高速公路装配式箱涵设计与施工分析

李 伟

(山西路桥第六工程有限公司，山西 晋中 030600)

1 装配式箱涵方案比选

本项目涵洞接长共设计4种规格的装配式箱涵，即：3 m×2.5 m，3 m×3.5 m，4 m×3.5 m和4 m×4.5 m。根据本项目的吊装、运输等施工要求，经过研究和分析，我们提出的门形装配式箱涵，箱涵底板在受力较小位置处断开，箱涵由预制门式构件和现浇底板两部分组成。此方案箱涵较大程度地减小了预制构件的重量，且箱涵整体性较好，底板现浇对地基的平整度要求也较小，获得了建设方和施工方的一致认可，因此我们最终确定采用门形装配式箱涵为本项目的箱涵接长设计方案。

2 装配式箱涵设计计算

箱涵的设计计算包括内力计算和配筋设计计算两大部分，传统箱涵均是参照国内规范、按照现浇力-式进行设计计算的，尺寸较大、配筋较多，工程反馈涵洞设计偏于保守。对于装配式箱涵，综合考虑工厂预制、运输和吊装等因素，不适宜按照现浇模式来设计计算，因此我们考虑采用美国软件ETCulvert进行某高速改扩建项目装配式箱涵的设计计算。ETCulvert是一款既可用于现浇箱涵计算，也可用于装配式箱涵计算的多功能软件。

ETCulvert软件分为设计和验算两种模式，本项目装配式箱涵计算先按设计模式进行，然后根据国内施工的习惯、要求和工程经验对计算得到的箱涵尺寸和配筋进行局部调整，再通过ETCulvert软件中的验算模式进行验算，最终确定箱涵尺寸和配筋。计算时，活载采用国内《公路桥涵设计通用规范》(JTUD60-2004)中定义的汽车荷载。

3 装配式箱涵试验研究

3.1 箱涵周围土压力监测

箱涵现场试验时，受现场试验条件的限制，汽车荷载的作用采用等效土压力加载的方式进行模拟，箱涵顶部填土至一定高度后，为保证填土的压实度和作用，采用砂袋灌土的方式继续堆载至设计填土高度。

土压力监测采用土压力盒和数字式频率仪进行。土压力的测点主要设置在中间一节箱涵的中断面上，共布设35个测点，土压力监测主要测量箱涵周围土压力随填土和汽车荷载作用的变化，以了解箱涵周围土体的压实情况。

试验得到箱涵两侧填土土压力基本一致，且均随着填土高度的增大均匀增大，说明箱涵两侧填土是对称的，且压实度较好，由于靠近箱涵附近只能采用小型压实机具和人工压实方式压实，因而外侧-排测点的土压力均比内侧测点大一些。箱涵顶板两端外侧处土压力存在局部跳跃现象，主要由于箱涵顶部拐角处压实较难控制所致，随着顶部填土的增加，跳跃处的土压力逐渐恢复正常。

3.2 箱涵应力监测

箱涵应力监测选择中间一节箱涵的中部截面作为监测断面，沿箱涵外表面和内表面共布置31个测点，箱涵内侧每个测点处分别沿轴向和环向两个方向粘贴应变片，箱涵外侧采用预埋钢弦式应变计进行测量。

箱涵应力监测根据施工过程分为两个阶段：回填压实阶段和汽车荷载作用阶段。通过对各个监测点应力数据的分析，得到箱涵顶板、侧墙和底板各部分的内力分布、控制应力及其所在位置。

试验结果表明：箱涵顶板外侧全部受压、内侧全部受拉，跨中拉应力最大为4.832 MPa；填土较低时，箱涵侧墙表现为外侧受拉、内侧受压，随着填土的增加，侧墙中部外侧的拉应力逐渐减小，最终转换为内侧受拉，最大拉应力为1.516 MPa；箱涵底板表现为内侧受拉，由于底板有一部分为后浇，且底下地基土并非理想的弹性均质地基，实测底板的最大拉应力不在跨中位置，而在底板端部内侧的倒角处，最大为1.902 MPa。由箱涵各部位控制应力可知，局部位置应力超过了箱涵结构混凝土的抗拉强度，箱涵局部出现开裂现象，但根据试验现场的观测，未能检测出肉眼可见的裂缝，说明裂缝宽度还非常小，不影响结构的正常使用。

3.3 箱涵变形和沉降监测

箱涵变形监测主要选择中间预制节段布置测点，在顶板和侧墙上共布置6个测点，监测箱涵的水平和竖向变形。箱涵沉降测点布置在各箱涵预制节段底板内侧，一共选择5个断面监测，每个断面设置3个测点。根据试验监测结果，箱涵顶板的竖向变形最大，变形值为2.14 mm，箱涵侧墙的最大水平变形值为1.03 mm，由此可知，所设计的箱涵在涵顶5 m高填土荷载和汽车荷载作用下的变形值很小。箱涵各沉降测点的位移值均比较接近，平均12.2 mm，说明箱涵基础处理后较为稳固，也比较均匀，可保障箱涵不会因沉降不均匀而发生破坏。

4 装配式箱涵施工

4.1 工厂预制

钢筋骨架制作。构件属于规格结构，钢筋绑扎选择的是自制定位胎架，从胎架中建立卡槽与定位管，以实现钢筋骨架间隔距离的有效控制。

模板设计及制作。选择8 mm定型的复合钢模板进行构件预制，必须确保模板刚度、强度与精度符合规范要求，同时模板设计采用侧移式与铰接式，重视模板合龙与构件脱模等操作的便捷性。

构建保护层。垫块数量应确保≥4个/m2，以梅花型进行布设，结合具体状况实施加密，以免垫块数量不足，从而造成钢筋下沉或是垫块压碎变形。

钢筋骨架吊装。选用吊装模具以多点吊装方式进行钢筋骨架安装，以免吊装施工阶段骨架出现变形，从而对构件的性能指标造成不利影响。

4.2 构件运输及拼装

构件运输。主要采用平板车完成构件的安全运输，但是需要提前根据实际情况与运输要求等做好相关组织工作。

构件拼装准备。在正式进行构件拼装施工之前，需要对垫层的平整度实施严格检查，确保平整度误差低于3 m。同时构件运输之前，也要对运输路线进行全面检查，以保证构件运输的顺利通行。采用的构件运输设备主要是大型平板车，通过倒链将构件固定，然后合理支垫橡胶垫，以保证构件运输阶段不会出现破损现象。

构件拼装。按照构件的最大重量与安装施工等要求，需要配置一台履带吊车(重量级别是80 t)。在节段安装过程中需要严格贯彻由低处至高处的逐节安装基本原则，首先进行侧墙拼装，然后进行盖板拼装。但是盖板吊装就位之前，需要从侧墙凹槽涂抹高强水泥砂浆(级别是M30)，在盖板就位后实现铰缝的自行填塞。

5 总 结

本文首先对高速公路装配式箱涵设计进行了分析，主要包含了涵洞结构选择、跨径对比以及结构防水设计等，并重点研究了装配式箱涵施工过程，分析了装配式箱涵与传统涵洞施工对比。研究表明，装配式箱涵施工规范、精细，需要的施工工时较短，显著控制了施工成本，而且使用范围比较广。