摘要
涵洞作为公路主要构造物之一，具有量大面广的特点，受设计和施工等因素影响，长期以来工程病害十分突出。随着绿色公路建设理念的广泛推进和技术标准、设计规范不断更新，原有涵洞通用图已难以适应新形势下公路建设持续、健康发展的需要。湖南省交通规划勘察设计院有限公司对公路涵洞设计的关键技术进行了广泛深入的调查研究，立足新形势编制了新版涵洞通用图，该通用图能较好地适应公路建设可持续发展的要求，是对桥涵建设标准化的有力推广和应用。
Abstract
As one of the main structures of highways， a culvert has the characteristics of large quantity and wide range. Affected by design and construction factors， engineering diseases of culverts have been prominent for a long time. With the extensive promotion of the green highway construction concept and the continuous updating of technical standards and design specifications， the original general drawing of culverts fails to meet the needs of the sustainable and healthy development of highway construction under the new situation. Hunan Provincial Communications Planning， Survey & Design Institute has conducted extensive and in-depth investigation and research on the key technologies of highway culvert design and prepared a new version of general drawings of culvert， which can meet the requirements of sustainable development of highway construction， and it serves as a powerful promotion and application of bridge and culvert construction standardization.
Keywords
0 问题的提出
涵洞作为公路主要构造物之一，具有量大面广的特点，其主要作用是连接原有的路系、水系[1]。合理的涵洞设计不仅对整个工程的造价及质量的控制有利，且能够极大地方便周围居民生产生活，有利于社会安定团结。
目前中国各省份正在使用的涵洞通用图编制较早，以湖南省为例，湖南省交通规划勘察设计院最早在 20世纪 90年代初开展涵洞标准化设计工作，2000年首次编制完整的涵洞通用图。虽然于 2011 年、2016 年、 2018年对通用图进行了修编，但近年来，随着高速公路交通量逐步提升，绿色公路建设理念的广泛推进，技术标准和设计规范不断更新，特别是《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）、《公路涵洞设计规范》（JTG/T3365-02—2020）等规范陆续颁布[2-4]，原有涵洞通用图在设计标准、材料选用、构造形式等方面已经难以适应新形势下公路建设可持续发展的要求，因此编制新版涵洞通用图的任务十分紧迫[5]。
通用图编制小组采用问卷调查、现场调研、收集检测报告和对比其他单位的通用图等方式进行了广泛深入的研究，并多次组织专题研讨会，历经数次审查和修改，前后历时 3 个月，目前已经完成新版涵洞通用图的编制。钢筋混凝土盖板涵洞具有构造简单、便于预制装配施工、涵身坚固、经久耐用、养护费用少等特点，使用频率最高。本文主要介绍钢筋混凝土盖板涵洞通用图编制的编制思路、编制内容、关键技术研究、主要技术改进等内容。
1 涵洞典型病害及设计经验教训
通过对几个已建项目进行调研总结，公路涵洞的典型病害及从设计角度分析造成该病害的主要原因见表1 [6]。
表1 公路涵洞的典型病害及原因分析
Table1 Typical diseases and causes of highway culverts
2 盖板涵通用图基本情况
2.1 编制内容
盖板涵通用图包括整体式基础暗涵、分离式基础暗涵、明涵结构，涵盖各种常用跨径和净高、填土高度（表2）。斜交角度 0°~45°，荷载等级公路-Ⅰ 级。能够适应华南地区气候条件，采用常规施工工艺，具有较强的通用性和实用性。
2.2 基本尺寸拟定
本通用图结构基本尺寸拟定充分考虑了结构安全性、耐久性、材料经济性、施工方便性和适度超前等因素[7-11]。不同填土高度下各跨径和净空明涵及暗涵的各部构造尺寸见图1、图2、表3、表4。限于篇幅，本文仅给出各部尺寸的范围，具体尺寸详见通用图。
表2 盖板涵洞规格和适用填土高度
Table2 Cover culvert dimensions and applicable fill height
图1 盖板涵洞纵剖面图（单位：cm）
Figure1 Longitudinal section of cover culvert (unit:cm)
图2 分离式基础、整体式基础、明涵横断面图（单位：cm）
Figure2 Cross section of separated foundation, integral foundation and open culvert (unit:cm)
表3 暗涵各部尺寸
Table3 Dimensions of each part of concealed culvert
表4 明涵各部尺寸
Table4 Dimensions of each part of open culvert
2.3 结构计算
（1）计算标准与规范。《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60—2015）（以下简称《通规》）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362— 2018）（以下简称《公预规》）、《公路涵洞设计规范》 （JTG/T3365-02—2020）（以下简称《涵洞规范》）、 《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019） （以下简称《公地规》）、《公路圬工桥涵设计规范》 （JTG D61—2005）（以下简称《圬工规范》）。
（2）计算参数。重度：填土 19 kN/m3，素混凝土 25 kN/m3，钢筋混凝土 26 kN/m3；台背回填料内摩擦角：39°；钢筋抗拉强度设计值：HPB300、HRB400 分别为 250 MPa、330 MPa；素混凝土抗拉、抗压强度设计值采用《圬工规范》取值；钢筋混凝土抗拉、抗压强度设计值采用《公预规》取值。
（3）计算模型及内容。盖板按两端铰接支撑在涵台上端的简支板计算，不考虑涵台传来的水平力。盖板应进行承载能力极限状态的正截面、斜截面强度和正常使用极限状态下裂缝宽度的验算。涵台按简支竖梁计算，以涵台上部盖板、涵底固定基础（或支撑梁）作为涵台的上下支撑点，验算墙身在竖直荷载和水平压力作用下的强度和稳定性。整体式基础按偏心受压构件计算，台身处基础弯矩可取 0.7M0，基础跨中弯矩可取-0.7M0，M0为与计算跨径相应的简支梁跨中弯矩。
（4）计算方法。采用 Excel 软件自编计算公式、有限元软件 Midas Civil建模等方式进行计算。
3 专题研究与技术优化
3.1 对新规范的执行
（1）结构设计安全等级。通用图的编制执行 2015 版《通规》有关于设计安全等级的最新规定：高速公路、一级公路、二级公路上的涵洞设计安全等级为二级，较原规定提高一级，结构重要性系数 γ0由 0.9 提高到 1.0。
（2）耐久性要求。根据最新版《通规》《公预规》 《涵洞规范》相关要求，涵洞结构设计使用年限为 50 年。湖南省冬季最冷月平均温度高于 4℃，但考虑到湘西、湘北广大山区高速公路冬季常有冰冻发生，新通用图偏保守地按照Ⅱ类环境编制，涵洞各构件的材料强度等级及保护层厚度见表5。
表5 构件材料强度等级及保护层厚度
Table5 Strength grade of component material and thickness of protective layer
（3）土压力的计算。根据 2020 版《涵洞规范》，填土对涵洞产生的竖向压力强度：
(1)
式中：γh 为土柱重量；K 为竖向土压力系数，按照《涵洞规范》表9.2.2 取值。盖板涵通用图编制过程中，统一按照 Bg/D>10 的最不利情况确定 K 值，在安全第一的原则下有利于涵洞标准化设计。
填土对涵洞结构产生的水平土压力强度按照土柱重量 γh 与水平土压力系数的乘积确定。关于水平土压力系数的取值，2020 版《涵洞规范》取为静止土压力系数 ξ=1-sin φ，2007 版《涵洞设计细则》取为主动土压力系数 λ=tan2（45°-φ/2）。以往编制通用图时，内摩擦角 φ 一般取 30°，按此计算静止土压力系数 ξ=0.5，主动土压力系数 λ=0.33。可见在涵顶填土高度和材料特性不变的情况下，《涵洞规范》的涵台水平土压力较《涵洞设计细则》增加超过 50%，存在新、旧规范的跳跃性。因此编制新通用图时有必要对内摩擦角的取值进行探讨，以保证新通用图与旧通用图较好地衔接。《公路路基施工技术规范》 （JTG/T3610—2019）要求涵洞两侧回填料宜采用粒径小于 50 mm 的碎石土等透水性材料，分层厚度不大于 150 mm，压实度不小于 96%。根据经验，此类回填料内摩擦角为 37°~42°。如台后回填料内摩擦角取平均值 39°，此时静止土压力系数 ξ=0.37，这一系数不仅与旧通用图的主动土压力系数 λ=0.33 衔接良好，亦与《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017） 的工程调查分析结论“涵洞水平土压力系数，采用 0.25 或 0.35”契合。
3.2 高填方涵洞地基承载力容许值的修正
随着交通事业的迅猛发展，交通建设逐步向山岭重丘区延伸，对涵洞填土高度的要求日益增大[12]，原盖板涵洞通用图最大填土高度仅 12 m，已不能适应山区公路建设的需要。为增大盖板涵适用范围，减少高填方涵洞病害的发生，新通用图将整体式基础盖板涵最大填土高度增加到 20 m。
以往整体式基础盖板涵洞地基承载力基本容许值[fa0]的计算直接采用上部荷载所产生地基底应力 [fa]，没有考虑涵洞两侧填土压载对地基承载力的提高作用，导致高填方涵洞通用图对地基承载力要求普遍高，地基处理费用增加，造成投资浪费[13-15]。新通用图整体式基础涵洞的地基承载力基本容许值 [fa0]按《公地规》第 4.3.4 条规定进行修正[16]：
(2)
从安全角度出发，宽度和深度修正系数按照基底为新近沉积黏性土取 k1=0，k2=1，其余各参数定义及取值详见《公地规》4.3.4 规定。新通用图考虑涵洞两侧填土压载对地基承载力的提高作用，解决了原通用图对地基承载力要求过高，造成投资浪费的问题。以 4 m×4 m 整体式基础正交盖板涵洞为例，各填土高度下，新、旧通用图的地基承载力基本容许值对比见表6。
表6 新、旧通用图地基承载力基本容许值对比
Table6 Comparison of basic allowable values of foundation bearing capacity between new and old general drawings
3.3 盖板构造及配筋优化
盖板构造及配筋采用两种设计形式：涵顶填土高度不超过 8 m 时，盖板采用等厚度设计，主筋按通长直钢筋布置。填土高度 8 m 及以上时，为有效抵抗跨中弯矩，盖板跨中截面高度较端部截面增加 5~10 cm，盖板顶面以人字坡过渡，底面布置 2 层或 3 层主筋，第 2、3 层主筋在支点附近弯起，以提高构件抗剪能力，箍筋由 4 肢减少至 2 肢，见图3。
3.4 涵台基础构造及配筋优化
为适应高填方的设计工况，整体式基础与涵台连接处内侧增设倒角，改善连接处受力。涵台内侧设直径 8 mm、网格间距 10 cm×10 cm 冷轧带肋钢筋网，可有效防止混凝土产生干缩裂缝和温度裂缝。涵台外侧增设纵向间距 20 cm 的 ϕ20 mm 竖向短钢筋，钢筋深入基础 60 cm，以增强侧墙与基础间的抗剪能力并承担涵台部分弯矩。基础按纵、横向间距 40 cm×40 cm 设置 ϕ12 mm 箍筋，以满足基础抗剪要求。根据《涵洞规范》9.4.5 条，基础在涵台处承受与跨中大小相同、反向相反的弯矩，因此基础底部增设与顶部相同的横向主筋。整体式基础及涵台钢筋布置见图4。
图3 盖板钢筋布置示意图（单位：cm）
Figure3 Cover plate reinforcement layout (unit:cm)
图4 整体式基础及涵台钢筋布置示意图（单位：cm）
Figure4 Integral foundation and culvert abutment reinforcement layout (unit:cm)
以往分离式基础涵洞底部铺砌采用施工质量难保证的浆砌片石，涵底铺砌在涵台侧向水平压力下易发生隆起开裂。新通用图的分离式基础涵底铺砌材料采用 C25 素混凝土或 M7.5 浆砌片石，根据工程实际情况选用。当采用浆砌片石铺砌时，沿涵洞纵向每隔 2 m 设一道截面尺寸 40 cm×40 cm 的支撑梁，以提高结构整体性和抵抗涵台侧向水平压力，具体构造见图2。
3.5 增加盖板锚栓设计
为增强盖板与涵台连接的整体性，在盖板与涵台之间设置竖向锚栓，并用 C20 小石子混凝土填满捣实空隙，使盖板两端与涵台顶紧。每块盖板预制件的两支撑端中心处各设置一个锚栓，具体构造为：盖板预制时预留 ϕ8 cm 锚栓孔，涵台浇筑时，与盖板锚栓孔对应位置预留 ϕ10 cm 锚栓孔，盖板安装就位后，在预留锚栓孔中插入 ϕ22 mm 锚栓钢筋，并用热沥青灌满锚栓孔，使盖板与涵台连接。具体构造见图5。
图5 盖板锚栓构造示意图（单位：cm）
Figure5 Structure of cover plate anchor bolt (unit:cm)
3.6 补充防水措施和沉降缝构造设计
原通用图未明确涵洞防水措施和沉降缝构造的设计要求，致使实际施工中相应要求标准不一，质量参差不齐，常造成沉降缝处填料剥落、渗水涌砂、台背掏空等病害。新通用图在涵洞与填土接触部分涂热沥青 3 道，沉降缝处施作 50 cm 宽 SBS 防水卷材，接缝外侧填沥青木丝板，内侧填塞 5 cm 沥青浸制麻絮，有效防止涵身渗水与沉降缝病害。具体构造见图6。
图6 涵身防水与沉降缝构造示意图
Figure6 Structures of waterproof culvert abutment and settlement joint
3.7 补充明涵构造设计
补充明涵设计，涵台后设置 5 m 长搭板，厚度 35 cm，实现涵顶与台后路基之间刚度渐变过渡，解决浅埋涵洞差异沉降过大造成的路面开裂与涵台跳车病害。明涵构造见图2。
4 主要材料用量指标分析
为研究新版通用图主要材料用量指标的合理性，以 6 m×5 m 整体式基础盖板涵为例，统计对比了新通用图、某省院参考图、旧通用图的混凝土和钢筋用量指标如表7、8 所示。
表7 盖板主要材料用量指标对比
Table7 Comparison of main material consumption indexes of cover plate
表8 涵台及基础主要材料用量指标对比
Table8 Comparison of main material consumption indexes of culvert abutment and foundation
由表7、8 可知：① 与旧通用图相比，新通用图的盖板混凝土方量增幅 7.4%~31.3%，含筋量增幅 12.8%~17.2%，涵台及基础的混凝土方量增幅在 10% 以下，由于基础配筋模式的变化，含筋量有明显的增加；② 与某省院参考图相比，新通用图的盖板混凝土方量基本一致，含筋量的增幅为 12.5%~23.2%，涵台及基础的混凝土方量在填土高度小时减少，填土高度大时增加，含筋量的增幅为 25%~34%。
新通用图混凝土方量和含筋量指标变化的主要原因是新规范对结构重要性系数 γ0、竖向土压力系数 K、水平土压力系数 ξ 等参数的调整，使涵洞结构的设计荷载增大 20%~40%；同时新的《公预规》对裂缝计算控制也较原来更加严格。因此新通用图混凝土方量和含筋量指标出现上述变化是完全合理的。
5 结语
本文简要介绍了钢筋混凝盖板涵洞通用图的编制思路、编制内容、关键技术研究、主要技术改进等内容，以期在使用过程中与同行加强沟通，为其他单位编制通用图提供思路。如何利用桥涵专业软件实现本套通用图基于 BIM 的涵洞数字化、信息化设计，是下一步研究工作迫切需要解决的问题。该通用图根据最新规范编制，遵循安全、耐久、适用、环境友好、经济美观的工程建设理念，能较好适应新形势下公路建设可持续发展的要求，是对桥涵建设标准化的有力推广和应用。
