湿陷性黄土地区PCCP管道回填施工质量优化

2022-05-05周旭东何飞刘星宏

安徽建筑 2022年4期

周旭东，何飞，刘星宏

（1.中电建路桥集团有限公司，北京 100048；2.中国水利水电第三工程局有限公司，陕西西安 710024）

1 引言

PCCP管道的管沟回填作为PCCP管道安装过程的重要工序，对PCCP管道的施工及运行质量都具有重要影响。一般情况下，通过控制合理的压实度往往能取得较好回填效果。但对于湿陷性黄土的特殊地质条件，仅依靠压实度控制往往不能有效地保证施工质量，一旦出现回填不密实或排水不通畅等问题时，容易造成水土流失、管沟沉陷以及管道接口渗漏等事故灾害。为此本文结合某水库供水管道工程的施工情况，对回填施工质量保证措施进行了更加全面深入的研究。通过对该工程回填施工方法的分析研究，提出管沟回填施工的优化方向和建议，对后续类似工程的施工具有一定参考价值。

2 工程概况

陕西省斗门水库工程位于西安市西郊沣河右岸原昆明池遗址，作为引汉济渭输配水工程的调蓄水库。是以城市供水、改善生态环境为主，兼顾防洪的综合性平原水库。其中，南池系统的供水管线工程采用预应力钢筒混凝土管（PCCP管），管径为DN2400，工作压力0.6MPa，管道长度6000mm，平均覆土深度6.0m。工程位于一、二级阶地，管基主要位于黄土层，黄土干密度ρd=1.49g/cm3，c饱和=14kPa，Φ饱和=15°，压缩系数a1-2=0.73MPa-1，承载力特征值fak=140kPa，黄土具有湿陷性，湿陷类型为非自重湿陷，湿陷等级为Ⅰ级（轻微）～Ⅱ级（中等）。地下水深度在5.2 m～14.5m。

3 PCCP管道回填施工工艺

PCCP管道的管沟回填施工主要采用分区分层回填压实的方法。常见管道回填的施工中一般根据管道截面尺寸将管沟回填大致分为管区和非管区施工，其中管区又可以分为管顶以下回填区及管顶0.5m范围内的回填区，非管区为管顶0.5m以上至原地面高度的回填区[1]。本工程回填施工与管道安装相结合，分阶段进行回填施工，便于及时固定管道，并通过流水作业节约工期。

本工程管沟回填总的施工顺序按管线安装完成的先后顺序分两期进行。一期为砂砾石垫层回填及管顶0.5m以下范围内土方回填（除管接口外），一期填筑包含垫层、管道下部回填区（管道中心线以下）、管道上部回填区（管道中心线以上至管顶0.5m），在水压试验前完成。二期为管顶0.5m以上部位土方回填，包含管顶回填（管顶0.5m以上至复耕区）、复耕区回填，按水压试验完成先后顺序依次组织回填施工。回填分区示意图，见图1所示。

图1 管沟回填分区示意图

除回填施工前的基底垫层处理、管道安装、质量验收等施工准备工作外，回填施工主要施工流程包括土料运输、回填土样及压实试验、分层铺料压实、质量检测等。具体施工流程如图2所示。

图2 PCCP管沟回填施工流程图

管沟回填根据部位不同采用不同的填料方式和压实机具，同时也具有不同的压实度控制指标。具体施工方法：管底以下垫层用10t自卸汽车运料，1.0m3反铲挖掘机填料，0.5m3反铲挖掘机摊铺，FSD-600小型振动碾碾压；腋角以下垫层和管道下部回填区用长臂反铲挖掘机填料，0.5m3反铲挖掘机配合摊铺，FSD-600小型振动碾碾压，不能到达的部位人工摊铺整平，腋角部位由人工用木夯仔细夯实；管道上部回填区采用1.0m3反铲挖掘机配合长臂反铲挖掘机上料，人工或小型反铲挖掘机摊铺土料，FSD-600小型振动碾压实；管顶50cm以上部分回填，用1.0m3反铲翻倒，74kW推土机推运、摊铺整平，复耕区应留有高度不小于300mm的余土，使之高于原地面，以作为自然沉降补偿之用。管道上部石渣回填用1.0m3反铲挖掘机挖装，10t自卸汽车运输，推土机摊铺整平即可。回填过程应严格控制分层压实厚度和压实遍数，并随时进行现场取样，保证压实度达到标准要求，进而保证回填施工的施工质量。本工程碾压施工实景见图3所示。

图3 管沟下部回填区碾压施工实景图

4 黄土地区管道回填施工难点

4.1 腋角施工质量不易控制

针对圆形管道的腋角回填，由于其与水平基础面之间夹角较小，施工条件较差。因此，只能采用人工夯实机具对其进行回填夯实。但与机械压实相比，其压实度的控制具有较强的不确定性，一旦出现回填土压实度不足、压实不均匀等问题，会导致管道移位、沉降不均匀以及管道接口变形等管道施工质量问题。而管道腋角的回填作为固定管道位置，防止管道沉降的重要部分，必须考虑对其质量控制采取加强施工过程管理、回填土料特殊设计等保障措施。

4.2 回填土料性能不稳定

常用的管沟回填施工质量主要由压实度进行控制，对回填土料的质量提出了较高要求。对于黄土地区的管道回填，由于湿陷性黄土特殊的结构性，其回填土料的质量如果不能得到有效保证，同时如果排水条件不利或压实质量较差时，易出现回填土的沉陷流动，进而导致管道的变形移位。因此黄土地区的回填土料是管道回填施工质量的重要控制因素。

4.3 回填施工对管道接口的扰动

PCCP管道安装质量很大程度取决于管道接口的可靠性。尤其是对于目前常见的柔性接口，在管沟回填的过程中，如果不能有效控制回填施工及回填土对管道接口的扰动，会导致管道的渗漏、腐蚀，严重情况下，可能需要进行返工，造成经济的巨大损失[2]。因此，对于黄土回填在施工过程中，应严格控制管道上部振动碾压施工对管道接口稳定性的影响。

5 黄土地区管道回填施工质量控制措施

5.1 腋角回填质量控制

本工程在施工过程中，考虑到PCCP管道腋角回填的重要性，对其进行了专门的质量控制。

①在回填土开挖区开采有代表性的填筑料，模拟人工夯实状况，进行现场和室内试验确定黄土的理论最优含水率、土料虚铺厚度、夯实厚度以及夯压遍数等压实参数。

②针对腋角回填主要依赖人工压实，大型机械难以施展，受人为因素干扰较大的情况。出于施工安全考虑，在设计中应提高施工保险系数[3]。在满足规范要求的前提下，将管基与管道间的腋角回填支撑角增至120°，即腋角处黄土在中心角120°的范围内回填。进而保证腋角的稳定性，避免管道安装过程中出现“漂管”问题，腋角回填范围示意图，见图4所示。

图4 腋角回填范围示意图

③经过现场试验，确定回填开挖区土料的各项施工参数后，需要提前开挖并储存掺合土料，设置专门的回填土堆料区。同时，由于实际施工过程中，回填土方量过大。回填料经常长时间放置，易出现土料中的水分变化。因此，在腋角回填前必须对土料的含水率重新测定，并根据试验数据采用翻晒、洒水等措施进行调整，保证施工质量。

④在施工过程中及时进行技术交底、班前交底和现场交底。保证质检人员具有全面的技术指导，操作人员掌握详细的施工流程。同时，施工单位质量部门应对回填料每层进行压实度环刀试验，安排专人配合自检工作，并将PCCP管道腋角回填压实度一次检测合格率纳入质量考核目标，提高施工人员重视程度。

5.2 回填施工质量综合监测

对于碾压区回填的施工质量，如果仅依靠机手的主观判断和经验来控制，监理只通过旁站靠眼睛和记忆来监管，则很难保证回填作业的质量[4]。本工程采用数字化智能碾压系统对压实数据进行监测，智能碾压系统采用北斗定位系统，通过基准站与安装在振动碾上的卫星信号接收机，进行精确计算，利用无线通讯技术传输到后台管理中成图显示碾压情况，驾驶员能够实时知道当前压路机所处空间位置、压实度、碾压遍数、振动频率、速度等施工实时参数，进而对碾压结果进行复核，保证压实质量。智能监测系统工作原理示意图见图5所示。

图5 智能监测系统工作原理示意图

此外，还采用现场取样试验和施工过程控制的双控措施，进行填筑施工质量监测。以施工过程控制为主，现场取样控制为辅。施工过程控制主要包含填铺、碾压、加水等全过程控制。管沟回填施工时，实时对土料的含水量和粘粒含量进行检查。现场施工技术、质检人员在现场跟踪监控回填土料质量、碾压参数、施工程序及各项施工工艺，发现质量问题及时处理，不符合要求的施工工艺及时督促施工人员改正。同时，注意观察碾压机械的工况，不好的及时更换修理，确保填筑施工质量。还要对土料的干密度和含水量等随时进行抽样质量检查。通过综合性的施工监测措施，有效保证回填全过程的施工质量。

5.3 管道接口上部回填质量控制

本工程管道上部回填区采用振动碾进行压实。由于该部分管沟回填时距离管体较近，且在上部回填施工结束后即要开始进行水压试验。一旦接口处受到回填施工的扰动，极易造成管道接口的密封性下降，甚至导致管口损坏、返工维修等严重问题。因此应在该阶段的施工过程中严格控制扰动。

对管道上半部分两侧管沟的回填，回填料应均匀散布在管沟内，避免对管体造成集中荷载，并沿管道两侧同时均匀碾压[5]，每层回填的虚铺厚度不大于300mm，不得扰动管位。管道两侧的回填高程差，不应超过一层填筑厚度。同时，对接口处的分层碾压施工，铺料厚度采用150mm，每层回填土碾压完成后，均进行环刀取样试验，确保其压实度符合要求。水压试验合格后，及时回填管沟的其余部分。对管道顶以上500mm的缓冲覆盖厚度采用轻夯压实，并经现场试验确定合理的压实参数，以防止损坏管道。

6 管沟回填施工质量优化建议

6.1 上部回填土注浆加固

管道上部及管顶的回填土一旦出现压实不均匀，压实度不足等问题，更容易对PCCP管道的柔性接口处稳定性造成影响。参考本工程的施工方法，可以考虑在管顶回填施工完毕后，再对接口处的上部回填土进行单液硅化法注浆加固。注浆加固前，应根据各管段的上覆回填黄土厚度进行注浆参数的设计，同时应考虑注浆钻孔振动对压实土层的扰动，在注浆结束后应对注浆加固的区段重新进行夯实，保证回填土的密实度要求。该方法施工成本较低，且可以根据回填施工效果灵活运用。可以提升回填土的可靠性，减少接口处的扰动，从而更好地发挥PCCP管道良好的受力性能，延长管道运行寿命。

6.2 回填土料改良

黄土地区的回填土料承载性能具有不稳定性，因此可以考虑通过回填土料特殊设计进行黄土性能的改良。考虑到施工取材的便利性以及黄土掺料的经济性，将开挖区黄土与石灰按一定比例掺合，有较好的应用效果，能够有效减少黄土的渗水性、压缩性，在腋角、管道接口附近等重点回填区，采用该掺合土料可以有效提高黄土填料的强度稳定性，从而减少对管道的扰动。

6.3 回填施工管道防扰动限位装置

由于回填压实所造成的振动较大，对于管道转角较大或高程变化较大的接口部位，仍存在不小的施工风险。对此可以考虑在回填施工过程中，在施工条件不良的管道接口处，采用临时限位装置对其进行临时加固，避免振动碾压对管体造成的冲击。对于降排水条件不利的接口部位，也可以将限位装置通过灌浆转变为该接口处的止水、防护装置，进一步提高管道后期运行阶段的安全性。