装配式波纹钢结构在地下工程中的应用

卯申殷 1

1.云南交投普澜高速公路有限公司 云南 普洱 665000

摘要：本文介绍了装配式波纹钢结构的含义，对国内外装配式波纹钢结构的发展历史进行了简述，详细分析了装配式波纹钢结构在地下工程中的应用现状，最后介绍了应用实例云南思澜高速高山寨隧道。

关键词：装配式；波纹钢；地下工程；隧道

Application of prefabricated corrugated steel structure in underground engineering

MAO Shenyin¹

(1.Yunnan Jiao Tou Pulan Expressway Co. Ltd)

ABSTRACT: This paper introduces the meaning of prefabricated corrugated steel structure, briefly describes the development history of prefabricated corrugated steel structure at home and abroad, analyzes the application status of prefabricated corrugated steel structure in underground engineering in detail, and finally introduces the application example of Yunnan Silan Expressway Gaozhai Tunnel.

Key words: Fabricated; Corrugated steel; Underground construction; Tunnel

作者简介：卯申殷（）

基金项目：云南省交通运输厅科技创新及示范项目：波纹钢拼装式连拱明洞结构设计施工关键技术研究

1 研究背景

当前，推进生态文明建设是我国基础设施建设的重大战略之一。国家发改委、交通运输部等明确提出了“坚持绿色发展，加强生态环境保护，综合高效利用土地、通道、岸线及枢纽资源，集约和引导空间综合开发利用”的指导思想和“安全可靠、绿色集约”的建设原则。近年来，随着我国交通基础设施的快速发展，我国长大公路隧道安全高效施工技术得以不断提高，极大促进了隧道工程技术进步。但长期以来，我国公路等基础设施建设过程中采用传统的工程建造和防护技术，虽然能保证工程主体和周边环境早期安全与稳定，但高填、深挖、污染、扬尘、乱排乱放和其它未充分考虑成本、节能降耗、生态和绿色环保理念的常规工程施工手段，既破坏了生态循环，更不利于生态环保、工程建设和周边环境的安全和长期稳定^[1-6]。因此，结合工程实际积极研发并推广绿色环保、节能降耗的新技术是新时代基础设施建设中面临的重要课题之一。

复杂地质与地形条件下地下结构型式的选择对于结构的稳定发挥着重要承载作用，但传统的地下工程结构具有环向非受力裂缝易导致隧道渗水甚至影响结构耐久性、拱部易出现裂缝、混凝土明洞/棚洞需要埋深大、尺寸大的基础，施工难度大，建设成本高、环境污染大等缺点。为了使工程造价、安全、工期、舒适性达到一个合理的平衡，许多新型结构、新工艺、新材料也不断应用到地下工程的施工中来，装配式波纹钢结构正是其中兴起的结构之一。

2 装配式波纹钢结构

2.1 装配式波纹钢结构的含义

如图1所示，装配式波纹钢结构是将普通Q235或Q345钢板在工厂内经冷弯加工成波形板，再运输至施工现场用高强度螺栓拼装连接成预定截面形状的一种新型钢结构。该结构具有以下显著优点：一是强度高，钢板成波后刚度可提高10-30倍；二是承载能力强，适应变形能力强；三是工厂标准化生产；四是自重轻，运输安装方便；五是能减少混凝土圬工量，提高施工效率 ，缩短工期；六是节约造价，3m以上跨径经济性逐渐凸显；七是耐久性强，最高可达到100年；八是运营维护方便，节约养护费用^[7-11]。

图1 装配式波纹钢结构

随着我国基础建设的快速发展，新技术、新材料、新工艺和新设备不断涌现，进一步提升了我国首都工程技术进步。其中，波纹钢材料及其与混凝土组合结构的应用在桥涵、隧道工程中逐步得到应用。波纹钢材料应用于隧道、涵洞等工程中具有施工方便快捷、经济性好、适应变形能力强、耐久性好等优点。根据相关工程案例，钢波纹管涵的工程造价比同样孔径的钢筋混凝土板涵低，施工期非常短。波纹钢作为一种柔性材料，可以与周围土体共同变形，共同受力，在公路隧道和涵洞中应用可以解决因地基均匀变形导致的结构破坏，同时可以减小路面因地基沉降而引起的应力集中等问题。在耐久性方面，波纹钢管（板）表面采用镀锌工艺，经热镀锌处理的波纹钢管（板）结构能够使用100年以上甚至更久，可以满足公路使用寿命的需求

^[12-15]。

2.2 波纹钢材料的发展历史

波纹钢材料自发明以来已有200余年的历史，波形钢板的轧制始于1784年，但限于当时的工业制造水平，并且钢板供给量不足，未能及时得到推广应用。1890年后随着钢铁工业的发展，钢板供应有了保障，波形钢板的应用范围迅速扩大。1896年，美国率先进行了波纹板通道、涵管的可行性研究，并首次应用于涵洞。1913年首条波纹管涵洞用于英国苏格兰爱丁堡农田灌溉。1931年澳大利亚首次建成8m汽车通道一座。随后，波纹钢管（板）结构物在美国、加拿大、日本、澳大利亚等国家广泛应用于公路和铁路建设中，并且显示了优越的耐久性和对环境的适应能力。相对于欧美等西方国家，我国在对波纹钢工程应用领域的起步较晚，20世纪90年代末我国才逐步开展了公路钢波纹管涵洞的研究与应用。1997年在青藏公路冻土地区采用钢波纹管涵洞，解决了多年冻土地区因融沉和冻胀而导致涵洞破坏的难题；2001年青海省在多个公路工程中应用波纹钢管涵；为解决大兴安岭多年冻土区涵洞基础稳定性问题，黑龙江的省道207修建了波纹钢管涵洞；2003年内蒙古、河北等地区开始大量使用波纹钢管涵，并开始使用分片拼装、拱形和椭圆形钢波纹管。因此，波纹钢在桥涵工程中已得到较多的工程应用，并获得了大量科技成果，为推动波纹钢应用发挥了重要的推动作用。

3 装配式波纹钢结构的应用现状

波纹钢板最早应用于过水管等排水系统中，而后随着钢材行业不断发展、制造技术不断改进，波纹钢管理论和实验研究的深入，相应的设计方法也不断创新，波纹钢板已经被广泛应用到交通工程中的桥涵结构上。目前，随着钢材强度的进一步发展，该种结构的适用跨度不断地增加，在隧道工程中明洞结构和市政工程中管廊结构中应用的探索也越来越多。

3.1 波纹钢管涵

如下图所示，波纹钢管涵指铺埋在公路、铁路路下的涵洞用的螺纹波纹管，它是由波形钢板卷制成或用波形钢片组拼成的圆形钢结构管。金属波纹管涵的波纹结构可使涵洞路面受力合理，荷载分布均匀，并具有一定的抗变形能力，能解决北方寒冷地区（霜冻）对桥梁和管涵砼结构的破坏问题；使路表面没有伸缩缝，提高行车舒适性；有利于改善软土地基结构与路堤交界处的“错台”现象，提高行车安全性。波纹管涵的工后营运、养护成本低，工程实际造价也低于同类跨径的桥梁、涵洞。钢波纹涵管进出口也可按照边坡比例做成斜口，加工波纹管管径范围0.5～8 m，管壁厚度为3 mm～7 mm，能够满足填土0.5～40 m厚的需要。

图2 波纹钢管涵

具有一定柔性的高强度钢波纹管，不仅提高了适应地基与基础变形的能力，有效解决因地基基础不均匀沉降导致涵洞破坏的问题，而且波纹涵管涵洞由于轴向波纹的存在使其具有优良的受力特性，轴向和径向同时承担因载荷引起的应力应变，可以更大程度上分散载荷的效应，更好地发挥钢结构的优势。

钢波纹管桥涵最早于 1784 年诞生于英国，1896年美国率先将波纹钢管应用于公路涵洞。美国、加拿大等国家从20世纪八九十年代开始制定相应的技术规范，并广泛使用钢波纹管桥涵。中国于20世纪90年代才逐步开展钢波纹管的研究、生产及应用，并且应用于青藏公路的抢修工程。钢波纹管在中国东北、华北、西北及华东地区公路工程中已开始大规模应用。 年，交通运2008输部发布并实施 / 《公路桥涵波形钢JTT710－2008板》， 年又发布 / 《公路涵洞通道2010 JTT791－2010用波纹钢管（板）》，为钢波纹管的推广应用提供了依据和有利的条件。

3.2 装配式波纹钢初期支护结构

对于隧道初期支护结构，钢支撑具有承载能力大的特点，常常用于软弱破碎或土质隧道中，并与锚杆、喷混凝土等共同使用。钢支撑按其材料的组成可分为钢拱架和格栅钢架。

钢拱架是工字钢或钢轨制造而成的刚性拱架。这种钢架的刚度和强度大，可作临时支撑并单独承受较大的围岩压力，也可设于混凝土内作为永久衬砌的一部分。钢拱架的最大特点是架设后能够立即承载。因此，多设在需要立即控制围岩变形的场合，在V、Ⅵ级软弱破碎围岩中或处理塌方时使用较多。钢拱架与围岩间的空隙难以用喷射混凝土紧密充填，与喷射混凝土粘结也不好，导致钢拱架附近喷射混凝土出现裂缝。

格栅是由钢筋经冷弯成形后焊接而成，其断面形状有圆形、门形、三边形、四边形等。格栅断面有3根和4根主筋组成的两种形式。主筋和联系钢筋的连接方式较多，接头形式一般有连接板焊于主筋端部，通过螺栓将两段钢架连接板紧密地连在一起的螺栓连接板接头，以及套管螺栓直接套在主筋上，将两段钢架连接在一起的套管螺栓接头。格栅能够很好地与喷射混凝土一起与围岩密贴，喷射混凝土能够充满格栅及其与围岩的空隙，且能和锚杆、超前支护结构连成一体，支护效果好。

装配式波纹钢初期支护结构即利用波纹钢结构刚度大的优势，将其作为隧道的快速支护结构。

3.3 波纹钢—混凝土组合结构

由波纹钢板“单一”应用到与混凝土结构“组合”应用也是当前波纹钢板应用的另一个趋势。最初波纹钢板作为老旧混凝土的加固材料，作为对结构的补强措施。例如采用波纹钢板加固盾构隧道衬砌管片、加固钢筋混凝土管涵和盖板涵等等。目前为充分发挥波纹钢板材料和混凝土材料的优点，采用波纹钢板与混凝土组合型式建造新建结构物。内衬波纹钢板外套混凝土是当前的主要组合形式。

波纹钢板优秀的力学性能以及在快速施工中的优势越来越受到土建行业的关注，应用范围也将越来越广泛，但关于波纹钢板的承载力特性认识还存在不足，尤其在大跨度结构上的应用面临的问题更为复杂，在交通隧道明洞结构上的应用也尚处于应用探索中，设计和施工多借鉴既有小跨度结构基础进行改进。

目前，波纹钢板材料在大跨度结构上，诸如隧道明洞结构的应用还存在以下问题和挑战：

（1）设计和施工面临的地层环境越来越复杂，如何保证基础及偏载下上部结构的静动力安全性和稳定性；

（2）大跨度结构设计中，波纹钢结构受力状态更为复杂，如何实现从施工期要服役期全过程结构内力状态的预测有待论证；

（3）波纹钢板-混凝土组合结构整体承载机理不明确，尚不能实现结构的经济和性能统一；

（4）在实现快速装配施工中关键部位和关键节点的认识和设计上尚需进一步研究优化；

（5）目前尚没有波纹钢板隧道明洞结构系统的设计、施工和质量检验相关的指导性文件，限制了波纹钢板在交通隧道中的进一步应用。

（6）工程质量方面存在预制构件质量不过关、防水或防腐工程施工欠佳、实体与材料检测指标不明确或落实不到位、连接等关键工序的质量控制薄弱等突出问题。

4 装配式波纹钢结构应用实例

4.1 工程概况

云南省思茅至澜沧高速公路（思澜高速）位于云南省普洱市境内，是普洱市路网布局规划中一条重要的大通道。高山寨隧道地处思茅六顺乡，交通条件差，隧址区地貌类型为构造侵蚀低中山地貌，切割深度30~50m，沟谷多成宽“U”字型。测区地势最高处位于隧道中部，斜坡坡顶，高程约1069.4m，最低点位于隧道出口西侧，南邦河支箐沟床位置，高程约1025.0m。高山寨隧道工程布于斜坡山体内，进出洞口区无滑坡，崩塌、泥石流等不良地质现象，肖塘断裂F2，从洞口西侧通过，该断裂不属于全新世活动性断裂，隧址区无其他不良地质现象。

高山寨隧道波纹钢-砼组合结构明洞采用半圆拱框架式封闭结构，如下图所示。封闭式明洞采用半圆拱框架式封闭结构，结合现场地质调查情况，底板以碎石基础和 C30素混凝土回填形成路基，两侧墙体采用钢筋混凝土结构，扩大基础，埋置深度为 1.0m，并与结 构一体配筋浇筑，提高结构整体抗滑移、抗倾覆能力，并明洞所承受的上部土压力及其他荷载均匀传递至下部基础，再传递至深处地层。

图3 高山寨隧道横断面

明洞装配式波纹钢顶板拱背设置一圈 30cm 现浇 C30 钢筋混凝土结构，拱圈内侧在拱脚部分现浇固结，增加拱圈约束，增强结构承载能力。内侧回填 C15 素混凝土至四分之一拱高处，回填原土，压实度满足规范要求，回填至设计坡面位置后回填一层粘性土，加强阻隔地表水下渗作用，再回填一层腐殖土，进表面行绿化处理，起到固化水土，美化环境的作用。

混凝土拱圈外侧全断面做好防水，推荐铺设防水板和土工布，也可涂刷沥青等保护层，确保防排水措施长期有效和主拱圈结构的耐久性。

4.2 结构参数

结合本段地形、地质条件，明洞所在路段采用双向两车道高速公路设计标准，设计速度为80km/h，单幅路基宽度为 11.5m。由于明洞紧接桥梁，并无过渡段，车行道净宽取值按照《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）及《公路隧道设计规范》（JTG D70-2014），和高山寨 1#桥桥面净宽取高值，拟定建筑限界为13.0m×5.23m。明洞的内轮廓在满足建筑限界前提下，力求使净空断面利用率高、结构受力合理。顶部波纹钢板尺寸规格为波距×波高×壁厚=300mm×110mm×5mm，拱脚水平净距为1390cm，波纹钢板拱轴线型为半圆拱，半径为 695cm，矢跨比 0.5。波纹钢外侧现浇净厚 30cm（平均厚 35.5cm）钢筋混凝土拱圈。

4.3 施工流程

①对边坡进行开挖；

②基础及边墙施工；

③拱圈波纹钢板拼装；

④两侧边墙C15素混凝土回填；

⑤第一层两侧钢筋混凝土的浇筑以及侧向C15素混凝土回填；

⑥后期钢筋混凝土浇筑；

⑦洞顶回填土。

4.4 结构承载能力计算分析

据受力分析，明洞承受的荷载为：

（1）结构自重；

（2）明洞顶部回填土压力；

（3）临时荷载：人或动物；

（4）水平地震力（地震基本烈度为Ⅷ度，按Ⅸ度设防，动峰加速度取 0.4g 计算）；

计算软件采用 Midas/Civil 建立平面梁单元模型，采用 ABAQUS/ANSYS 建立三维实体单元模型。有限元模型如下图所示：

图4 有限元模型计算示意图

计算分析结果表明，波钢拱脚与侧墙连接位置处截面为受力最不利截面，该截面受力类型为压弯构件类型。根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018），结合配筋设计图对该截面进行验算。在最不利荷载作用下，各结构部位中最小安全系数大于规范中规定的钢筋混凝土结构的安全系数 2.0，满足规范要求。计算分析结果表明，在最不利荷载作用下，混凝土结构最大拉应力 1.7MPa，最大压应力15.6 MPa 满足规范要求。

计算分析结果表明，在最不利阶段荷载作用下，波纹钢板最大变形值为 10.4 mm， 满足波纹钢板变形允许值。从分析结果可以看出，波纹钢板拱形棚洞结构能满足明洞的正常使用和极限承载能力要求。

4.5 防护设计

（1）边坡开挖防护设计

考虑到明洞施工需解决临时道路保通及边坡开挖和棚洞施工对电力铁塔的影响，施工采用单幅开挖山体，迅速进行地基处理和侧墙施作。根据地勘资料，隧址区地层主要为侏罗系中统和平乡组（J2h）、残坡积，主要为残积层（Qdl+el）粉质粘土：灰褐色，主要由粉粒、粘粒组成，无光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性一般，呈硬塑状，覆盖层较薄；和平乡组(J2h)：紫红色厚层状泥岩、细砂岩互层夹砂砾岩，底部为灰白色砂砾岩，区域地层厚 239.7～373.7m，主要出露于隧址西段（出口）。上段（J2h2）：；紫红色中厚层状粉砂质泥岩，区域地层厚 399.3～1140.8m，主要分布于隧道进口段。明洞基础开挖后边坡稳定是要解决的最为重要的问题。基础开挖应竖向分层、纵向分段、对称平衡开挖，分层高度不得大于 1.5m，分段长度应小于 20m，以机械开挖为主，人工开挖为辅，坑底及坑壁留不小于 300mm 厚土层采用人工开挖找平，并及时边坡表面处治，处治方式可由施工单位根据情况自行决定，以保证安全。

（2）防排水设计

结构防排水应坚持以“结构自防水为主，外辅加防水层为辅”的原则，并遵循“防、排、

截、堵相结合，因地制宜、综合治理”的原则，使洞内外形成完整畅通的防排水系统，避免结构滴水、路面渗水等病害，力求达到排水通畅、防水可靠、经济合理、不留后患的目的，实现“二级”的防水标准。保证结构和设备的正常使用及行车安全的要求。

结构自防水采用 P8，C30 防水混凝土；施工中应加强管理，确保混凝土的密实性，关键是处理好施工缝与变形缝的防水。

5 结论

1. 本文介绍了装配式波纹钢结构的含义，对国内外装配式波纹钢结构的发展历史进行了简述，装配式波纹钢结构具有较好的应用前景。

2. 详细分析了装配式波纹钢结构在地下工程中的应用现状，包括波纹钢管涵、装配式波纹钢快速初期支护、波纹钢—混凝土组合结构等形式。

3. 最后介绍了应用实例云南思澜高速高山寨隧道，从分析结果可以看出，波纹钢板拱形棚洞结构能满足明洞的正常使用和极限承载能力要求。

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