铁路小桥涵勘察浅析

铁路线路上为了满足排洪、灌溉或是交通、保护管线等功能，同时满足线路标高的限制和经济指标的要求，大量采用小桥涵结构。主要的小桥涵结构为钢筋混凝土框架涵、钢筋混凝土盖板涵，还有预制拼装的小孔径圆涵、矩形涵，拱涵则多出现在石材丰富而水资源匮乏的既有线上，如今新建铁路已较少采用。此外，用于路堑地段的灌溉功能结构物还有倒虹吸和渡槽。 小桥涵虽然结构不大，但在勘测和设计环节比大中桥相对琐碎，每个工点的附属结构形式难以统一，均需要在现场现浇完成，对于施工工艺的要求较高。从勘测阶段的现场定位到设计阶段的出入口及铺砌设计，以及不良地质区间涵洞的地基处理，小桥涵结构的整个勘察设计流程的要点颇多。在外业勘测阶段，主要的工作集中在涵洞位置的选择和孔径尺寸的拟定上。 涵洞的定位是勘察的第一步，不同功能的涵洞在涵位选择上有所区别，侧重点也不尽相同，但是所有的小桥涵在完成图上初步定位后，都必须在现场进行核对和准确定位，包括涵洞里程和涵轴方向都以现场实际情况为准。涵洞定位不准是施工过程产生变更的主要原因之一。 1.1　排洪涵洞的选位 排洪涵洞的涵位选择首先需要在地形图(比例一般为1:2000)上圈定汇水面积，该汇水面积所处山洼汇水线与线位的交点处即为涵洞的初步里程，同时对照线路纵断面，在这个里程附近查找是否有标高更低的位置，以标高低处为图定涵位(图1)。以图定涵位为定位里程，在现场核对此里程处是否有明显的冲沟，沿线位方向前后查看，最终定位于冲沟的沟底位置。排洪涵原则上均顺沟设置涵轴，夹角以5°为一级，同时应保证涵洞轴线与线路法线的夹角不大于45°，以保证大流量洪水能顺畅通过。 图1　圈定汇水面积确定涵位 1.1.1　共用排洪涵 由于两涵洞之间的净距不得小于30 m，对于距离很近的几个冲沟，可以几个沟共用一个涵洞，通过线路边坡汇水至涵洞处排出，排洪涵一般设置于线路纵坡较低处的冲沟处。但是对于沟深相差太大的几个冲沟，共用的涵洞一般置于沟的最深处，若其不是纵坡最低处的沟，可通过局部的侧沟改坡，将两侧冲沟的水汇至此涵洞排出。 由于铁路一般只有在路堑段设置侧沟，考虑利用侧沟将多条冲沟汇水连通的时候，要看沟与沟之间有没有连续侧沟拉通。路堤部分不设置侧沟，水直接沿放坡排走，路堤与路堑交接处因为没有侧沟连接，往往会积水，需要将侧沟延伸至涵位处，或在此处加设涵洞排水。 1.1.2　既有水利设施附近排洪涵 在丘陵地区，水塘往往是正对山洼，靠天然降水补充水塘水量，而线路穿越水塘时，在山洼范围需要设置排洪涵，但涵洞不能设置在水塘中间，若此水塘不填埋废弃，则涵洞起不到排水作用甚至会产生倒灌，对涵洞结构不利。若水塘规模不大，在铁路建设时需要填埋废弃，则地表覆盖层有大量淤泥，涵洞若设置于此，基础处理工程量巨大，不仅不经济，也很难保证工程质量，容易在后期产生不均匀沉降，导致涵洞结构开裂甚至产生病害。因此对于水塘区域的排洪涵洞，须设于水塘两侧，保证基础不能落于水塘中。若水塘两侧已经在山洼范围之外，可以人工开挖，将山洼两侧开放，通过导流沟将汇水引至涵位处排出(图2)。 图2　水塘处涵洞确定位置 而在水库淹没范围的涵洞，出口流水面一定要保证高于水库正常蓄水位，必要时改桥通过。 1.1.3　洪积扇地形的排洪涵 洪积扇是戈壁地区常见的地形，其特点就是在小范围区域内出现放射状的多条冲沟，这种地形下设置排洪涵洞，需根据区域流量在洪积扇中部(一般此处并无明显沟型，但暴雨时急流并不顺沟流，往往直对垭口冲出)布置较大孔径涵洞，两侧有明显沟型处设置小孔径涵洞，中部的大工点根据线路标高应尽量避免下挖原始地面设置涵洞，可以通过加大孔径压低净高来保证过水面积(图3)。 图3　洪积扇地形涵洞设置 1.1.4　漫流区的排洪涵 漫流区是荒漠戈壁地区的另一种常见地形，其面积一般比洪积扇大很多，成片分布，这种情况需根据区域流量较为均匀的布置排洪涵洞，并依据地形、线位情况设置导流堤束水，线路横截漫流时采用封闭导流堤。由于漫流区相邻冲沟存在沟内水流交叉汇水的情况，还应在圈出的汇水基础上提高20 %。对于贯通沟(从垭口分出，非支沟)，必须设涵，若贯通沟附近有距离很近的非贯通沟，非贯通沟处可以不设涵洞，此处汇水通过导流堤引入贯通沟处涵洞排出。 1.2　灌溉涵洞的选位 灌溉涵洞的涵位选择与排洪涵洞不同，控制因素往往不是流量，而是既有沟渠的位置和截面尺寸。由于灌溉沟在路堤和路堑段都有分布，因此灌溉功能结构形式也不局限于涵洞，在路堑区间还以渡槽或倒虹吸形式通过线位，在选位上也相应有更多的方式。 丘陵地带的灌溉沟渠往往非常明显，且有完整的铺砌，定位容易。但在平原地带，线位两侧都是田地，灌溉沟往往是土质结构，不明显，甚至不具备完整的沟渠结构，在这种情况下，一般沿着线位方向200～300 m均匀设置一个孔径1 m的灌溉结构，可以是灌溉涵、倒虹吸或是渡槽，具体灌溉结构类型还要根据线位是在路堑还是路堤区间确定，并参照线路纵断面核定。 由于灌溉涵洞的设置需要征得地方同意并签订协议，所以既有灌溉沟渠位置原则上不改移位置，尽量在满足条件的情况下原址设置灌溉构造物穿越线位。在路堑区间优先考虑渡槽结构，但需要保证新建渡槽下净空满足相应等级铁路净空要求。若线路标高难以满足净空要求，则只能选择倒虹吸从铁路下方通过(图4)。倒虹吸是有压管，利用两头的水头差将灌溉水输送通过铁路，但由于倒虹吸的孔径很小，一般在1～1.5 m，且两段出入口特别容易堵塞，往往使用不久即出现病害，甚至丧失结构功能，故在高速铁路建设中已较少采用，工程中多与地方协调改移此类灌溉用渠道到桥下或是相近的涵洞处通过线路。 1.3　交通涵洞的选位 交通涵洞的定位与灌溉涵洞类似，只是控制因素为道路。对于等级道路(高速公路、国道、省道)，一般均以梁式桥或框架小桥、刚构桥、刚架桥等结构跨越，对于路幅宽度较小、等级低且净宽、净高要求不高的道路，多选用小桥涵结构。 图4　路堑区间倒虹吸 在地形图上进行初步定位时，对于所有与线位相交的道路均应定出里程，并在线路纵断面图上进行核对，确定是否具有足够的填土高度以设置涵洞，对于填土不足甚至是路堑部分的道路，应改做公跨铁或直接改移至相邻桥、涵洞处通过。 地形图上有些小路无法反映或是道路标记不明显，但只要线位两侧有村庄，一定要在附近合适位置预留交通涵洞，避免因为铁路的修建阻隔村庄间的交通流。 同样，若线位两侧是大片农田，且没有可见的道路通过线位，则需要人为在合适位置设置交通涵洞，方便农用车的往来通行。 对于既有道路宽度在3 m以上，或是材质为混凝土、沥青路面，尽量避免改移道路。斜交角无法满足小于45°时，需要对既有道路进行适当的扭转和顺接，但前提是保证道路总体顺直，不要在铁路涵洞附近出现小半径的曲线，避免因为既有道路视距不足，出现交通隐患，必要时可以增加改路长度，以满足夹角和视距的要求。 1.4　多用途涵洞的选位 由于两涵洞之间净距需保证30 m以上，有的时候不同功能的涵洞会因为距离不够而合建，还有前文提及的某个位置因为填土高度不足无法设置涵洞，主要功能迁改至相邻涵洞，形成合建通道，亦有因为投资控制导致的合建涵洞。常见的合建涵洞有交通兼排洪、交通兼灌溉、排洪灌溉、交通兼护管，或是交通、排洪和灌溉三者合建。 一般情况下，有交通功能的合建涵洞，应该以交通功能为主，不宜与流量太大的排洪涵洞合建。设计孔径应满足交通规划净宽，流水面需高于一般流水面标高。常见的交通、排洪、灌溉合建涵洞，在涵洞正断面上会在线路大、小里程方向各留一个或在单侧留一个0.3 m×0.3 m或0.5 m×0.5 m的侧沟，专门用于排水，使其与交通功能部分形成物理分隔，上铺预制混凝土板，并一直沿着道路顺沟到涵洞出入口铺砌以外(图5)。 图5　单孔侧沟排水合建涵 对于有完整沟渠的灌溉通道，一般不与其他功能涵洞合建，因客观条件所限而必须合建时，可考虑使用双孔框架结构，一孔用于交通，另一孔用于灌溉沟渠通过(图6)。此形式还多用于灌溉沟渠顺既有公路布置的情况，由于公路和灌溉水渠标高相差很大，有时候甚至高差能达到0.8 m，必须分为双孔。但合建涵洞一定要注意由于排水功能的加入而对交通净空、净宽的压缩，涵洞正截面布置必须首先满足交通的净宽、净高要求。 图6　双孔交通、排水合建涵 灌溉涵和排洪涵在不影响灌溉功能的情况下，可以结合地形进行合建，节约投资。 1.5　既有线及站场涵洞的选位 既有线涵洞设置一般出现于枢纽、站场、既有线改造以及增建复线、新线与老线并线等情况。相对于新建线路的涵洞，与既有线发生关系的涵洞要考虑的因素多，勘测、定位也尤为复杂。 与既有线发生关系的新线进行小桥涵的选位，关键在于与既有线上原有涵洞很好的顺接，保证新线建成后既有涵洞的功能完整，与新设涵洞共同发生作用。因此，对既有涵洞的定位是有别于其他类型涵洞选位的一道工序，也是首要工序。既有线往往修建年代久远，线位周围杂草丛生，为了避免既有涵调查的遗漏，在现场调查前，需到该区间所属车站工务段搜集既有线涵洞的竣工资料(即“台账”)，根据台账记录的准确里程，逐一核对，测量其孔径、净高与台账是否一致，并检查涵洞病害情况、淤积情况，准确测量既有涵位于新建线路一侧的流水面标高以及流水方向，以便新建涵洞准确对接，避免两线间由于涵洞口标高错位造成积水，对路基形成水害。 对于已经损坏失去功能且难以恢复的既有涵洞，可以考虑废弃。既有涵洞若孔径小于1.0 m，可以考虑拆除，与新线侧涵洞同时重建。由于现行排洪涵洞孔径最小不能小于1.25 m，灌溉涵洞也不得小于1.0 m，对于既有线上小孔径的涵洞，新线接长涵洞可以采用大孔径进行接长，但要特别注意流水面的顺接以及接口上的防水处理。 新建涵洞的位置，应由既有线涵洞涵轴延长线与新线交点确定，一般情况下角度与既有线涵轴一致，以保证顺接。然而在站场范围内，股道并不是互相平行的，由于站场范围路基宽度很大，涵洞长度也非常长，同一个里程处同一个涵洞可能会出现折角(为了在穿越股道的时候尽量正交通过，而让涵洞拐弯)，因此每一个节间，涵洞斜交角度是不同的，这在勘测的时候要尤为注意。定好里程后，要测多个斜交角方向的涵轴断面。 对于一些交通涵工点，既有线的涵洞设置限制了其道路的拓宽，在确有需求的情况下，会对既有涵洞进行拆除，并借助新线修建，更换大孔径结构，与新建涵洞同时施工。既有线部分会利用钢便梁进行架空，并顶推现场浇筑好的框架进行替换既有涵，顶进涵洞的设计是特殊涵洞设计的一个难点，下文会进行具体的介绍。 对于不同功能的小桥涵，孔径确定的控制条件各不相同，排洪涵洞控制条件是通过涵洞的流量，交通涵洞则是受控于道路净宽及净高要求，灌溉涵洞多是由既有沟渠的尺寸控制其截面大小，护管涵只需能容纳受保护管线即可。 2.1　过水涵洞的孔径 过水涵洞包括排洪涵洞和灌溉涵洞，根据水力学计算以及国内多条长大干线的成果总结，笔者得出重现频率为1%的框架结构尺寸与过水流量速查表，在拟定涵洞尺寸时可参照执行。表1中每一级孔径都对应有低、中、高边墙，在条件允许的情况下，尽量选择高边墙，以提高涵洞的利用效率以及方便后期的检修维护。若填土高度及线路标高控制，可适量的选择中、低边墙。 表1　涵洞尺寸与流量对照涵洞尺寸一孔两孔孔数孔径/m净高/m百年一遇最大过水流量/(m3·s-1)、22.5高边墙(3.0)中边墙(2.6)低边墙(1.8)、23.0高边墙(3.5)中边墙(2.7)低边墙(2.1)高边墙(4.0)中边墙(3.2)低边墙(2.5)、24.0高边墙(4.7)中边墙(3.7)低边墙(3.0)、25.0高边墙(5.3)中边墙(4.5)低边墙(3.5)、26.0高边墙(5.3)中边墙(4.5)低边墙(3.5) 排洪涵洞的孔径不得小于1.25 m，目前新建铁路的涵洞最小孔径一般为1.5 m。 2.2　交通涵洞的孔径 交通涵洞的孔径不得小于2.5 m，孔径主要确定依据应该是道路实际宽度以及地方的规划，并通过与地方相关部门的协议加以确定。若净宽大于6 m则应按框架小桥进行设计，框架小桥的跨度最大可以达到16 m。 交通涵净高主要分为3 m、3.5 m、4 m、4.7 m、5.3 m几档。如果道路是土路，净高一般按照3 m或3.5 m来预留；如果是不太重要的水泥路，一般按3.5 m或4 m预留，有条件的地方且当地要求强烈，也可预留4.7 m；比较重要的水泥路，一般预留4 m或4.5 m，有条件的地方且当地要求强烈，也可预留5.3 m。 2.3　需要加大孔径的涵洞 根据以上原则，可以基本确定涵洞的孔径尺寸。但以下几种情况，孔径应在确定的尺寸基础上进行适当的加大。 (1)车站内的长涵洞，孔径应加大一级，且涵长大于30 m时孔径不得小于2 m，涵长大于50 m时孔径不得小于3 m。 (2)山区铁路所采用的陡坡错台形式涵洞，孔径应加大一级，以保证错台后净空满足使用和维修的要求高度。 (3)位于冲沟中，且沟内水中含有泥沙、小石块等容易造成涵洞淤积，影响正常使用的涵洞，孔径应在计算孔径基础上加大一级。 (4)涵洞入口地势平坦，且涵前不允许积水或积水高度受限制，经涵洞与小桥比较仍需设置涵洞时，应考虑加大孔径。 (5)排洪兼交通的涵洞也需要将孔径加大一级。 本文通过对小桥涵结构的勘察过程，如从结构类型选择到位置确定以及孔径的拟定方法进行的介绍，将工程实际中出现的琐碎的小桥涵结构分门别类进行总结，按不同的使用范围进行罗列，希望对从事小桥涵勘察及设计的工程师有所帮助。

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