城市大型廢棄污水管道的填充技術(shù)研究

蔣贏達

上海城投公路投資（集團）有限公司 上海 200335

1 工程背景

上海市虹梅南路吳閔外排污水總管（φ2 000～2 400 mm）位于現(xiàn)狀虹梅南路中心線下，建于20世紀(jì)90年代，已運行20余年。由于擬建虹梅南路高架下部結(jié)構(gòu)平面位置與該管道相沖突，高架建設(shè)前需對該管道進行全線搬遷，總長約11 km。搬遷實施完成后老管道將予以廢棄[1-4]。如此大規(guī)模的廢棄工程埋于地下，并且位于人口密集、交通繁忙的虹梅南路沿線，其安全隱患極大。為防止諸如因管道結(jié)構(gòu)破壞引起地面塌陷、管道內(nèi)有毒氣體外泄等危險情況的出現(xiàn)，對廢棄的吳閔外排老管道進行填充處置十分必要[5-6]。

對于城市廢棄老管道的填充處置，傳統(tǒng)的地下空間填充材料主要采用水泥漿、泡沫混凝土或水砂與膠結(jié)材料混合料，這些填充材料強度高、干縮性能好，但費用高，不適合大規(guī)模使用。

結(jié)合本工程的特點（一是設(shè)計提出的管道填充物的靜力觸探比貫入阻力≥0.25 MPa、管道充盈率98%的指標(biāo)要求；二是全線有大量的鉆孔樁廢棄泥漿），對水泥固化土填充技術(shù)進行了研究，通過室內(nèi)配合比試驗，對不同水泥摻量的水泥固化土的收縮率、漿液流動度、靜力觸探比貫入阻力等指標(biāo)進行檢測對比，選取出滿足設(shè)計要求的配合比，通過管道模擬試驗對填充工藝進行進一步研究，擬定了合適的施工工藝。

2 室內(nèi)配合比試驗

2.1 試驗方案

選取鉆孔樁廢棄泥漿及P.O 42.5水泥作為配合比試驗的主要材料，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將廢棄泥漿相對質(zhì)量控制在1.25～1.30。試驗對不同水泥摻量的水泥固化土性能進行檢測，主要試驗指標(biāo)有漿液流動度、收縮率（7 d及28 d）、靜力觸探比貫入阻力（7 d及28 d），同時考慮減水劑及微膨脹劑對漿液性能的影響。

2.2 試驗結(jié)果

本試驗共分為7組，為驗證水泥摻量的影響，分別選取了0%、2%、4%、6%、8%等5組，同時對4%的試驗組又加入了微膨脹劑及減水劑的對比試驗，具體試驗結(jié)果如表1所示。

表1 室內(nèi)配合比試驗結(jié)果

2.3 試驗結(jié)論

根據(jù)表1，可得出以下結(jié)論：

1）鉆孔樁廢棄泥漿本身的收縮率大，靜力觸探比貫入阻力低，很難滿足設(shè)計要求，摻入水泥可有效地改善其收縮率、靜力觸探比貫入阻力這2大特性。

2）水泥固化土漿液流動性能隨著水泥摻量的增大而變小，靜力觸探強度隨著水泥摻量的增大而增大，收縮率隨著水泥摻量的增大而減?。▓D1～圖3）。

圖1 不同水泥摻量漿體流動度曲線

圖2 不同水泥摻量固化土靜力觸探強度曲線

圖3 不同水泥摻量固化土收縮率曲線

3）依據(jù)圖3，通過7 d、28 d收縮率的對比，水泥固化土大部分收縮發(fā)生在早期（7 d內(nèi)）。

4）外加劑對于改善漿體性能具有一定作用，漿體中摻入微膨脹劑可顯著降低固化土的收縮率，漿體中摻入減水劑可一定程度上提高漿體的流動度。

5）從室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)來看，水泥摻量4%（摻入微膨脹劑）的試驗組及水泥摻量6%的試驗組的收縮率、靜力觸探比貫入阻力這2大特性基本可以滿足設(shè)計要求，因此該2組配合比可以作為管道填充的材料。

3 管道模擬試驗

3.1 管道模擬方案

根據(jù)室內(nèi)配合比試驗結(jié)果，綜合考慮經(jīng)濟性因素，選取6%水泥摻量的配合比作為模擬試驗的漿液。

根據(jù)現(xiàn)場的場地情況及周邊環(huán)境狀況，選擇在HM-7標(biāo)鋼筋加工車間圍墻西側(cè)長30 m、寬10 m的場地進行工藝試驗。

根據(jù)相關(guān)要求，管道經(jīng)過處置后的填充物靜力觸探比貫入阻力達到0.25 MPa。因此為研究靜力觸探檢測的過程及檢測效果、取得相關(guān)試驗數(shù)據(jù)提供分析，在地面采用縮小比例的環(huán)形管道模擬現(xiàn)場管道情況，對模擬管道內(nèi)的泥漿填充物進行檢測。模擬管道材質(zhì)為HDPE管，內(nèi)徑600 mm，每根環(huán)管長6 m。模擬現(xiàn)場采用了2段環(huán)管，全長12 m，在2管段中間和每根管段的兩端分別筑建了3個1 m×1 m的方形灌注試驗坑，將2根管段連接成全長15 m的模擬管道（圖4）。

圖4 管道模擬試驗布置示意

3.2 充填效果檢測方法

模擬管道內(nèi)通過注漿機械設(shè)備將泥漿填充物滿管填充并靜置固結(jié)。靜置固結(jié)完成后檢測靜力觸探強度及充盈率，共設(shè)置5個檢測區(qū)域，分別為3個灌注試驗坑及2段HDPE管管中開口。

由于大口徑地下污水管道大多位于城市鬧市區(qū)下方，周邊建筑物多，施工環(huán)境狹窄，施工工序多，不適合使用液壓式靜力觸探儀等大型機械進行，因此擬將機械式靜力觸探儀用于本次試驗。充盈率在填充7 d后進行，通過卷尺量取固化土頂面與管內(nèi)頂之間的間隙，通過面積換算來檢測其填充的充盈率。

3.3 檢測結(jié)果

1）水泥摻量6%的漿液的流動性能可滿足模擬管道區(qū)段的填充要求。

2）靜力觸探結(jié)果顯示，5個檢測區(qū)的7 d靜力觸探比貫入阻力均在0.25 MPa以上，能滿足設(shè)計提出的要求。

3）5個檢測區(qū)充盈率在94%～98%之間，無法滿足設(shè)計提出的98%的要求。分析原因主要有漿體泌水、固化土干縮及漿體外流等因素，因此在第1次填充的基礎(chǔ)上，又進行了第2次填充，第2次填充的充盈率均在98%以上，能夠滿足設(shè)計要求。

4 現(xiàn)場施工工藝

4.1 施工流程

根據(jù)室內(nèi)配合比試驗及管道模擬試驗的結(jié)果，現(xiàn)場施工選取鉆孔樁廢棄泥漿（相對質(zhì)量密度1.25～1.30）摻入6%的水泥作為老管填充料，為確保充盈率，采用二次填充工藝。具體施工流程如下：通風(fēng)→管道兩側(cè)封堵→污水泵排水→漿體拌制→漿體第1次填充→漿體第2次填充→填充質(zhì)量驗收。

4.2 漿體的存儲與拌制

采用移動式泥漿攪拌箱進行漿體儲存。泥漿攪拌箱長5.0 m、寬2.0 m、高1.5 m，箱體下設(shè)4個滾輪，便于移動。攪拌設(shè)備選用2臺JBJ2-900型泥漿攪拌機。采用袋裝水泥通過登高梯人工上料。攪拌好的混合料采用單螺桿式輸運泵從注漿口送入封堵管道內(nèi)。

4.3 填充方案

利用預(yù)留DN200 mm的塑料軟管把攪拌好的漿液注入老管內(nèi)，一側(cè)注漿一側(cè)排氣，注漿孔選在水流反方向。如中間有污水井時，可在井位灌注，兩側(cè)排氣或觀察；如承臺之間有檢查井，待漿液注滿管道后用素土將檢查井處填滿拍實。

在每個承臺兩側(cè)管道設(shè)置封堵墻封堵管段端頭，封堵采用600 mm×1 000 mm的編織袋內(nèi)裝中粗砂，堆砌厚度2 m，高度至管道頂部。同時為保證泥漿沉淀后的泌水排除，在封堵頂部設(shè)置1根DN200 mm的塑料軟管。

根據(jù)管道模擬試驗，擬采用二次充填技術(shù)，第1次填充至管頂后進行靜置沉淀，養(yǎng)護約7 d后進行第2次泥漿填充，通過泵送壓力將第1次填充料沉淀后的表面泌水排出，第2次填充高度至管頂；全部填充完成并養(yǎng)護約1周后進行靜力觸探檢測。

4.4 質(zhì)量驗收方法與指標(biāo)

主要檢測靜力觸探比貫入阻力、充盈率2大指標(biāo)，每個管道段落檢測1處。對于存在檢查井的管道段落，利用檢查井作為檢測區(qū)；對于無檢查井的管道段落，則采用360°全回轉(zhuǎn)套管機在管道上方開口作為檢測區(qū)。

承載力檢測采用機械式靜力觸探儀，滿足0.25 MPa即可。充盈率檢測通過卷尺量取固化土頂面與管內(nèi)頂之間的間隙，通過面積換算來檢測。為滿足98%充盈率的要求，φ2 000 mm的管道間隙不得大于10 cm，φ2 400 mm的管道間隙不得大于12 cm。

5 結(jié)語

1）通過本次研究，6%水泥摻量的水泥固化土靜力觸探比貫入阻力≥0.25 MPa，同時采用二次充填工藝，管道充盈率≥98%，均能滿足設(shè)計提出的指標(biāo)；漿體工作性能亦能滿足長距離填充的要求。

2）相較于傳統(tǒng)的水泥漿、泡沫混凝土、水＋砂＋粉煤灰等填充材料（設(shè)計推薦方案），工程投資顯著降低，1 m3漿體的水泥摻量約為75 kg，材料價格約30元，相較于設(shè)計推薦的水＋砂＋粉煤灰填充方案，成本節(jié)約70元/m3，全線填充量約50 000 m3，材料成本可節(jié)約350萬元。

3）采用廢棄的鉆孔樁泥漿作為填充材料，一方面可減少50 000 m3泥漿對環(huán)境的污染，另一方面在土地資源日益稀缺的今天，也減少了泥漿靜固對土地的占用，具有顯著的環(huán)保價值。

4）本工藝得到了參建各方的肯定，從而在虹梅南路高架工程全線推廣，施工效果良好。今后可為廢棄的礦山、人防及其他管道的填充工程提供參考。