濕陷性黃土地區(qū)PCCP管道回填施工質(zhì)量優(yōu)化

周旭東，何飛，劉星宏

（1.中電建路橋集團有限公司，北京 100048；2.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024）

1 引言

PCCP管道的管溝回填作為PCCP管道安裝過程的重要工序，對PCCP管道的施工及運行質(zhì)量都具有重要影響。一般情況下，通過控制合理的壓實度往往能取得較好回填效果。但對于濕陷性黃土的特殊地質(zhì)條件，僅依靠壓實度控制往往不能有效地保證施工質(zhì)量，一旦出現(xiàn)回填不密實或排水不通暢等問題時，容易造成水土流失、管溝沉陷以及管道接口滲漏等事故災害。為此本文結(jié)合某水庫供水管道工程的施工情況，對回填施工質(zhì)量保證措施進行了更加全面深入的研究。通過對該工程回填施工方法的分析研究，提出管溝回填施工的優(yōu)化方向和建議，對后續(xù)類似工程的施工具有一定參考價值。

2 工程概況

陜西省斗門水庫工程位于西安市西郊灃河右岸原昆明池遺址，作為引漢濟渭輸配水工程的調(diào)蓄水庫。是以城市供水、改善生態(tài)環(huán)境為主，兼顧防洪的綜合性平原水庫。其中，南池系統(tǒng)的供水管線工程采用預應力鋼筒混凝土管（PCCP管），管徑為DN2400，工作壓力0.6MPa，管道長度6000mm，平均覆土深度6.0m。工程位于一、二級階地，管基主要位于黃土層，黃土干密度ρd=1.49g/cm3，c飽和=14kPa，Φ飽和=15°，壓縮系數(shù)a1-2=0.73MPa-1，承載力特征值fak=140kPa，黃土具有濕陷性，濕陷類型為非自重濕陷，濕陷等級為Ⅰ級（輕微）～Ⅱ級（中等）。地下水深度在5.2 m～14.5m。

3 PCCP管道回填施工工藝

PCCP管道的管溝回填施工主要采用分區(qū)分層回填壓實的方法。常見管道回填的施工中一般根據(jù)管道截面尺寸將管溝回填大致分為管區(qū)和非管區(qū)施工，其中管區(qū)又可以分為管頂以下回填區(qū)及管頂0.5m范圍內(nèi)的回填區(qū)，非管區(qū)為管頂0.5m以上至原地面高度的回填區(qū)[1]。本工程回填施工與管道安裝相結(jié)合，分階段進行回填施工，便于及時固定管道，并通過流水作業(yè)節(jié)約工期。

本工程管溝回填總的施工順序按管線安裝完成的先后順序分兩期進行。一期為砂礫石墊層回填及管頂0.5m以下范圍內(nèi)土方回填（除管接口外），一期填筑包含墊層、管道下部回填區(qū)（管道中心線以下）、管道上部回填區(qū)（管道中心線以上至管頂0.5m），在水壓試驗前完成。二期為管頂0.5m以上部位土方回填，包含管頂回填（管頂0.5m以上至復耕區(qū)）、復耕區(qū)回填，按水壓試驗完成先后順序依次組織回填施工?；靥罘謪^(qū)示意圖，見圖1所示。

圖1 管溝回填分區(qū)示意圖

除回填施工前的基底墊層處理、管道安裝、質(zhì)量驗收等施工準備工作外，回填施工主要施工流程包括土料運輸、回填土樣及壓實試驗、分層鋪料壓實、質(zhì)量檢測等。具體施工流程如圖2所示。

圖2 PCCP管溝回填施工流程圖

管溝回填根據(jù)部位不同采用不同的填料方式和壓實機具，同時也具有不同的壓實度控制指標。具體施工方法：管底以下墊層用10t自卸汽車運料，1.0m3反鏟挖掘機填料，0.5m3反鏟挖掘機攤鋪，F(xiàn)SD-600小型振動碾碾壓；腋角以下墊層和管道下部回填區(qū)用長臂反鏟挖掘機填料，0.5m3反鏟挖掘機配合攤鋪，F(xiàn)SD-600小型振動碾碾壓，不能到達的部位人工攤鋪整平，腋角部位由人工用木夯仔細夯實；管道上部回填區(qū)采用1.0m3反鏟挖掘機配合長臂反鏟挖掘機上料，人工或小型反鏟挖掘機攤鋪土料，F(xiàn)SD-600小型振動碾壓實；管頂50cm以上部分回填，用1.0m3反鏟翻倒，74kW推土機推運、攤鋪整平，復耕區(qū)應留有高度不小于300mm的余土，使之高于原地面，以作為自然沉降補償之用。管道上部石渣回填用1.0m3反鏟挖掘機挖裝，10t自卸汽車運輸，推土機攤鋪整平即可。回填過程應嚴格控制分層壓實厚度和壓實遍數(shù)，并隨時進行現(xiàn)場取樣，保證壓實度達到標準要求，進而保證回填施工的施工質(zhì)量。本工程碾壓施工實景見圖3所示。

圖3 管溝下部回填區(qū)碾壓施工實景圖

4 黃土地區(qū)管道回填施工難點

4.1 腋角施工質(zhì)量不易控制

針對圓形管道的腋角回填，由于其與水平基礎面之間夾角較小，施工條件較差。因此，只能采用人工夯實機具對其進行回填夯實。但與機械壓實相比，其壓實度的控制具有較強的不確定性，一旦出現(xiàn)回填土壓實度不足、壓實不均勻等問題，會導致管道移位、沉降不均勻以及管道接口變形等管道施工質(zhì)量問題。而管道腋角的回填作為固定管道位置，防止管道沉降的重要部分，必須考慮對其質(zhì)量控制采取加強施工過程管理、回填土料特殊設計等保障措施。

4.2 回填土料性能不穩(wěn)定

常用的管溝回填施工質(zhì)量主要由壓實度進行控制，對回填土料的質(zhì)量提出了較高要求。對于黃土地區(qū)的管道回填，由于濕陷性黃土特殊的結(jié)構(gòu)性，其回填土料的質(zhì)量如果不能得到有效保證，同時如果排水條件不利或壓實質(zhì)量較差時，易出現(xiàn)回填土的沉陷流動，進而導致管道的變形移位。因此黃土地區(qū)的回填土料是管道回填施工質(zhì)量的重要控制因素。

4.3 回填施工對管道接口的擾動

PCCP管道安裝質(zhì)量很大程度取決于管道接口的可靠性。尤其是對于目前常見的柔性接口，在管溝回填的過程中，如果不能有效控制回填施工及回填土對管道接口的擾動，會導致管道的滲漏、腐蝕，嚴重情況下，可能需要進行返工，造成經(jīng)濟的巨大損失[2]。因此，對于黃土回填在施工過程中，應嚴格控制管道上部振動碾壓施工對管道接口穩(wěn)定性的影響。

5 黃土地區(qū)管道回填施工質(zhì)量控制措施

5.1 腋角回填質(zhì)量控制

本工程在施工過程中，考慮到PCCP管道腋角回填的重要性，對其進行了專門的質(zhì)量控制。

①在回填土開挖區(qū)開采有代表性的填筑料，模擬人工夯實狀況，進行現(xiàn)場和室內(nèi)試驗確定黃土的理論最優(yōu)含水率、土料虛鋪厚度、夯實厚度以及夯壓遍數(shù)等壓實參數(shù)。

②針對腋角回填主要依賴人工壓實，大型機械難以施展，受人為因素干擾較大的情況。出于施工安全考慮，在設計中應提高施工保險系數(shù)[3]。在滿足規(guī)范要求的前提下，將管基與管道間的腋角回填支撐角增至120°，即腋角處黃土在中心角120°的范圍內(nèi)回填。進而保證腋角的穩(wěn)定性，避免管道安裝過程中出現(xiàn)“漂管”問題，腋角回填范圍示意圖，見圖4所示。

圖4 腋角回填范圍示意圖

③經(jīng)過現(xiàn)場試驗，確定回填開挖區(qū)土料的各項施工參數(shù)后，需要提前開挖并儲存摻合土料，設置專門的回填土堆料區(qū)。同時，由于實際施工過程中，回填土方量過大?；靥盍辖?jīng)常長時間放置，易出現(xiàn)土料中的水分變化。因此，在腋角回填前必須對土料的含水率重新測定，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)采用翻曬、灑水等措施進行調(diào)整，保證施工質(zhì)量。

④在施工過程中及時進行技術交底、班前交底和現(xiàn)場交底。保證質(zhì)檢人員具有全面的技術指導，操作人員掌握詳細的施工流程。同時，施工單位質(zhì)量部門應對回填料每層進行壓實度環(huán)刀試驗，安排專人配合自檢工作，并將PCCP管道腋角回填壓實度一次檢測合格率納入質(zhì)量考核目標，提高施工人員重視程度。

5.2 回填施工質(zhì)量綜合監(jiān)測

對于碾壓區(qū)回填的施工質(zhì)量，如果僅依靠機手的主觀判斷和經(jīng)驗來控制，監(jiān)理只通過旁站靠眼睛和記憶來監(jiān)管，則很難保證回填作業(yè)的質(zhì)量[4]。本工程采用數(shù)字化智能碾壓系統(tǒng)對壓實數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，智能碾壓系統(tǒng)采用北斗定位系統(tǒng)，通過基準站與安裝在振動碾上的衛(wèi)星信號接收機，進行精確計算，利用無線通訊技術傳輸?shù)胶笈_管理中成圖顯示碾壓情況，駕駛員能夠?qū)崟r知道當前壓路機所處空間位置、壓實度、碾壓遍數(shù)、振動頻率、速度等施工實時參數(shù)，進而對碾壓結(jié)果進行復核，保證壓實質(zhì)量。智能監(jiān)測系統(tǒng)工作原理示意圖見圖5所示。

圖5 智能監(jiān)測系統(tǒng)工作原理示意圖

此外，還采用現(xiàn)場取樣試驗和施工過程控制的雙控措施，進行填筑施工質(zhì)量監(jiān)測。以施工過程控制為主，現(xiàn)場取樣控制為輔。施工過程控制主要包含填鋪、碾壓、加水等全過程控制。管溝回填施工時，實時對土料的含水量和粘粒含量進行檢查?，F(xiàn)場施工技術、質(zhì)檢人員在現(xiàn)場跟蹤監(jiān)控回填土料質(zhì)量、碾壓參數(shù)、施工程序及各項施工工藝，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題及時處理，不符合要求的施工工藝及時督促施工人員改正。同時，注意觀察碾壓機械的工況，不好的及時更換修理，確保填筑施工質(zhì)量。還要對土料的干密度和含水量等隨時進行抽樣質(zhì)量檢查。通過綜合性的施工監(jiān)測措施，有效保證回填全過程的施工質(zhì)量。

5.3 管道接口上部回填質(zhì)量控制

本工程管道上部回填區(qū)采用振動碾進行壓實。由于該部分管溝回填時距離管體較近，且在上部回填施工結(jié)束后即要開始進行水壓試驗。一旦接口處受到回填施工的擾動，極易造成管道接口的密封性下降，甚至導致管口損壞、返工維修等嚴重問題。因此應在該階段的施工過程中嚴格控制擾動。

對管道上半部分兩側(cè)管溝的回填，回填料應均勻散布在管溝內(nèi)，避免對管體造成集中荷載，并沿管道兩側(cè)同時均勻碾壓[5]，每層回填的虛鋪厚度不大于300mm，不得擾動管位。管道兩側(cè)的回填高程差，不應超過一層填筑厚度。同時，對接口處的分層碾壓施工，鋪料厚度采用150mm，每層回填土碾壓完成后，均進行環(huán)刀取樣試驗，確保其壓實度符合要求。水壓試驗合格后，及時回填管溝的其余部分。對管道頂以上500mm的緩沖覆蓋厚度采用輕夯壓實，并經(jīng)現(xiàn)場試驗確定合理的壓實參數(shù)，以防止損壞管道。

6 管溝回填施工質(zhì)量優(yōu)化建議

6.1 上部回填土注漿加固

管道上部及管頂?shù)幕靥钔烈坏┏霈F(xiàn)壓實不均勻，壓實度不足等問題，更容易對PCCP管道的柔性接口處穩(wěn)定性造成影響。參考本工程的施工方法，可以考慮在管頂回填施工完畢后，再對接口處的上部回填土進行單液硅化法注漿加固。注漿加固前，應根據(jù)各管段的上覆回填黃土厚度進行注漿參數(shù)的設計，同時應考慮注漿鉆孔振動對壓實土層的擾動，在注漿結(jié)束后應對注漿加固的區(qū)段重新進行夯實，保證回填土的密實度要求。該方法施工成本較低，且可以根據(jù)回填施工效果靈活運用?？梢蕴嵘靥钔恋目煽啃?，減少接口處的擾動，從而更好地發(fā)揮PCCP管道良好的受力性能，延長管道運行壽命。

6.2 回填土料改良

黃土地區(qū)的回填土料承載性能具有不穩(wěn)定性，因此可以考慮通過回填土料特殊設計進行黃土性能的改良?？紤]到施工取材的便利性以及黃土摻料的經(jīng)濟性，將開挖區(qū)黃土與石灰按一定比例摻合，有較好的應用效果，能夠有效減少黃土的滲水性、壓縮性，在腋角、管道接口附近等重點回填區(qū)，采用該摻合土料可以有效提高黃土填料的強度穩(wěn)定性，從而減少對管道的擾動。

6.3 回填施工管道防擾動限位裝置

由于回填壓實所造成的振動較大，對于管道轉(zhuǎn)角較大或高程變化較大的接口部位，仍存在不小的施工風險。對此可以考慮在回填施工過程中，在施工條件不良的管道接口處，采用臨時限位裝置對其進行臨時加固，避免振動碾壓對管體造成的沖擊。對于降排水條件不利的接口部位，也可以將限位裝置通過灌漿轉(zhuǎn)變?yōu)樵摻涌谔幍闹顾?、防護裝置，進一步提高管道后期運行階段的安全性。

7 結(jié)語

通過對黃土地區(qū)PCCP管的管溝回填工程實例的施工工藝及施工難點進行分析研究，對其在施工過程中采用的施工質(zhì)量保證措施進行介紹，并根據(jù)該工程的施工方法，提出了一些施工質(zhì)量優(yōu)化建議，供后續(xù)類似工程參考。