侵蚀构造地貌、溶丘洼地 溶蚀构造地貌类型。由于施工地形复杂,因地制宜设计有拱 涵、钢筋混凝土盖板涵、钢筋混凝土箱涵、钢筋混凝土圆管 涵及钢波纹管涵加固。不同构造形式涵洞的优、缺点见表1。 表1 不同构造形式涵洞优缺点 涵洞类型优点缺点适用范围 拱涵 结构坚固寿命长, 自重及超载潜力 大。 建筑高度大,难以预 制施工,难修复,占 用劳动力多,工期 长,对地基要求高。 适应填土高度一般 可达30m。 钢筋混凝土 盖板涵 建筑高度较小,可 预制拼装,施工简 便,对基础要求不 高,易于修复。 钢材用量大,成本 高。 缺乏石料地区,流量 大、填土高度受限 制。 钢筋混凝土 箱涵 对地基承载力要 求较低。 造价高,施工困难。较软弱的地基。 钢筋混凝土 圆管涵 力学性能好,结构 形式不复杂,工程 量小,工艺简单, 工期短。 清淤困难 石料缺乏地区,可用 于孔径为0.5 ~1.5m 的小型涵洞,适应的 填土高度可达15m。 钢波纹管涵加固见下文/ 见下文


2 钢波纹管涵加固设计理论及应用情况 钢波纹管属于一种典型的空间结构[1],其本身结构就 能补偿横向位移,能够使钢材充分发挥抗拉及抗变形的特 性,可有效控制沉降趋势,并且安装后既柔韧又结拱成形, 在其周围回填土后形成一个拱形结构和一个可持续均衡 地下压力的弹性层。具有抗震性能的金属波纹管涵洞可以 广泛应用在各类复杂地形结构中,它有很多其它涵洞所不 具备的特性[2]:①跨径较大时,工程造价低于同类跨径的 桥、涵洞;②大部分构造采用拼装施工,能够缩短工期;③ 从设计到生产,全部实现标准化运作,而且构造简单,生产 周期短;④环境的变化几乎不影响生产和施工,并且采用 工厂化生产模式,不仅质量有保障,成本也低廉;⑤无需大 型设备参与拼装,降低了机械成本;⑥泥砂、碎石或片石用 量得到控制,经济又环保;⑦能有效改善湿陷性黄土、软 土、膨胀土等特殊地基结构地基基础不均匀沉降的现象, 确保路面行车平稳舒适,避免工后养护增加成本;⑧解决 北方寒冷冰冻地区以及沿海软土地区等破坏涵洞混凝土 结构的问题;⑨其出色的抗拉、抗剪及抗疲劳性能能有效 控制地基不均匀沉降,防止路堤和软土地基结构物交界部 位错台[3],常用在软土、冻土地区或边远地区的道桥工程 中。可见,钢波纹管涵加固的应用前景非常广阔。 3 施工工艺 钢波纹管涵加固采用开槽埋设的方法进行施工,基础采用 水泥稳定砂粒填筑。钢波纹管片采用纵、环向相结合的工 艺拼装管节,然后通过高强螺栓连接所有管节,再用硅酮 耐侯胶将接缝封堵严实。拼装好管节后,将沥青涂刷在管 体外侧进行防腐处理。钢波纹管涵加固运用的是钢波纹管较大 的抗变形、抗沉降、横向补偿位移,较强适应地基与基础变 形的能力,通过分散上部荷载的集中应力来抵御上部荷 载,同时达到排水要求。 3.1 施工工艺流程 施工工艺流程见图1。


3.2 挖基 ①如设计上无特殊要求,基础垫层厚度一般都控制在 0.2~2m,开槽基底最小宽度应达到2×1.0m+覫(管涵直径), 钢波纹管涵加固施工及质量控制技术 The Coyyugated Steel Pipe Culvert Construction Technology and Quality Control 曲宝军QU Bao-jun (中铁十七局集团第四工程有限公司,重庆401120) (China Railway 17th Bureau Group Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China) 摘要:以贵州省三穗至黎平高速公路钢波纹管涵加固施工为背景,介绍钢波纹管涵加固的设计理论、特点及应用,施工工艺,总结钢波纹管 涵施工的关键技术及质量控制要点,对钢波纹管涵加固的施工及质量控制起指导作用。 Abstract: Taking Sansui-Liping highway steel corrugated pipe culvert construction in Guizhou Province as background, this paper introduces the design theory, characteristics, application and construction process of the steel corrugated pipe culvert, and summarizes the key technology of steel corrugated pipe culvert construction and quality control points, which plays a guiding role in the construction and quality control of the steel corrugated pipe culvert. 关键词:钢波纹管;空间结构;预拱度;质量控制 Key words: the corrugated steel pipe;spatial structure;camber;quality control 中图分类号:U449.83 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2015)14-0152-04 作者简介:曲宝军(1981-),男,内蒙古通辽人,毕业于内蒙古工 业大学,研究方向为地下轨道工程施工。 ·152· DOI:10.14018/j.cnki.cn13-1085/n.2015.14.055 Value Engineering 根据地质条件选择 合适的基础尺寸 开挖基础 基础水泥稳定砂粒垫层 设置预拱度 回填砂砾层 施工前 准备 管节安装 质量验收 管侧回填人工配合机械 波纹管涵 管节安装 图1 钢波纹管涵加固施工工艺流程图 当开槽较深,管涵两侧回填土为便于机械碾压,开槽基底 宽度可选为2×3.0m+覫(管涵直径)。 ②换填处理淤泥质基底。换填时严防超挖。一旦发现 超挖问题,须彻底清掉松动部分,经现场实际情况分析后 采取相应的措施进行处理。 ③挖至标高的土质基坑应及时填埋,切忌长时间浸泡 或暴露。挖好后,参照设计要求核查基坑的高程、尺寸以及 基底承载力,确保各项指标全部合格后再进行基础施工。 3.3 预拱度设置 依照抛物线为路堤下波纹管涵设置预拱度。其大小 可结合涵底填土及纵坡标高,结合地基沉降量预测结果来 确定预拱度。它一般是管长的0.2%~1%(本项目线路的两 道波纹管预拱度,δ0=1/2×L×1.5%m,且δ0<(H1-H2)/2m, 其中L 表示涵长,H1/H2 表示涵洞进/出口标高,i%表示涵 底坡度(取值通常不超过2%)。照此控制各项参数,可防止 管道中部产生逆坡、凹陷等缺陷。预拱度设置见图2。 Y L/2 L/2 H1 H2 X i% δ 图2 涵洞基础预拱度示意图 3.4 水泥稳定砂粒垫层施工 ①用水泥稳定砂粒施作基础部分,


参考现场冻土最大 深度或其它不良地质状况设定换填厚度。如果设计没有给 出具体数值,需要计算垫层厚度,对于垫层厚度的确定,可 先假设一个厚度,然后在根据下卧层地基承载力的,按公 式进行验算[4],若不符合要求,改变厚度,直至满足要求。波 纹管涵洞的位置是预留位置,按照工艺要求,应该通过开 槽埋设柔性结构物的运算公式来计算竖向土压力[5]。根据 运算结果构建图3 所示的竖向土压力模型(即直线滑移面 模型)。通过图3 中某一点的应力条件确定θ 角的数值,然 后通过θ 角确定滑移面的数值。水平应力为最小主应力, 而竖向应力恰好是最大主应力。用摩尔—库伦理论分析这 一理论关系,发现滑移面和最大主应力平面成π/4+准/2 角 度。因而,假设滑移面夹角θ=π/4+准/2,由式(1)计算出Ⅰ 区高度h1 与滑裂面高度h2: h1=H-h2,h2= B-D 2 ·tan π4 +准 2 ! " (1) Ⅰ区内的土方使其下土体承担荷载,即土体自重减去 槽壁摩阻力,由此可将Marston-Spangler 理论模型带入分 析公式,通过换算使Ⅰ区内的土荷载转换成均布荷载,则 可通过式(2)对q 值求解: q=γB 1-e -2Kμ′ h1 B 2Kμ′ (2) 式中各参数所表示的意义详见表2、表3。 表2 计算公式各参数所代表的意义 γ 土/填料的容重(kg/m3)/ (kN/m3) B 宽(m) K 单位主动水平与单位垂直土压力之比 μ′ 回填土与槽壁之间的摩擦系数(Kμ′取值详见表2) tan准摩擦系数 H 填方高度,有轨顶至涵洞顶(m) H1 填方高度,有轨顶至涵洞计算截面(m) ξ 系数,取0.25 K 系数(根据H/D 的比值采用不同的数值) D 圆形涵洞直径 表3 Kμ′取值 土质类型Kμ′取值 干燥砂土 湿的及饱和的砂土及硬粘土 塑性粘土 流动性粘土 0.192 0.165 0.148 0.132 管道上部的土荷载使管道发生了位移,管道两侧土 体有一个向上的摩阻力,作用于Ⅵ区(或Ⅲ区)总的竖向 力V 为: V=q B-D 2 +γ B-D 4 h2 (3) 于是,可通过f=Vcosθtan准计算作用于滑裂面上的摩 阻力。 将Ⅲ区/Ⅵ区上沿滑裂面的力投影到竖直方向,由此 通过公式(4)计算出管道两侧的土体作用在管道上的土 荷载: W=(Vsinθ-f)sinθ (4) 综合上述分析可以得到总的竖向土压力公式: Gy=qD+γ Dh2- πD2 ! 8 "+2W (5) 所以,q1= Gv D =q+γ h2- πD ! 8 "+ 2W D (6) q2 继续采用铁路规范中的取值。 根据铁路桥涵设计基本规范[6]调整圆形涵洞外围轮廓 上土压力的分布情况。根据公式(7)和公式(8)计算出图3 中竖向压力q1 和水平压力q2 的数值,继而通过式(9)得出 任意截面径向压力q准。 q1=KγH (7) q2=KγH1 (8) ·153· 价值工程 q准=q1+(q1-q2)2准 π (9) 式中各参数所代表的意义详见表1。 q1 q2 a.圆管涵外轮廓土压力分布图 q q H H1 H2 Ⅴ Ⅲ Ⅱ Ⅳ Ⅰ B θ θ b.直线滑移面模型图 图3 圆管涵土压力分布图 ②换填料采用粒径小于3cm 级配良好的砂砾,水泥 采用缓凝普通硅酸盐,初、终凝结时间在3h~6h 之间,掺重 量比为5%的水泥形成混合料,要求7 天无侧限抗压强度 为2.5~3MPa。 ③采用机械进行充分均匀拌合,拌合时间不允许过 长,一般控制在45min 之内。为了检验混合料的均匀度,拌 合后应尽快通过滴定试验确定混合料的水泥含量,检验结 果不合格的严禁填筑。


④用自卸式汽车将拌制合格的混合料运至现场,装载 机与人力配合进行摊铺,摊铺厚度应控制在30cm 内。摊 铺后,按照大于95%的压实度指标分层碾压。需要注意一 点,从拌制混合料,到摊铺再到碾压工序,完成整套流程所 用时间不得超过水泥终凝时间。 ⑤水泥稳定砂粒垫层在涵管纵向预留0.2~0.5%的预 拱度。分层填筑时,要严格控制每一层的预拱度。分层碾 压,垫层压实度必须超过95%。碾压后及时洒水养护,严防 人员踩踏或机械作业。 ⑥水泥稳定砂砾基层施工温度不低于5℃并确保水 泥稳定砂砾基层的强度形成期内不受冰冻作用的影响。当 气温小于5℃时,用草帘、毛毡覆盖垫层进行保温养护,按 养护指标控制洒水辆,避免垫层缺水干裂或忽干忽湿,同 时严防其在初凝前遭受冻害。切忌在雨雪天气或在低于 0℃的气温条件下作业。 3.5 钢波纹管涵加固拼装 3.5.1 施工前准备 ①备齐拼装工具和螺栓、橡胶石棉垫等管涵配件,检 查各配件的型号、规格是否符合管涵的拼装要求。 ②吊运和拼装涵管时,指派专人现场指挥。 3.5.2 拼装操作方法 ①准备工作:查验管涵底部基础平整度、水平、标高、 涵洞位置、中心轴线及中点位置。 ②拼装顺序:依照现场施工条件排放涵管。若涵洞两 侧进出水口恰好是与路基同坡度的斜口形式,则优先拼装 中间管节,在基础长度方向为进出水口的管节预留位置, 但进出水口管节一定要在中间部分全部拼好以后再进行 拼装。拼装时使管轴与基础涵轴线平行,依次把管节放置 就位,使其两管节法兰上的螺栓孔对正,将螺栓穿入螺栓 孔后拧紧螺丝,带上平扣。为了加快施工进度,可同步拼装 每道涵洞的中间管节。 ③拼装连接:直径4m 的钢波纹管每圈有6 片钢波纹 管片组成。在拼装的过程中,汇集处任何一点的管片最多 3 块,板块接头必须错开。为加快拼装速度,采用将6 片管 片横向连接成环和管片纵向连接成长管片的拼装方法。管 节分段组装后,移动到涵位处再对接。管节上、下游块件要 按上下位置对正端头,否则水会通过接缝从管内渗透到地 基中破坏整套管涵系统。有的地区运输条件差,因而只能 在涵洞长度方向现场拼装钢波纹钢板。


④镶石棉垫:管涵施工现场地质条件复杂,两法兰之 间的距离可能达不到设计要求,必须借助凿子和手锤凿出 一道宽约1cm 的施工缝,然后在两法兰之间铺设石棉垫。 如果这个间距大于设计值,无法铺设石棉垫,就应该借助 扎丝将其固定在螺栓上,最后对称拧紧螺丝,在两法兰之 间构造出2~5mm 的间距。 ⑤用涂抹沥青的方法对涵管进行防腐处理,要求沥青 层厚约1mm,然后通过硅酮耐侯胶封堵管内壁板连接缝, 提高涵管的防水效果。 ⑥为了使管涵中心对正中心线,拼装好的管涵一律用 千斤顶校准。 3.6 钢波纹管涵加固管侧及管顶回填 ①用路基填料、沙砾回填管涵两侧。填筑时在距波纹 管30cm 范围内填料宜选择级配良好的天然砂砾、碎石、 透水性的砂土,填料最大粒径不能超过5cm,塑性指数必 须小于12,填料的CBR 值应大于8;为避免管涵变形或被 腐蚀,不允许用高塑性粘土、冻土块或有害物质回填,也不 宜用粒径大于8cm 的石料回填。 ②分层并对称回填管涵两侧,层厚要控制在20cm 内。先固定涵管再回填,以防回填时管涵错位、滚动。通常 是沿管涵纵向每3~5m 在管涵与基础形成的弧形三角区 对称砌筑片石挡墙来固定管涵,墙体宽1m、高50cm。 ③夯实。一是木夯夯实,木夯截面通常是15cm×15cm。 二是机械夯实,就是用夯实机夯实。 ④回填时,波纹管易受扰动而发生错位,且通常管顶 下沉量都大于回填时管体的变形量,若不及时补救,就可 能导致圆管被压扁。为避免这种不利状况,在管顶填土前, 将“十”字形方木装设在管内进行临时支护,支撑间距一般 ·154· Value Engineering 0 引言 随着城市化进程的推进,轨道交通建设也在蓬勃发 展,除下穿民房、市政道路外,下穿城市周边既有高速公路 也同样成为了轨道交通建设中的一大重要课题,在施工中 控制高速公路路面下沉,保证行车安全时设计和施工的重 点和难点。本文以贵阳轨道交通下穿既有贵遵高速公路为 作者简介:吴海宝(1980-),男,安徽颍上人,毕业于贵州大学土 木工程专业。 轨道交通下穿既有高速公路方案可行性数值分析及 现场施工控制的研究 Program Feasibility Numerical Analysis of Rail Transport beneath Expressway and the Study of Site Construction Control 吴海宝WU Hai-bao (贵阳市城市轨道交通有限公司,贵阳550000) (Guiyang Urban Rail Transit Co.,Ltd.,Guiyang 550000,China)


摘要:以贵阳轨道交通1 号线下穿既有贵遵高速公路为例,通过有限元模拟分析,研究了复杂地质条件下小断面浅埋隧道下穿既 有高速公路方案的可行性,分析了轨道交通隧道的受力特点,通过现场实际施工控制,分析了地表的变形特性,有效控制了高速公路 路面沉降,在保证施工安全和质量的基础上快速的完成了施工任务。 Abstract: Taking Guiyang Metro Line 1 beneath Guizun expressway for example, by the finite element analysis, this paper studied the feasibility of the small section shallow-buried tunnel beneath the existing expressway program under complex geological conditions, analyzed the mechanical characteristics of rail tunnels, explored the deformation characteristics of the surface through the actual site construction control, which effectively controlled the expressway pavement settlement and rapidly completed the construction tasks on the basis of ensuring the safety and quality of construction. 关键词:轨道交通;隧道;下穿;高速公路 Key words: rail transport;tunnel;beneath;expressway 中图分类号:U455.4 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2015)14-0155-04 在3~5m 之间,以波纹管直径伸长2%~5%的标准设置支 撑高度。填土基本停止下沉后再将拆除临时支撑。 ⑤波纹管顶填土时应在管两侧保持对称且均匀的原 则进行,填土必须分层夯填,每层厚度为15cm,压实度不 小于96%。建议用6T 以下的压路机碾压不到50cm 厚的 填土层,压实后严禁机械在面层上作业。允许用压路机静 压100cm 厚的回填层。用轧路机按照压实度≥95%的标准 振压比150cm 厚的填土层。 4 施工质量、安全控制要点 ①拼装要求所有螺栓的预紧力矩为340N·m±70N·m。 拼装后中径误差不得超过设计值的±1%。 ②夯实基础层,确认管片底与基础之间的密实性符合 标准后再拼装管涵。 ③在拼装波纹板的过程中,管片衔接部位不宜沾染杂 物,以防拼接后留有缝隙降低管体防水效果。 ④拼装波纹管时要求汇集处任何一点的板块数不多 于3 块,使管片接头尽量错开。拼装波纹管时,上、下游块 件应按上下顺序对正端头,否则水会通过接缝从管内渗入 地基破坏整条管道系统。 ⑤用螺栓组装时,可采用松螺栓组法进行组装,严格 按技术规范控制各螺母的扭力矩。用机动扳手时,拧板时 间应持续2s-5s。镀锌保护层在拼装中被损坏的地方,须涂 刷防锈剂以防锈蚀。 ⑥为防止钢波纹管受温度产生次应力影响,螺栓施拧 应选择合适的温度进行,一般控制施拧时环境温度在13~ 22℃内。另拼装完成后选择日最低气温对所有螺栓统一进 行补拧一次,克服温差产生的影响。 5 结束语 钢波纹管涵加固作为公路、铁路交通工程中的新结构具有 非常广阔的应用前景,一方面它优越的力学性能,波纹管 结构趋于理想的地下结构,安装后的波纹管形成一个拱形 结构和一个弹性层,与钢筋混凝土盖板涵和圬工砌体涵洞 相比较,金属波纹管涵洞具有一定的抗震能力,能适应各 种复杂地形、适应较大的沉降、变形和不同的填土高度。另 一方面具有可观的经济效益,与传统的钢筋混凝土盖板涵 和圬工砌体涵洞相比较,金属波纹管涵洞具有轻便、施工 周期短、施工工序少、维护费用少、造价降低等优点,能有 效的降低现场工人的劳动强度、节约人力物力。 参考文献: [1]廖鑫.高填土大跨径钢波纹管涵加固的力学性能与设计方法研 究[D].湖南大学:中国优秀硕士学位论文全文数据库,2014:1-79. [2]李祝龙.公路钢波纹管涵加固洞设计与施工技术研究[D].长安大 学:中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士),2006: 1-132. [3]王博.膨胀土地区地铁深基坑设计研究[J].铁道建筑技术, 2013(02):36-39. [4]高大钊.土质学与土力学[M].三版.北京:人民交通出版社, 2002:60-71. [5]杨敏,陈剑锋,刘全林.开槽埋设柔性管竖向土压力计算探 讨[J].西部探矿工程,2001(S1):132-134. [6]中华人民共和国铁道部.TB10002.1-2005,铁路桥涵设计 基本规范[S].北京:中国铁道出版社,2005:45. ·155· DOI:10.14018/j.cnki.cn13-1085/n.2015.14.056


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