CN109555028A - 用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞及施工方法,所述的涵台基础(1)位于管道(11)的两侧，在所述的涵台基础(1)上浇筑有涵台(2)，两侧所述的涵台(2)之间设置有多榀互相平行的拱形钢管桁架(3)，在每个所述的拱形钢管桁架(3)的上方设置有钢波纹管(4)，所述的钢波纹管(4)的上方回填有路基填筑体(8)，所述的路基填筑体(8)上方铺设有路面(9)；它克服了现有技术中对输送管道进行拆移需要的时间长且管道停运的经济损失大的缺点，具有与同跨径的桥梁相比，结构简单，施工速度快，工程费用小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及到涵洞工程技术领域，更加具体地是用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞及施工方法。
背景技术
在公路工程建设过程中，路线经常会与天然气输气管道、石油输送管道、自来水输水管道平面和立面交叉。若对这些输送管道进行拆移，首先需要与较多的相关管理部门办理手续，停止管道的输送功能，然后才能对其进行拆移。该过程需要的时间长，管道停运的经济损失大，拆移费用高，给现场施工带来诸多不便。
为避免管道的拆移工作，降低工程费用，缩短施工工期，可对管道采取原地保护措施。《中华人民共和国石油天然气管道保护法》第三十条规定：“在管道线路中心线两侧各五米地域范围内，禁止使用机械工具进行挖掘施工、建房以及修建其他建筑物、构筑物……”。为满足上述规定，可采用两种保护方式：1.桥梁；2.涵洞，但是跨度至少须在十米以上。若采用桥梁，跨度容易满足要求，但是结构复杂、费用较高、施工工期长。若采用涵洞，其截面应为非闭合的“门字型”，普通的砌石、混凝土材料筑成的涵洞跨径有限，一般小于5米；若采用常规的非闭合截面形式钢波纹管涵洞，目前国内成功应用的跨径仍小于十米。
因此迫切需要研究一种用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞及施工方法，以保证公路建设过程中无需对现有管道进行拆移，采取一定的保护措施后，公路路基可以在较短的工期内顺利跨越现有管道。
发明内容
本发明的第一目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞。
本发明的第一目的是通过如下技术方案来实施的：用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞，它包括涵台基础、涵台、拱形钢管桁架、钢波纹管、一字挡土墙、帽石、八字挡土墙、路基填筑体和路面。
所述的涵台基础位于管道的两侧，在所述的涵台基础上浇筑有涵台，两侧所述的涵台之间设置有多榀互相平行的拱形钢管桁架，在每个所述的拱形钢管桁架的上方设置有钢波纹管，所述的钢波纹管的上方回填有路基填筑体，所述的路基填筑体上方铺设有路面。
在上述技术方案中：所述的涵台进口端和出口端设置有一字挡土墙，且所述的一字挡土墙位于所述的涵台两端，所述的一字挡土墙顶部设置有帽石，所述的一字挡土墙外侧设置有八字挡土墙。
在上述技术方案中：所述的拱形钢管桁架包括上弦杆、腹杆和下弦杆，所述的上弦杆和下弦杆之间互相平行，且所述的腹杆位于所述的上弦杆和下弦杆之间。
在上述技术方案中：每榀所述的拱形钢管桁架的两端有锚垫板，每榀所述的拱形钢管桁架的两端通过锚垫板和地脚螺栓与所述的涵台固定。
在上述技术方案中：所述的钢波纹管与所述的拱形钢管桁架的上弦杆之间采用U形螺栓连接，所述的钢波纹管两端通过搭接板、地脚螺栓与所述的涵台锚固。
在上述技术方案中：所述的拱形钢管桁架采用三角形断面的空间立体桁架结构，所述的钢波纹管采用非闭合截面形式的弧形镀锌波纹钢管，所述的钢波纹管采用钢波纹管片拼装而成，各管片之间相互搭接。
本发明的第二目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞的施工方法。
本发明的第二目的是通过如下技术方案来实施的：用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞的施工方法，它包括如下步骤；
①、采用机械或人工根据涵台基础高程和宽度将原始地面开挖成槽，槽体宽度和深度根据管道高程、涵洞净高、地质情况确定，在原始地面的槽体内采用现浇C15素混凝土形成涵台基础；
②、在步骤①基础上浇筑的涵台基础上立模并浇筑C30钢筋混凝土形成涵台，所述的涵台采用五边形截面；所述的涵台净跨根据管道安全保护距离要求确定，所述的涵台高度和厚度需满足所述的拱形钢管桁架、钢波纹管、路基填筑体的填土压力和路面车辆荷载共同作用下的结构要求；所述的涵台内预埋竖向和斜向地脚螺栓；
③、所述的拱形钢管桁架所用的圆钢管在加工厂经除锈和防腐处理后，将上弦杆、腹杆和下弦杆相贯焊接，单榀所述的拱形钢管桁架焊接成三角形断面的空间立体桁架结构；
④、单榀所述的拱形钢管桁架焊接完成后运输至涵洞施工现场，采用汽车吊将单榀所述的拱形钢管桁架吊装就位，每榀所述的拱形钢管桁架两端设置有锚垫板，所述的钢管桁架通过地脚螺栓与涵台锚固；每榀所述的拱形钢管桁架之间采用纵向联系杆连接成所述的拱形钢管桁架整体结构；
⑤、所述的钢波纹管为非闭合截面形式的弧形镀锌波纹钢管，涵洞施工现场采用钢波纹管片拼装，各管片间相互搭接，并用高强螺栓连接；钢波纹管与拱形钢管桁架的上弦杆采用U形螺栓连接；所述的钢波纹管两端与涵台有搭接板，通过地脚螺栓与涵台锚固；
⑥、在步骤④和⑤安装完成拱形钢管桁架和钢波纹管后，在涵洞进口和出口立模浇筑C15混凝土形成一字挡土墙、帽石；
⑦、在所述的一字挡土墙外侧立模浇筑C15混凝土形成八字挡土墙；
⑧、在步骤⑥、⑦浇筑的混凝土强度达到设计强度的75％时，进行路基填筑体的回填压实工作；
⑨、在步骤⑧填筑压实的路基填筑体上浇筑路面；所述的路面结构根据公路等级和荷载要求确定。
在上述技术方案中：所述的一字挡土墙采用重力式挡墙。
在上述技术方案中：所述的涵台基础承载能力不小于300KPa。
本发明具有如下优点：1、本发明整体结构可以跨越天然气输气管道、石油输送管道、自来水输水管道，这样可以避免管道的拆移，减免了与相关部门办理手续的程序，节约了管道拆移的时间和费用。
2、本发明现场实施过程中，管道始终处于正常输送状态，避免了管道停运的经济损失。
3、本发明中的拱形钢管桁架具有良好的抗压、抗弯扭承载能力以及较大的刚度，与钢波纹管片联合承载上部填土压力和车辆荷载，结构稳定性好，能够满足涵洞跨径十米以上的需求，提高了目前涵洞的跨径技术水平。
4、本发明中的拱形钢管桁架和钢波纹管管片均可在工厂制作、涵洞施工现场安装方便快捷，能够有效缩短涵洞施工工期。
5、对于起临时保护作用的涵洞，工程完工后进行拆除，拱形钢管桁架和钢波纹管片可以回收再利用，具有节能环保的效果。
6、本发明中的拱形钢管桁架和钢波纹管片联合承载的大跨径涵洞与同跨径的桥梁相比，结构简单，施工速度快，工程费用小。
附图说明
图1为本发明的纵剖面图。
图2为本发明的平面布置图。
图3为本发明中涵洞洞身横断面图。
图4为本发明中涵身与涵台连接图。
图5为本发明中拱形钢管桁架平面布置图。
图6为本发明中拱形钢管桁架节点单元图。
图7为本发明中涵洞洞口侧视图。
图中：涵台基础1、涵台2、拱形钢管桁架3、上弦杆3.1、腹杆3.2、下弦杆3.3、纵向联系杆3.4、钢波纹管4、一字挡土墙5、帽石6、八字挡土墙7、路基填筑体8、路面9、原始地面10、管道11、搭接板12、锚垫板13、地脚螺栓14。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
本发明用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞，它包括涵台基础1、涵台2、拱形钢管桁架3、钢波纹管4、一字挡土墙5、帽石6、八字挡土墙7、路基填筑体8和路面9。
所述的涵台基础1位于管道11的两侧，在所述的涵台基础1上浇筑有涵台2，两侧所述的涵台2之间设置有多榀互相平行的拱形钢管桁架3，在每个所述的拱形钢管桁架3的上方设置有钢波纹管4，所述的钢波纹管4的上方回填有路基填筑体8，所述的路基填筑体8上方铺设有路面9。
所述的涵台2进口端和出口端设置有一字挡土墙5，且所述的一字挡土墙5位于所述的涵台2两端，所述的一字挡土墙5顶部设置有帽石6，所述的一字挡土墙5外侧设置有八字挡土墙7。所述的一字挡土墙5、帽石6、八字挡土墙7能够有效抵挡路基两侧的填筑体8土压力和路面9车辆荷载，可保证路基稳定，确保原始地面下管道11的安全。
所述的拱形钢管桁架3包括上弦杆3.1、腹杆3.2和下弦杆3.3，所述的上弦杆3.1和下弦杆3.3之间互相平行，且所述的腹杆3.2位于所述的上弦杆3.1和下弦杆3.3之间。所述的拱形钢管桁架3结构能充分利用材料的强度，在跨度较大时不仅能够节省材料、减轻自重，而且能够增大刚度。
每榀所述的拱形钢管桁架3的两端有锚垫板13，每榀所述的拱形钢管桁架3的两端通过锚垫板13和地脚螺栓14与所述的涵台2固定。单榀拱形钢管桁架3能够牢固与涵台2锚固。
所述的钢波纹管4与所述的拱形钢管桁架3的上弦杆3.1之间采用U形螺栓连接，所述的钢波纹管4两端通过搭接板12、地脚螺栓14与所述的涵台2锚固。钢波纹管4与拱形钢管桁架3组成联合受力结构，承载能力得到加强。钢波纹管4横截面两端能够与涵台2有效连接。
所述的拱形钢管桁架3采用三角形断面的空间立体桁架结构，所述的钢波纹管4采用非闭合截面形式的弧形镀锌波纹钢管，所述的钢波纹管4采用钢波纹管片拼装而成，各管片之间相互搭接。所述的拱形钢管桁架3采用三角形断面的空间立体桁架结构，该结构稳定性高，钢波纹管4的管片之间相互搭接能够形成非闭合截面的钢波纹管4。
本发明还包括一种施工方法：用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞的施工方法，它包括如下步骤；
①、采用机械或人工根据涵台基础1高程和宽度将原始地面10开挖成槽，槽体宽度和深度根据管道11高程、涵洞净高、地质情况确定，在原始地面10的槽体内采用现浇C15素混凝土形成涵台基础1；
②、在步骤①基础上浇筑的涵台基础1上立模并浇筑C30钢筋混凝土形成涵台2，所述的涵台2采用五边形截面；所述的涵台2净跨根据管道安全保护距离要求确定，所述的涵台2高度和厚度需满足所述的拱形钢管桁架3、钢波纹管4、路基填筑体8的填土压力和路面9车辆荷载共同作用下的结构要求；所述的涵台2内预埋竖向和斜向地脚螺栓14；
③、所述的拱形钢管桁架3所用的圆钢管在加工厂经除锈和防腐处理后，将上弦杆3.1、腹杆3.2和下弦杆3.3相贯焊接，单榀所述的拱形钢管桁架3焊接成三角形断面的空间立体桁架结构；
④、单榀所述的拱形钢管桁架3焊接完成后运输至涵洞施工现场，采用汽车吊将单榀所述的拱形钢管桁架3吊装就位，每榀所述的拱形钢管桁架3两端设置有锚垫板13，所述的钢管桁架3通过地脚螺栓14与涵台2锚固；每榀所述的拱形钢管桁架3之间采用纵向联系杆3.4连接成所述的拱形钢管桁架3整体结构；
⑤、所述的钢波纹管4为非闭合截面形式的弧形镀锌波纹钢管，涵洞施工现场采用钢波纹管片拼装，各管片间相互搭接，并用高强螺栓连接；钢波纹管4与拱形钢管桁架3的上弦杆3.1采用U形螺栓连接；所述的钢波纹管4两端与涵台2有搭接板12，通过地脚螺栓14与涵台2锚固；
⑥、在步骤④和⑤安装完成拱形钢管桁架3和钢波纹管4后，在涵洞进口和出口立模浇筑C15混凝土形成一字挡土墙5、帽石6；
⑦、在所述的一字挡土墙5外侧立模浇筑C15混凝土形成八字挡土墙7；
⑧、在步骤⑥、⑦浇筑的混凝土强度达到设计强度的75％时，进行路基填筑体8的回填压实工作；
⑨、在步骤⑧填筑压实的路基填筑体8上浇筑路面9；所述的路面9结构根据公路等级和荷载要求确定。
所述的一字挡土墙5采用重力式挡墙。所述的一字挡土墙5依靠墙身自重抵抗路基上方的填土压力和车辆荷载，施工方便，经济性好。
所述的涵台基础1承载能力不小于300KPa。涵台基础1较高的承载能力能够保证该大跨径涵洞的整体稳定。
关于本发明中大跨径涵洞的拱形钢管桁架3和钢波纹管4受力分析如下:主要结构采用三维有限元法进行计算分析，具体步骤如下：
A:根据图1～图7建立该大跨径涵洞的三维有限元计算模型；
B:涵洞顶部荷载计算，荷载主要分为两种：①恒载，由路基填筑体和路面上静止荷载产生；②活载，由路面上行驶的车辆产生。当公路填筑体厚度大于5米后，活载忽略不计。顶部荷载＝恒载+活载。
C:在步骤A建立的三维有限元计算模型基础上对各组成部分赋材料参数和边界约束条件。
D:通过有限元求解计算，可得出钢波纹管的环向压应力计算值σ和拱形钢管桁架各杆件的截面应力计算值ξ。
E:若σ﹤P，并且ξ﹤ψ，该大跨径涵洞结构安全可靠，P为钢波纹管的环向压应力设计值，ψ为拱形钢管桁架各杆件的截面应力设计值。若不满足σ﹤P，并且ξ﹤ψ，则应加大钢波纹管管片的壁厚和拱形钢管桁架各杆件的直径，直至σ﹤P，并且ξ﹤ψ满足涵洞结构安全可靠的要求。
综上所述的本发明的拱形钢管桁架3和钢波纹管4能够满足受力分析的要求，该大跨径涵洞实施后，路面9上可走人或行车，安全度较高。
上述未详细说明的部分均为现有技术。
Claims (9)
1.用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞，其特征在于：它包括涵台基础(1)、涵台(2)、拱形钢管桁架(3)、钢波纹管(4)、一字挡土墙(5)、帽石(6)、八字挡土墙(7)、路基填筑体(8)和路面(9)；
所述的涵台基础(1)位于管道(11)的两侧，在所述的涵台基础(1)上浇筑有涵台(2)；两侧所述的涵台(2)之间设置有多榀互相平行的拱形钢管桁架(3)，在每个所述的拱形钢管桁架(3)的上方设置有钢波纹管(4)，所述的钢波纹管(4)的上方回填有路基填筑体(8)，所述的路基填筑体(8)上方铺设有路面(9)。
2.根据权利要求1所述的用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞，其特征在于：所述的涵台(2)进口端和出口端设置有一字挡土墙(5)，且所述的一字挡土墙(5)位于所述的涵台(2)两端，所述的一字挡土墙(5)顶部设置有帽石(6)，所述的一字挡土墙(5)外侧设置有八字挡土墙(7)。
3.根据权利要求1所述的用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞，其特征在于：所述的拱形钢管桁架(3)包括上弦杆(3.1)、腹杆(3.2)和下弦杆(3.3)，所述的上弦杆(3.1)和下弦杆(3.3)之间互相平行，且所述的腹杆(3.2)位于所述的上弦杆(3.1)和下弦杆(3.3)之间。
4.根据权利要求3所述的用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞，其特征在于：每榀所述的拱形钢管桁架(3)的两端有锚垫板(13)，每榀所述的拱形钢管桁架(3)的两端通过锚垫板(13)和地脚螺栓(14)与所述的涵台(2)固定。
5.根据权利要求4所述的用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞，其特征在于：所述的钢波纹管(4)与所述的拱形钢管桁架(3)的上弦杆(3.1)之间采用U形螺栓连接，所述的钢波纹管(4)两端通过搭接板(12)、地脚螺栓(14)与所述的涵台(2)锚固。
6.根据权利要求5所述的用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞，其特征在于：所述的拱形钢管桁架(3)采用三角形断面的空间立体桁架结构，所述的钢波纹管(4)采用非闭合截面形式的弧形镀锌波纹钢管，所述的钢波纹管(4)采用钢波纹管片拼装而成，各管片之间相互搭接。
7.根据权利要求1-6中任一一项权利要求所述的用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞的施工方法，其特征在于：它包括如下步骤；
①、采用机械或人工根据涵台基础(1)高程和宽度将原始地面(10)开挖成槽，槽体宽度和深度根据管道(11)高程、涵洞净高、地质情况确定，在原始地面(10)的槽体内采用现浇C15素混凝土形成涵台基础(1)；
②、在步骤①基础上浇筑的涵台基础(1)上立模并浇筑C30钢筋混凝土形成涵台(2)，所述的涵台(2)采用五边形截面；所述的涵台(2)净跨根据管道安全保护距离要求确定，所述的涵台(2)高度和厚度需满足所述的拱形钢管桁架(3)、钢波纹管(4)、路基填筑体(8)的填土压力和路面(9)车辆荷载共同作用下的结构要求；所述的涵台(2)内预埋竖向和斜向地脚螺栓(14)；
③、所述的拱形钢管桁架(3)所用的圆钢管在加工厂经除锈和防腐处理后，将上弦杆(3.1)、腹杆(3.2)和下弦杆(3.3)相贯焊接，单榀所述的拱形钢管桁架(3)焊接成三角形断面的空间立体桁架结构；
④、单榀所述的拱形钢管桁架(3)焊接完成后运输至涵洞施工现场，采用汽车吊将单榀所述的拱形钢管桁架(3)吊装就位，每榀所述的拱形钢管桁架(3)两端设置有锚垫板(13)，所述的钢管桁架(3)通过地脚螺栓(14)与涵台(2)锚固；每榀所述的拱形钢管桁架(3)之间采用纵向联系杆(3.4)连接成所述的拱形钢管桁架(3)整体结构；
⑤、所述的钢波纹管(4)为非闭合截面形式的弧形镀锌波纹钢管，涵洞施工现场采用钢波纹管片拼装，各管片间相互搭接，并用高强螺栓连接；钢波纹管(4)与拱形钢管桁架(3)的上弦杆(3.1)采用U形螺栓连接；所述的钢波纹管(4)两端与涵台(2)间有搭接板(12)，通过地脚螺栓(14)与涵台(2)锚固；
⑥、在步骤④和⑤安装完成拱形钢管桁架(3)和钢波纹管(4)后，在涵洞进口和出口立模浇筑C15混凝土形成一字挡土墙(5)、帽石(6)；
⑦、在所述的一字挡土墙(5)外侧立模浇筑C15混凝土形成八字挡土墙(7)；
⑧、在步骤⑥、⑦浇筑的混凝土强度达到设计强度的75％时，进行路基填筑体(8)的回填压实工作；
⑨、在步骤⑧填筑压实的路基填筑体(8)上浇筑路面(9)；所述的路面(9)结构根据公路等级和荷载要求确定。
8.根据权利要求7所述的用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞的施工方法，其特征在于：所述的一字挡土墙(5)采用重力式挡墙。
9.根据权利要求8所述的用于管道免拆除和保护的大跨径涵洞的施工方法，其特征在于：所述的涵台基础(1)承载能力不小于300KPa。
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