涵洞

在水渠通过公路的地方，为了不妨碍交通，修筑于路面下的过路涵洞，让水从公路的下面流过再翻到地面上来，形状有管形、箱形及拱形等。它是根据连通器的原理，常用砖、石、混凝土和钢筋混凝土等材料筑成。它是路堤通过洼地或跨越水沟，或为把路基上方的水流宣泄到下方时，而设置的横穿路基的小型地面排水结构物。其单跨计算跨径L小于5m，多孔跨径总长（即L1）未严格说明。涵洞上覆土体采用邓肯双曲线模型、地基采用弹性模型，通过力的平衡和变形协调条件，提出涵洞土压力计算方法，并对上埋式钢筋混凝土涵洞顶部垂直土压力进行计算，由此分析了涵洞土压力的主要影响因素。结果表明：涵洞土压力系数随地基弹性模量、涵洞高宽比和填土内摩擦角的增大而增大，随填土压缩性的增大而减小，随填土高度增大呈先增后减的变化规律；填土厚度等于初始等沉面高度时，土压力系数有最大值 ^[2]  。

桥与涵洞技术上是以跨径为划分标准的。一般5米（不含）以上称桥，以下就称涵洞。但圆管涵和箱涵不论孔径、跨径多少都称涵洞 ^[3]  。

但实际上，涵洞与桥梁的主要区别是在于，一般涵洞上有填土，而桥上就直接铺轨道（但仍有道碴）。从侧面看，涵洞就象在路基上挖的孔，而路基在桥梁处就断开了 ^[4]  。

根据以上说明，可以看出按是否填土来区分，只是通常的，非正式的一种区分方式。从技术上来说，应该按长度来确定 ^[4]  。

涵洞是设于路基下的排水孔道，通常有洞身、洞口建筑两大部分组成 ^[1]  。洞身由若干管节组成，是涵洞的主体。它埋在路基中，具有一定的纵向坡度，以便排水；端墙和翼墙位于入口和出口及两侧，起挡土和导流作用，同时还可以保护路堤边坡不受水流冲刷。涵洞组成，涵洞一般横穿路堤下部，多数洞顶有填土，采用单孔或双孔，孔径0.75～6 m。

洞身形成过水孔道的主体，它应具有保证设计流量通过的必要孔径，同时又要求本身坚固而稳定。洞身的作用是一方面保证水流通过，另一方面也直接承受荷载压力和填土压力，并将其传递给地基。洞身通常由承重结构（如拱圈、盖板等）、涵台、基础以及防水层、伸缩缝等部分组成 ^[1]  。钢筋混凝土箱涵及圆管涵为封闭结构，涵台、盖板、基础联成整体，其涵身断面由箱节或管节组成，为了便于排水，涵洞涵身还应有适当的纵坡，其最小坡度为0.3%。 ^[1] 

洞口是洞身、路基、河道三者的连接构造物。洞口建筑由进水口、出水口和沟床加固三部分组成。洞口的作用是：一方面使涵洞与河道顺接，使水流进出顺畅；另一方面确保路基边坡稳定，使之免受水流冲刷。沟床加固包括进出口调治构造物，减冲防冲设施等。 ^[1] 

由于涵洞是处于大自然环境（风、霜、雨、雪、冰冻、高温、水流冲击）和行车荷载的作用下，因此要求涵洞必须具备如下特点：

（1）满足排泄洪水能力，保证在50年一遇洪水的情况下，顺利快捷地排泄洪水。

（2）具有足够的整体强度和稳定性，保证在设计荷载的作用下，构件不产生位移和变形。

（3）具有较高的可靠性和耐久性，保证在自然环境中，长期完好，不发生破损。

涵洞根据不同的标准，可以分为很多种。按建筑材料可分为砖涵、石涵、混凝土涵、钢筋混凝土涵；按照构造形式，涵洞可分为圆管涵、拱涵、盖板涵、箱涵。 ^[1]  按照填土情况不同分类，涵洞可以分为明涵和暗涵。明涵是指洞顶无填土，适用于低路堤及浅沟渠处。暗涵洞顶有填土，且最小的填土厚度应大于50cm，适用于高路堤及深沟渠处。按水利性能分类，涵洞可分为无压力式涵洞、半压力式涵洞、压力式涵洞 ^[1]  。无压力涵洞指的是入口处水流的水位低于洞口上缘，洞身全长范围内水面不接触洞顶的涵洞。半压力式涵洞指的是入口处水流的水位高于洞口上缘，部分洞顶承受水头压力的涵洞。压力式涵洞进出口被水淹没，涵洞全长范围内以全部断面泄水 ^[1]  。

圆管涵由洞身及洞口两部分组成。洞身是过水孔道的主体，主要由管身、基础、接缝组成。洞口是洞身、路基和水流三者的连接部位，主要有八字墙和一字墙两种洞口型式 ^[6-7]  。

圆管涵的管身通常由钢筋混凝土构成，管径一般有0.75米、1米、1.25米1.5米和2米等五种，管径的大小根据排水要求选择，多采用预制安装，预制长度通常为 2米。当采用0.5米或0.75米管径时用单层钢筋，而孔径在1米及1米以上时采用双层钢筋。0.5米管径时其管壁厚度不小于6厘米，0.75米管径时管壁厚度不小于8厘米，1米管径时管壁厚度不小于10厘米，1.25米及1.5米管径时管壁厚度不小于12厘米 ^[6-7]  。

拱涵是指洞身顶部呈拱形的涵洞，一般超载潜力较大，砌筑技术容易掌握，便于群众修建，是一种普遍的涵洞形式。

拱涵的构造由洞身、出入口端墙、翼墙和出入口的铺砌组成。洞身又分为拱圈、边墙（双孔的还有中墩）及基础三部分。拱圈一般采用最小厚度为40 cm的等截面圆弧，边墙及中墩用以支承拱圈，边墙内侧为竖直面，外侧为适应拱脚较大水平力而设有斜坡；基础根据孔径大小一般采用整体式或分离式；洞身全长一般不做成整体，而是用沉降缝将洞身分割为若干涵节，以适应不同基底应力导致不均匀下沉产生的不规则断裂。拱涵的出入口均设有端墙和翼墙，作用是保证水流顺畅流入洞内，防冲、防渗及维护路堤的稳定。此外，为防止对出入口基础及路堤的冲刷，在其一定范围内的沟床还应进行铺砌加固。

盖板涵是涵洞的一种形式，它受力明确，构造简单，施工方便。盖板涵主要由盖板、涵台及基础等部分组成。盖板涵与单跨简支板梁桥的结构形式基本相同，只是盖板涵的跨径较小 ^[8]  。

钢筋混凝土盖板箱涵 ，洞身由钢筋混凝土圆管构成，管节形状均较简单，基础工程亦简易，又可在成品厂集中预制。在既有铁路增建涵洞时，用圆涵可便于采用顶进法施工，对铁路运营影响小。但其过水面积远较拱涵、箱涵为小，泄洪能力差，更不适用洪水夹石块的河沟，也不宜用作立交涵或人工灌溉渠道。另外，圆涵涵顶填土愈高，孔径愈大，不仅运输安装不便，而且工程量增大，因此常用的圆涵孔径一般小于2.5 m，填土高度不大于15m，所以圆涵适用于孔径小，且沙石料缺乏地区。

箱涵 以盖板取代拱圈，洞身截面变成了箱形，称为盖板箱涵（图3），常采用的跨度在0.75 ~ 3.00 m间。盖板为梁式结构，其边墙尺寸较拱涵小，工程量节省；盖板箱涵内过水面积比同孔径的拱涵大，排水能力较拱涵为强；高路堤采用盖板涵时，其盖板跨中弯矩要增大，不如拱涵经济，故盖板涵一般只适用于低路堤。

1.倒虹吸管涵主要由进口段、水平段和出口段组成。进口段由进水河沟、沉淀池、进水井等组成。水平段是倒虹吸的主体，由基础、管身、接缝等组成。出口段由出水井、出水河沟等组成 ^[5]  。

2.管身宜为钢筋混凝土圆管，管身基础由级配砂石垫层和混凝土基础构成。管身接缝宜为钢丝网抹带接口或环带接口 ^[5]  。

3.进出水井宜由混凝土构成，也可由水泥砂浆砌片石构成。竖井上应设置活动的钢筋混凝土顶盖。沉淀池宜由浆砌块、片石构成。基础由混凝土和砂砾垫层构成。进出口河沟一定范围内应做铺砌加固 ^[5]  。

1.管身由薄钢板压成波纹后，卷制成管节构成。整体式波纹管采用法兰连接；分片拼装式波纹管采用钢板搭接，并用高强螺栓连接 ^[5]  。

2.钢波纹管涵地基或基础应均匀坚固，其地基或基础的最小厚度与宽度应符合表8.1.6的规定 ^[5]  。

3.钢波纹管管节内外面和紧固连接螺栓或铆钉，应进行热镀锌防腐处理 ^[5]  。

4.管身楔形部分应采用砾类土、砂类土回填。管顶填土应在管两侧保持对称均匀、分层摊铺、逐层压实，层厚宜为150～250mm，其压实度不应小于96% ^[5]  。

此外，还广泛采用钢筋混凝土刚架式箱涵、钢筋混凝土卵式拱涵及拼装式箱涵等。其优点为泄洪能力强，圬工量小，结构轻巧，便于预制拼装，缺点是钢材用量较多。这些涵洞多用于砂石材料供应困难，施工条件较差的地区。而在某些特殊情况下除桥涵排水方案外，还应考虑其他工程措施，如选用倒虹吸管、渡槽或泄水隧道等。

高速公路工程建设中用到的涵洞，以箱涵最多。箱涵不是盖板明渠，箱涵的盖板及涵身、基础是用钢筋砼浇筑起来的一个整体，可用来排水、过人及车辆通过。箱涵适用于软土地基，但造价比较高。现以大广高速京衡段LQ7标的K64+491.3箱涵为例，具体介绍这种涵洞的施工工艺。该箱涵的参数为，与路线夹角70°、孔径6m、高3.5m，其具体的施工工艺如下 ^[1]  。

1.施工准备

根据招投标文件、施工合同，设计文件及公路桥涵施工技术规范，编制施工组织设计。做好测量资料的复核及导线点、水准点位的复测，将施工组织设计、测量资料的复核及砼的施工配合比设计报监理工程师审批。审批通过后，架设全站仪精确放出箱涵基础的四个角，测出原地面的标高 ^[1]  。

2.施工方法

第一步基坑开挖。基坑开挖采用人工配合挖掘机作业，当挖至高于设计0.3～0.4m时，用人工配合继续开挖修整成型。基底的平面尺寸要比基础的平面尺寸宽出1m多，基坑挖的不深且土质良好，基坑坑壁不用支护加固。考虑到春天的雨水稀少，基坑口周堆土堆防止地表水的流入，为缩短基坑暴露时间，预计好基坑成型的时间且提前通知监理工程师，在基坑达到设计要求后立即进行检查。基底经监理工程师检验地基承载力符合设计要求并签订隐蔽检查证书后，且按照图纸设计回填20cm砂砾垫层并夯实检测后，才能进行基础砼浇筑 ^[1]  。

第二步浇筑基础砼。砼用料采用符合设计要求的砂、卵石和水泥，卵石粒径不得超过结构物最小尺寸的1/4和钢筋最小净距的3/4。水泥采用普通硅酸盐水泥32.5R，砼采用SF60型水泥砼拌和楼出料，以确保砼的标号和质量。每隔4m在板接缝处设一道沉降缝，缝宽1～2cm，沉降缝平行路中线布设，在浇筑时用符合设计要求的泡沫材料填塞。基础砼一次浇筑，不留施工缝 ^[1]  。

第三步箱底浇筑。箱底采用60cm厚的C30的钢筋砼。在基础上清刷干净后绑扎钢筋，支立定型钢模板，自检合格后报监理工程师，检验合格签字确认后浇筑砼。图纸设计整个涵洞分两次浇筑，先浇筑地板及腹板内壁以上30cm。为了保证两次浇筑有良好的接触面，第一次浇筑完成后应刷毛处理 ^[1]  。

第四步涵身浇筑。涵洞墙身砼用料和第一次浇筑板底的砼相同。涵洞墙身采用搭支架、支立定型钢模板现浇施工。支架的立柱应保持稳定，并用斜撑拉杆固定；安装侧模板时，应防止模板位移和凸出。模板安装完毕后，必须严格检查其各个平面位置尺寸的准确性和垂直度、顶面标高、节点联系及纵横向稳定性。经自检无误后，报监理工程师验收签字确认后，方可浇筑砼。每隔4m在板接缝处设一道沉降缝，缝宽2cm，沉降缝平行路中线布设，在每浇筑一次之后用符合设计要求的泡沫材料填塞。砼浇筑时按顺序和方向分层、分班浇筑，每层不超过30cm，上下两班同时浇筑，上层和下层的前后浇筑距离要大于1.5以上。使用插入式振动器，振捣时振动棒移动间距不能超过振动棒作业半径的1.5倍；与侧模要保持50～100mm的距离；插入下层砼50～100mm；对每一振动部位，必须振动到该部位砼停止下沉，不在有气泡冒出，表面呈现平坦、泛浆为止，但也不可过振。每一处振动完毕后，要边振动边徐徐提出振动棒，避免振动棒碰撞模板、钢筋及其他锚栓等预埋件。拆模时要避免大的震动，遵循先支后拆、后支先拆的顺序，拆时严禁乱抛乱扔。养护采用土工布覆盖洒水养生，并常保持砼表面湿润 ^[1]  。

第五步盖板现浇。支立满堂式钢管支架并保证其稳定性、强度及刚度。在支架上铺设底模，模板应保持其表面平整，接缝密实不漏浆，测量模板面标高并保证与设计标高一致。在模板上绑扎钢筋，钢筋应用铁丝绑扎结实，间距匀称，接头布置在内力较小处并错开布置。钢筋与底模间设置垫块，垫块要与钢筋绑扎结实。侧模板安装要设立支撑固定、拉杆，力求牢稳。经自检合格后报监理工程师，验收签字确认后方可浇筑砼。养护同样采用土工布覆盖洒水养生，并常保持砼表面湿润 ^[1]  。

第六步涵背两侧的填筑。在涵洞防水层作好且顶板砼强度达到100%后，方可安排涵洞台背回填，涵洞两侧应对称均匀分层同步进行填筑施工。在涵洞两侧不少于2倍孔径范围内对称进行，涵台背后1m范围内采用轻型夯实机械施工，当顶部填筑厚度大于1m后允许使用重型施工机械。涵洞台背回填必须分层填筑压实，并检测每一层压实度，符合规范要求则报监理，确认后再进行下一层填筑，分层填筑厚度为20cm ^[9]  。

涵洞病害产生的原因分析
　　涵洞设计原因
　　涵洞的形式，如压力涵和无压力涵的断面型式选择不当;涵洞设计时混凝土强度、钢筋配置不合理;涵节与涵节之间的平直对接形式，中间缝隙用沥青麻袋填塞，其侧向抗剪力相对来说很小，当涵两侧路基土在填筑或夯实不均匀时在行车荷载的作用下，使某些涵节与涵节之间发生侧向位移而产生错台;洞口铺砌面短，特别是出水洞口，一般都没有超过翼墙尾端，而且隔水墙外也没对沟渠底进行有效加固，造成涵洞的底部冲刷由此处发生;翼墙、端墙厚度偏小，墙背面坡比小，墙体自重轻，抗倾覆能力低，在墙外填土压力作用下，特别是当涵洞偏短，路基边坡较陡，路面上有车辆行驶时，致使墙体向外倾斜，直至倒塌;墙体基础埋深浅，对最大冲刷和最大冻深考虑不周，从而造成墙体的破坏。
　　材料原因
　　涵洞防水材料通常有防水混凝土、沥青、油毡等，这些防水材料不能满足要求，导致防水能力下降，最终导致渗漏的发生;所采用的砌石或混凝土强度达不到设计要求。
　　施工原因
　　不按施工规范和设计文件的要求施工。突出表现在：没有采用渗透性材料回填;回填时未采取洞身两侧对称均衡分层填筑压实，并未达到设计要求的压实度;盲目赶进度而过早通车或单向单侧通车;施工时偷工减料，使水泥砂浆和混凝土标号低于设计要求，基础埋深未达到设计要求的深度等;对护坡、洞口铺砌及隔水墙等附属结构施工不重视，施工质量差;施工时不重视对混凝土的后期养护，造成混凝土的收缩徐变过大最终导致混凝土开裂;对基础开挖后的地基承载力未进行检测，造成地基承载力不能满足设计要求;为节省费用加快工程进度，施工单位对已破损的涵管不予更换，对涵洞安全使用留下隐患。
　　养护与运营原因
　　管养单位和人员忽视规范的日常检查工作，不能及时发现病害和隐患，以致产生不良后果。在运营中汽车的超速、超载造成并加剧病害发展、恶化。
　　环境影响
　　由于涵洞都处在恶劣的自然环境（雨、雪、风、霜、冰冻、高温、地震、水流冲击）下，难免受到不同程度的影响。尤其在遭遇地震时，由于地形地貌产生剧烈变化（如地裂、断层等），致使涵洞结构难以抵抗巨大的压力而导致破坏；地基失效致使基础急剧下沉或不均匀下沉也是引起涵洞结构破坏的的主要原因。

公路涵洞常见病害的对策
　　（一）结构设计方面
　　依据水文资料计算，使涵洞具有足够的宣泄能力，保证洪水的排泄，在无可靠水文资料的情况下，进行实地调查洪水痕迹，按经验选择孔径及形式;对于管涵将管节间的平口对接改为企口较接，在纵向连结构造的保证下，不产生错口和沉陷;洞口铺砌和隔水墙，用钢筋混凝土板代替浆砌块（片）石，并保证与端墙、翼墙连接牢固，缝隙紧密;端墙、翼墙的厚度尺寸与墙背面坡度应以保证墙体具有足够的抗倾覆力矩，基础抗滑动力为控制数据;墙体基础埋置深度要按最大冲刷深度和当地标准冻深双因素确定;在隔水墙以外且抗冲刷能力弱的条件下，可采取简易、有效、可靠的铺砌或防护类型加以防护，防止水毁的发生;沉降缝位置是最薄弱、最易渗水的位置，在可能的情况下，尽量少设沉降缝。
　　（二）新材料、新工艺方面
　　使用耐腐、抗压橡胶（或塑胶）填塞管节接口的缝隙，可保证缝隙的密实，不使用或少使用沥青麻絮填塞工艺;使用涂玻璃纤维布防水层及钢纤维混凝土保护层等新材料、新工艺，其具有良好的延伸性、防水性能强、耐老化、耐腐蚀、耐热、抗冻、不污染环境等优点;隔水墙以外的防护铺砌，可应用土工布或土工格栅（2～3层），埋设在原地表面下10～20cm深处，提高其整体抗冲刷能力。
　　（三）施工方面
　　施工时若地质条件与设计文件不符，及时反馈设计人员进行修改，消除先天性隐患;改进施工方法，加强结构重要部位的施工及前后施工顺序的合理衔接；所用施工材料要严格按照设计要求选用，严把质量关，杜绝偷工减料和使用不合格材料；涵洞施工抓住：承载力要均匀、沉降缝要竖直、涵背填土要对称、出人口要及时铺砌疏通、碾压要均衡等环节。
　　（四）日常养护方面
　　在涵洞的运营过程中，要加强管理和维护。及时清除洞口及洞内的淤积物，以保持洞内排水畅通。经常检查附属设施与涵洞结合的整体性，发现裂缝要及时观察观测，确定裂缝是否稳定或发展，发现问题及早处理，做到防患于未然。
　　涵洞作为公路的一个重要组成部分，不管是在外业勘测还是在内业设计上都要引起足够的重视。作为桥涵设计人员应不断学习相关专业知识、技术规范等，勤于总结经验，这样才能使涵洞设计成果更加合理。

进出水口沟床加固及防护

在涵洞上、下游河沟和路基边坡一定范围内，宜采取冲刷防护措施。当沟底纵坡小于或等于15%时，可铺砌到上、下游翼墙端部，并应在上、下游铺砌端部设置截水墙。其埋置深度不小于台身或翼墙基础深度 ^[5]  。

进水口沟床加固及防护

1.当河沟纵坡小于10%，河沟顺直，且土质和流速许可时，可对进口采用干砌片石铺砌加固 ^[5]  。

2.当河沟纵坡为10%～50%时，除岩石沟槽外，沟底和沟槽侧向边坡以及路基边沟均须采取人工铺砌加固。加固类型由水流流速确定 ^[5]  。

当采用缓坡涵进口时，涵前沟底纵坡较陡，涵身纵坡较缓，应在进口段设置缓坡段，其长度为1～2倍的涵洞孔径 ^[5]  。

当采用陡坡涵进口时，涵身纵坡较大，水流呈急流状态，涵底坡度与涵前沟底纵坡基本平顺衔接，可不设缓坡段，只做人工铺砌加固 ^[5]  。

3.当河沟纵坡大于50%时，流速很大，进口处宜设置跌水井，可采用急流槽与天然河沟连接。急流槽底每隔1.5～2.0m宜设一防滑墙。为减缓槽内流速，可在槽底增设人工加糙设施 ^[5]  。

4.为便于检查、养护、清淤，涵洞可设置养护阶梯 ^[5]  。

出水洞口沟床加固及防护

1.在河沟纵坡小于3%的缓坡涵洞中。当出水流速小于土壤的允许冲刷流速时，下游洞口河床可不作处理；当出水口流速大于或等于土壤的允许冲刷流速时，下游洞口沟床应铺砌片石进行加固或设置挑坎防护 ^[5]  。

2.在河沟纵坡小于或等于15%的缓坡涵洞中，出水口流速较小时，可对下游河床进行一般的铺砌加固，并在铺砌末端设置截水墙。其埋置深度不小于洞身或翼墙基础深度。截水墙外做干砌片石加固。出口流速较大时，采用延长铺砌石块或混凝土块，同时设深埋的截水墙。其深度应大于铺砌末端冲刷深度0.1～0.25m ^[5]  。

3.在河沟纵坡大于15%的陡坡涵洞中，其洞口末端应视河沟的地质、地形和水力条件，采用出口阶梯、急流槽、导流槽、跌水、消力池、消力槛、人工加糙等特殊加固消能设施。 ^[5] 

涵洞作为山区公路的主要结构物之一，对交通运输、排洪灌溉起到十分重要的作用，涵洞的损坏将对公路的正常、安全运营造成严重威胁。

随着国家在交通基础设施、重要建筑原材料等方面投入力度加大，公路事业得到健康飞速发展。公路工程在公路事业中起着极其重要的作用，而涵洞在公路工程中占有较大比例，是公路工程的重要组成部分，这主要表现在工程数量和工程造价两个方面。据有关资料统计，涵洞工程数量约占桥涵总数的60%～70%，平原地区平均每公里1～3座，山岭重丘区平均每公里4～6座；涵洞工程造价约占到桥涵总额的40%左右。涵洞的施工工艺对于涵洞建设又起着决定性的作用，加大对涵洞施工工艺的研究和改进必将促进公路建设事业的发展。 ^[1] 

随着在交通基础设施的投入力度加大，中国的公路建设事业发展迅速、业绩斐然。但是，国内公路建设市场还远未成熟，同发达的欧美国家相比，无论市场规模、产品档次、品种规格、消费水平等方面都还有相当大的差距。随着市场经济的发展，公路建设技术水平、产品质量正在提高，应用领域的不断扩展，中国的公路建设将会有巨大的市场需求和发展空间，特别高速公路工程建设必将得以迅速发展。作为公路建设中的支柱，公路桥梁和涵洞建设在公路特别是高速公路建设中必将发挥更加突出明显的作用。因此，在涵洞的建设方面应继续投入更多的技术关注，尤其注重涵洞的施工工艺，以利于涵洞质量保证和环境保护，以适应公路建设的需要。 ^[1]