淺談粉性土層中排水管道敷設(shè)工程的質(zhì)量控制

沈雪明，余鰲祺

（上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200032）

淺談粉性土層中排水管道敷設(shè)工程的質(zhì)量控制

沈雪明，余鰲祺

（上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200032）

地下排水管道滲漏造成地面塌陷,隨著管道投入運行地面塌陷事故一直困擾著人們。通過對某工程售后配件倉庫室外排水管道在粉性砂土層中因滲漏引起的地面塌陷，經(jīng)過修復(fù)后再次發(fā)生地面塌陷，對其中原因進(jìn)行了分析。對相關(guān)規(guī)范在粉性土及砂土層中的適用性有了新的認(rèn)識。

地面塌陷；管道滲漏原因；修復(fù)及預(yù)防；規(guī)范適用性

1 概 述

上海某產(chǎn)業(yè)基地工程項目售后配件倉庫區(qū)域室外總體工程。地下排水系統(tǒng)主要在倉庫一與倉庫二之間由北向南的排水主干管，再經(jīng)南側(cè)圍墻邊道路下向西匯入城市排水管網(wǎng)中。其中消防通道以南主干管北段管徑 1 000 mm，長 97 m；南段管徑 1 100 mm，長 107 m，管道埋深(管底)5.2 m。管道材料為中空纏繞塑料管，管與管之間的接頭形式采用橡膠密封帶包裹加外層不銹鋼帶抱緊壓牢，為帶式平口連接接頭。排水管道南端主井室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：寬 2.2 m、長 2.4 m、深5.2 m、壁厚 25 cm，次井室為磚砌井。在由北向南 60 m 處，倉庫一消防通道南側(cè)井內(nèi)發(fā)現(xiàn)有沉積井底的流砂，沉砂厚度約 20 cm；至排水管道南端主井室井底沉砂更多，約 30 cm。井室沉降約 30 cm。從 2010 年 9 月竣工到 2013 年 8 月發(fā)現(xiàn)地面下陷坍塌，地坪坍塌面積約有 50 m2，深度近 2 m。坍塌處有 2 根給水管(下面 1 根消防管，上面 1 根為生活水管，均為球墨鑄鐵管承插式接頭)。由于下部土體流失，懸空水管無法承受上部的土體壓力，2 根管道均在接頭處開裂，造成大量自來水外泄，周邊土體隨水流失，加劇了該處地面下陷；隨后管道其他部位又發(fā)生土體塌陷。經(jīng)過 2013 年 9 月對南端頭1.2 m 直徑的管道修復(fù)，至 2014 年 9 月再次發(fā)生了地面坍塌，形式與上次一樣。

2 地下排水管道土體流失原因

2.1 地下排水管道施工

本排水管道工程從 2010 年 4 月開始施工，施工過程中，采用了鋼板樁圍護(hù)措施，并在管道兩側(cè)支撐角用原土(粉性砂土)分層夯實。因在管道兩側(cè)操作空間有限，使用了分層木夯夯實，每層回填土層不超過 200 mm。經(jīng)分層夯實后，使管道兩側(cè)的支撐角土體強度得到了滿足。同時，在支撐角土體回填已后對排水管道進(jìn)行了嚴(yán)密性閉水試驗。閉水試驗符合規(guī)范要求，完成后進(jìn)行了回填土施工，并進(jìn)行了分層夯實。隨后完成鋼板樁的拔除作業(yè)。

2.2 土體流失原因

本工程地處上海市的東南方，其地貌屬于上海地區(qū)四大地貌單元中的砂嘴砂島地貌類型，擬建場地內(nèi)的地基土屬第四紀(jì)河口、濱海淺海相沉積層，主要有淺部砂性粉土，中部黏性土組成。地質(zhì)條件較特殊。而根據(jù)售后配件倉庫地質(zhì)勘探圖表的描述：第①層為雜填土，層厚 0.40 m～2.060 (1.21)m，層底標(biāo)高 3.27 m～1.03(2.51)m；第②1層為灰黃色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土，層厚 0.40 m～1.30(0.90)m，層底標(biāo)高為 2.44 m ～1.65(2.02)m，濕度很濕；第 ②3層為灰色砂質(zhì)粉土：層厚 2.70 m～5.00(3.40)m，層底標(biāo)高為－9.03 m～－11.16(－10.35)m，濕度飽和。在坍塌管道向東 20 m 左右，售后配件倉庫工程擬建場地巖土工程補充勘探報告中提出：“要求在開挖地下消防水池時第 ②1、②3層為粉性土，在水頭差及外力的作用下易產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象”。說明該兩層粉性土極易流失。

本管道坍塌處管底埋深約 5.2 m，正好處在第②1、②3層粉性砂土層之間。如管道接頭處有滲漏現(xiàn)象(規(guī)范允許有一定的滲漏量)，則管道旁土體通過管道接頭處漏點，在外部水的徑流作用下流失。根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范 DGJ 08—11—2010《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第 4.2.2 條規(guī)定，潛水水位埋深一般在 0.3 m～1.5 m，水位受降雨、潮汛、地表水及地面蒸發(fā)的影響有所變化；在工程建筑設(shè)計時，場地內(nèi)地下水位埋深，高水位埋深可按年平均離地表面 0.30 m 使用，低水位埋深可按 1.50 m 使用。本地下水是指潛水層，是隨著下雨及氣候季節(jié)等變化而出現(xiàn)高低變化。另外，還有其他不明原因的水體影響存在。當(dāng)出現(xiàn)流向管道內(nèi)的通路時會帶走管道外的粉性砂土，從而形成空洞。如排水管道南端 2014 年 9 月第二次坍塌，就因為在經(jīng)過第一次修復(fù)后西側(cè)上方有多排弱電電纜通訊管道(為波紋管)，當(dāng)通訊電纜井內(nèi)水位較高時，電纜管道內(nèi)水會通過雨水管道接頭的縫隙流失。經(jīng)過 1 a 左右的時間，使排水管道周邊土體被掏空再次坍塌。

由上述分析可知：粉性土層中特別在上海地區(qū)砂嘴砂島地貌類型處敷設(shè)在②1、②3層中的排水管道極容易產(chǎn)生管道內(nèi)與管道外的通路(在規(guī)范允許條件下的漏點)，在地下潛水的徑流作用下土體被掏空；施工過程中對施工工藝未把握好，如在拔鋼板樁時造成管道支撐角土體擾動使管道變形過大，加劇了管道滲漏點的擴(kuò)大。

2014 年 9 月 26 日，鄭州西三環(huán)路段塌方前曾查明路面下有 28 處空洞，主要是排水管道的滲漏造成管道外粉砂土流失而產(chǎn)生空洞。為什么在其他土層中的排水管道發(fā)生地面塌陷較少，而在粉性土層中的排水管道發(fā)生地面塌陷的事故較多？通過粉性土、砂土與黏土之間的比較，可以從土的物理指標(biāo)來分析原因。土的抗剪強度來源，無黏性土(粉砂、細(xì)砂等)的抗剪強度來源于土粒之間的摩擦力。因為這種摩擦力存在于土體內(nèi)部，稱為內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦力分兩部分：一部分是由于土粒粗糙產(chǎn)生的表面摩擦力；另一部分是顆粒之間互相鑲嵌、聯(lián)鎖作用產(chǎn)生咬合力。

黏性土的抗剪強度，除內(nèi)摩擦力，還有內(nèi)聚力。內(nèi)聚力主要來源于土顆粒之間的電子、分子吸引力和土中天然結(jié)構(gòu)質(zhì)(如硅、鐵和碳酸鹽等)對土顆粒的膠結(jié)作用。

由上述可知，在黏性土中的排水管道由于土體中比粉性土多了內(nèi)聚力的作用，在管道滲漏時，土不容易從管道滲漏點流失。而在粉性土中的排水管道，土在飽和狀態(tài)下，實際土已經(jīng)由塑性狀態(tài)變到流塑狀態(tài)，在排水管道內(nèi)有通路時，在外水壓的作用下會產(chǎn)生向管內(nèi)的流動。

鄭州案例與本案例基本一樣，都是在粉性土層中，當(dāng)土內(nèi)含水量增大時，水分在土粒表面形成潤滑劑，使土的內(nèi)摩擦角減小，特別是粉砂土質(zhì)在水飽和的情況下，很容易失去穩(wěn)定。一旦位于粉砂土層中的管道有滲漏時，在動水壓的作用下，粉砂土不斷滲入管道，帶走泥沙，造成管道和工作井室下沉，變形不斷加劇，裂縫不斷增大，泥土也就不斷流失，形成惡性循環(huán)，直至路面塌陷。從管道滲漏到地面塌陷的過程：管道滲水帶走泥沙→工作井室沉降→管道變形→漏點擴(kuò)大→造成土體空洞→地面塌陷。

經(jīng)對廠區(qū)排水管道多次地面塌陷發(fā)生時間的調(diào)查，大多數(shù)發(fā)生在 4 月份至 10 份之間。而這時間段正是上海地區(qū)豐水期，水位埋深在 0.3 m 左右(枯水期水位埋深約 1.5 m)，相對于管道埋深在 5 m 左右，形成了一個較高的水頭差，比枯水期時更加容易發(fā)生管道滲漏引起地面塌陷。

3 排水管道的修復(fù)及在粉性土中的敷設(shè)

3.1 排水管道的修復(fù)

2013 年對南端排水管道第一次修復(fù)采用了原來的施工工藝。土體挖開后，在排水管道的接頭處還是使用了帶式平口連接，地面塌陷后，重新挖開，在檢查滲漏點時還是在此連接點上。為確保重新修復(fù)成功，2014 年 9 月在開始第二次修復(fù)前(共修復(fù)兩處，一處新塌陷的，還有一處為第二次塌陷)，重新編制施工方案。調(diào)整了施工工藝，采用了承插式接頭形式。在承插口合攏后，在插口內(nèi)壓入柔性 O 型密封橡膠圈作密封處理，確保管道不再滲漏。回填土完成后在修復(fù)段回填土區(qū)域管井進(jìn)行了一個星期的閉水試驗，水位保持在原水狀態(tài)，未見排水管道接頭處出現(xiàn)滲漏的跡象。目前經(jīng)多次檢查，未發(fā)現(xiàn)滲水和管道內(nèi)土體流入現(xiàn)象(管道內(nèi)未見流砂流入)。

3.2 粉性土中排水管道的施工

由于粉性土的物理指標(biāo)決定了此類型的土體在飽和狀態(tài)下易產(chǎn)生流砂，應(yīng)在排水管道敷設(shè)時采取一些特殊的處理措施，主要保證排水管道接頭及排水管道與井室之間連接點不再滲漏，有效阻止粉性土流入排水管道內(nèi)，從而最大限度地避免地面塌陷事故的發(fā)生。

3.2.1 管道之間的連接

在正常情況下，管道連接方法有承插式柔性連接、套筒(帶或套)連接、法蘭連接、卡箍連接，而一般小口徑化學(xué)建材管道敷設(shè)時都使用承插式柔性連接。但是在大口徑化學(xué)建材管道敷設(shè)時，使用帶式連接占有較大的比例。帶式連接較為方便，但也存在一些缺點：帶式連接時二根管道之間直徑誤差會造成一些空隙；帶的長度比管道的周長略短，收緊后在帶接頭處總有一些空隙(如沒有空隙帶的兩頭相碰就無法收緊)。

在排水管道敷設(shè)時建議采用承插式柔性接頭，并在橡膠圈封閉的基礎(chǔ)上再增加一道阻水密封工藝(如接頭四周采用黏性土回填)。

3.2.2 工作井室與排水管道的連接

由于化學(xué)建材管道有加筋管、中空纏繞管、波紋管等形式的管材。加筋管及波紋管等外表面有凹凸楞，在埋入混凝土井壁內(nèi)對防水較為有利。但中空纏繞管等表面光滑的管道與井室混凝土或水泥砂漿的連接，防水效果較差。建議管道生產(chǎn)商對這類管道與井室的連接點處設(shè)置專用止水環(huán)。解決滲水難題。

3.2.3 排水管道下部支撐角問題

對于采用放坡開挖及頂管等工藝技術(shù)的施工支撐角的土體擾動不是問題。但對于采用鋼板樁等技術(shù)的施工工藝，在鋼板樁拔除時使用的機械一般都要帶震動拔除。故對土體的擾動相應(yīng)較大，特別是對支撐角的粉性砂土產(chǎn)生較大影響。

當(dāng)拔除鋼板樁時土方已回填好，管道的下部支撐角粉性砂土已受力。在拔除作業(yè)時，管道上方承載著較大的壓力，而這種壓力直接傳遞給排水管道，使管道產(chǎn)生變形。特別在帶式管道接頭處，變形的幅度雖不大，但足以使管道的接頭滲漏點擴(kuò)大，為今后土體流失埋下隱患。

3.3 上海地區(qū)地貌類型分布與排水管道關(guān)系

上海地形地貌除西部零星分布的剝蝕殘丘外，地貌類型可劃分為：湖沼平原、濱海平原、砂嘴砂島平原和潮坪四種。上海地基土除少數(shù)低丘陵地區(qū)有巖石外，其余皆為巨厚的第四紀(jì)沉積物，主要由黏性土、粉性土和砂土構(gòu)。

上海地區(qū)淺部粉性土及粉細(xì)砂層主要分布在崇明、長興島以及金山等沿海區(qū)域，屬砂嘴砂島相。東南部沿江、海地區(qū)屬于潮坪地帶，淺部分布有新近沉積的粉性土。上海市區(qū)淺層粉性土及砂土主要分布在黃浦江兩岸及蘇州河以北，桃浦西路和南陳路以東地區(qū)。建議以上地區(qū)在修建排水管道時，如管道的埋深在淺層粉性土及粉細(xì)砂層時，應(yīng)充分考慮粉性土及粉細(xì)砂層對排水管道的影響。重新考慮排水管道閉水試驗的滲漏量。

4 結(jié) 語

排水管道滲漏引起的地面塌陷，人們總以為是施工質(zhì)量問題或是偷工減料造成。但由于各地地質(zhì)情況的不同。在上海地區(qū)就有 4 種不同的地貌，人們在湖沼平原地貌區(qū)域敷設(shè)的地下排水管道很少有地面塌陷的報道；而在濱海、河口砂嘴砂島平原中的粉性土內(nèi)敷設(shè)的排水管道，地面塌陷卻時有發(fā)生。鑒于上述情況，筆者認(rèn)為：在粉性土層中的排水管道敷設(shè)應(yīng)調(diào)整相關(guān)工藝，對規(guī)范中的允許滲漏量應(yīng)減少或歸零。監(jiān)理可通過設(shè)計交底與圖紙會審，把在粉性土層中的排水管道敷設(shè)的注意事項及要求在會審紀(jì)要中予以明確。通過有效措施控制管道滲漏隱患，才能減少地面塌陷事件的發(fā)生。

[1]GB 50268—2008,給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范[S].

[2]DGJ 08—11—2010,地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

通信地址：上海市宛平南路75號1號樓506室。

TU712

B

1007-4104(2015)01-0075-03

2014-11-17