濕陷性黃土地區(qū)管道回填技術(shù)研究

摘" 要：在我國(guó)工程建設(shè)領(lǐng)域中濕陷性黃土地區(qū)管道回填技術(shù)一直屬于重要課題。在我國(guó)存在一定面積的濕陷性黃土地區(qū)，其特殊的土壤性質(zhì)很大程度上提升管道回填工程的難度。在該次研究中作者首先介紹濕陷性黃土地區(qū)管道工程技術(shù)特點(diǎn)，然后結(jié)合中部干旱帶海原西安供水水源工程實(shí)際情況探討濕陷性黃土地區(qū)管道回填技術(shù)。

關(guān)鍵詞：管道回填；濕陷性黃土地區(qū)；水利工程；工程技術(shù)；水源工程

中圖分類號(hào)：TV672.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）05-0193-04

Abstract： Pipeline backfilling technology in collapsible loess areas has always been an important topic in the field of engineering construction in China. There is a certain area of collapsible loess areas in our country， and their special soil properties greatly increase the difficulty of pipeline backfilling projects. In this study， the author will first introduce the technical characteristics of pipeline engineering in collapsible loess areas， and then discuss pipeline backfilling technology in collapsible loess areas based on the actual situation of Xi'an Water Supply Project in Haiyuan， an arid zonein central China.

Keywords： pipeline backfilling; collapsible loess area; water conservancy engineering; engineering technology; water source engineering

我國(guó)國(guó)土面積遼闊，不同地區(qū)在地質(zhì)條件方面也存在一定差別，尤其是在濕陷性黃土地區(qū)，其土壤存在敏感性高、濕陷性強(qiáng)、土體黏粒含量少等特點(diǎn)，使得管道回填工程存在一定難度。當(dāng)水分發(fā)生變化和受到外力作用后濕陷性黃土有較大幾率出現(xiàn)塌陷問(wèn)題，不但會(huì)對(duì)管道穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，而且可能影響附近環(huán)境。所以，深入研究濕陷性黃土地區(qū)管道回填技術(shù)對(duì)于保證水利工程施工安全與施工質(zhì)量具有重要意義。

1" 濕陷性黃土地區(qū)管道工程技術(shù)特點(diǎn)

濕陷性黃土是在上覆土層重力影響下，或者在附加應(yīng)力和自重應(yīng)力綜合作用下由于浸水損壞了土的結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的顯著附加變形的土，屬于特殊土的范疇，而濕陷性黃土地區(qū)簡(jiǎn)單理解就是濕陷性黃土廣泛分布的地理區(qū)域。在濕陷性黃土特殊性質(zhì)的影響下，在濕陷性黃土區(qū)域?qū)嵤┕艿拦こ探ㄔO(shè)難度明顯更大，相關(guān)人員需要充分掌握在該區(qū)域進(jìn)行管道工程建設(shè)的技術(shù)與方法。濕陷性黃土地區(qū)管道工程技術(shù)主要存在以下幾方面特點(diǎn)：第一，濕陷性黃土穩(wěn)定性差。因?yàn)槠浯嬖谳^高敏感性與濕陷性，在外力與水分等因素影響下會(huì)破壞黃土結(jié)構(gòu)，引發(fā)土壤塌陷等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致管道工程存在嚴(yán)重安全隱患。因此，在開(kāi)展管道設(shè)計(jì)與施工工作時(shí)，相關(guān)人員必須全面考量此類特性，制定有針對(duì)性的計(jì)劃與防護(hù)措施。第二，濕陷性黃土地區(qū)管道工程需要有效應(yīng)對(duì)土壤滲透問(wèn)題。因?yàn)辄S土存在較差滲透性，在管道附近有很大幾率出現(xiàn)積水，這會(huì)導(dǎo)致土壤濕陷性進(jìn)一步提升[1]。所以，在管道回填期間需要采取適宜的排水措施，從而保證管道附近土壤處于穩(wěn)定與干燥的狀態(tài)。第三，濕陷性黃土地區(qū)還需要注意地基沉降問(wèn)題。因?yàn)辄S土性質(zhì)特殊，當(dāng)管道重力施加在地基上后容易出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，致使管道變形或破裂。因此，在管道設(shè)計(jì)與施工期間，相關(guān)人員需要綜合考量地基承載能力與沉降問(wèn)題，使用有針對(duì)性的地基處理措施。

2" 濕陷性黃土地區(qū)管道回填技術(shù)

2.1" 工程概況

中部干旱帶海原西安供水水源工程水源為固海七干渠，取水處為高崖水庫(kù)，工程建設(shè)新的四級(jí)揚(yáng)水泵站，可以達(dá)到468.8 m凈揚(yáng)程，共擁有590.5 m揚(yáng)程，為1.6 m3/s的設(shè)計(jì)流量，存在23 120 kW裝機(jī)總?cè)萘?，工程需要順著西南方向鋪設(shè)主管道，管道里程為70.94 km，完成向灌區(qū)已建11座調(diào)蓄水池的輸水工作，配水工程鋪設(shè)管道的長(zhǎng)度為6.82 km，完成骨干管道向附近已建蓄水池分水工作。工程覆蓋區(qū)域?yàn)楹３?、關(guān)橋、西安3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)24個(gè)行政村，共具有12萬(wàn)畝（1畝約等于667 m2，下同） 灌溉面積，海城、關(guān)橋、西安的灌溉面積分別為1.7萬(wàn)畝、4.2萬(wàn)畝和6.4萬(wàn)畝。

本工程輸水工程共擁有70.94 km單排輸水主管道，其中一至三泵站使用的是DN1200鋼管與BCCP管，四泵站1號(hào)壓力管道運(yùn)用的是BCCP管與DN800-1200鋼管，2號(hào)壓力管道為PCP管與DN600鋼管；配水工程共鋪設(shè)8條管道，總長(zhǎng)度為6.82 km，鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)骨架PE管和DN315-1200鋼管。

2.2" 濕陷性黃土地區(qū)管道回填技術(shù)

2.2.1" 地基處理

在開(kāi)始工程建設(shè)前，相關(guān)人員需要采取措施有效處理濕陷性地層管道基礎(chǔ)。在本工程建設(shè)中，相關(guān)人員在全面分析相似工程案例的基礎(chǔ)上對(duì)地溝敷設(shè)法、灰土墊層法、混凝土墊層法和夯實(shí)法等進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)本工程投資控制、管線保證率較高、基礎(chǔ)處理制約條件等各種情況，相關(guān)人員確定了本工程不適合使用地溝敷設(shè)法與夯實(shí)法。

混凝土墊層和灰土墊層在實(shí)際運(yùn)用中均可發(fā)揮以下效果：第一，可以像隔水層一樣起到對(duì)下部土體的防護(hù)效果；第二，可以有效地去除基礎(chǔ)承載層中上部土壤的濕陷，進(jìn)而達(dá)到控制濕陷性黃土沉陷的作用[2]。當(dāng)然，以上2種方法在實(shí)際運(yùn)用中存在不同的作用機(jī)理，灰土墊層可進(jìn)行水分吸收，然而其缺乏足夠強(qiáng)的抗沖刷能力，能應(yīng)用在少量跑冒滴漏的情形中，對(duì)于高流速水流僅存在較弱的抵抗能力，無(wú)法滿足整體性要求；然而水泥墊層只能阻擋水的滲透，不能吸收滲透的水，也不能抵御濕陷，但它能很好地抵御水的沖刷，并能對(duì)灰土墊層和底層地基進(jìn)行保護(hù)，在此基礎(chǔ)上可獲得良好的整體性能。

在本工程中，相關(guān)人員借助以上分析在處理濕陷性黃土管道基礎(chǔ)時(shí)綜合運(yùn)用了混凝土墊層法與灰土墊層法。當(dāng)開(kāi)挖基礎(chǔ)后，利用夯實(shí)措施處理基礎(chǔ)底部，至少需達(dá)到30 cm影響深度，同時(shí)需要控制95%以上的夯填土壓實(shí)度。先在管道基礎(chǔ)上設(shè)置厚度30 cm的3∶7灰土墊層，之后在灰土墊層上敷設(shè)厚度13 cm的C20混凝土墊層，具體地基處理流程如圖1所示。

2.2.2" 管道回填材料選擇

在濕陷性黃土地區(qū)管道回填施工中選擇回填材料的情況能夠直接影響施工質(zhì)量。想要有效保證回填土層的穩(wěn)定性與密實(shí)性，相關(guān)人員必須選擇具備抗?jié)裣菪浴簩?shí)性較好及低滲透性的回填材料。在本工程中，在進(jìn)行回填之前，有關(guān)人員對(duì)改善管線施工回填土料的工作進(jìn)行了有效實(shí)施，期望能夠讓管線回填土具有較高的承載能力，從而保證管線的施工質(zhì)量。在實(shí)際工作中，相關(guān)人員規(guī)范落實(shí)了回填料配比試驗(yàn)，通過(guò)按照等比例混合石灰與回填土，減弱工程施工地點(diǎn)土質(zhì)滲水性，為回填工作構(gòu)建良好基礎(chǔ)[3]。出于防止管道回填期間可能出現(xiàn)的管道變形問(wèn)題，施加荷載確定回填土質(zhì)量，回填土施加荷載順序見(jiàn)表1。

結(jié)合表1可知，在實(shí)施管道回填作業(yè)時(shí)，管道在內(nèi)水壓力、回填土、管自重和水自重等因素綜合影響下產(chǎn)生形變情況的幾率較大。起初管道存在負(fù)向位移，減小了橫向的管道直徑，管道會(huì)有收縮壓力向內(nèi)施加，在充分考慮管道所受到各種應(yīng)力的基礎(chǔ)上，需要完成適宜縫隙預(yù)留工作，同時(shí)在管道接口、腋角等區(qū)域?qū)嵤┗靥畈僮鳌Ｔ诒竟こ讨邢嚓P(guān)人員直接使用石灰與原地層土料混合配置回填土，不僅提高了原地層土料強(qiáng)度，而且具備一定經(jīng)濟(jì)性[4]。

2.2.3" 安裝回填施工管道防擾動(dòng)限位裝置

當(dāng)做完改良管道回填土的工作后，相關(guān)人員應(yīng)該將防擾動(dòng)限位裝置安裝在管道接口處，以此起到臨時(shí)加固管道的作用，防止管道受到回填振動(dòng)的不良影響。因?yàn)樵趬簩?shí)回填土的過(guò)程中會(huì)使用到各種機(jī)械，導(dǎo)致回填可能伴隨強(qiáng)烈振動(dòng)，在回填和壓實(shí)過(guò)程中，很難對(duì)界面處的施工質(zhì)量進(jìn)行有效控制。在相關(guān)人員使用該防擾動(dòng)限位裝置之后，其可以作為管道界面的臨時(shí)固定，可以大大減少在夯實(shí)回填土過(guò)程中沖擊應(yīng)變對(duì)管線的影響。

本工程所用的防擾動(dòng)限位裝置主要由電機(jī)、卷筒外殼、重錘、拉線開(kāi)關(guān)、限位器、限位桿、導(dǎo)繩器、擋塊和箱體幾部分組成。在實(shí)際使用中相關(guān)人員會(huì)以回填土壓實(shí)狀態(tài)的應(yīng)力變化為依據(jù)確定限位裝置上承載的應(yīng)力。在實(shí)際工作中，相關(guān)人員會(huì)使用以下公式計(jì)算應(yīng)力

式中：λss為回填土壓實(shí)峰值應(yīng)變；εc為控制參數(shù)；λs為回填土極限應(yīng)變；fss為限位裝置抗壓強(qiáng)度；δs為回填土自身應(yīng)力。

當(dāng)固定好限位裝置后，相關(guān)人員需要對(duì)回填區(qū)域應(yīng)變情況進(jìn)行調(diào)整，固定區(qū)域與回填區(qū)域需要滿足如下式所示應(yīng)變關(guān)系

式中：Ks為回填土的彈性模量。

在以上條件得到滿足后，即證明回填土已達(dá)到了臨界變形條件，在限制器和管線界面的共同作用下，界面部位的應(yīng)力可以被控制在較低水平，從而使界面受到較小的應(yīng)力，這樣才能確保管線的回填質(zhì)量。

2.2.4" 管溝回填

在本項(xiàng)目的溝槽回填作業(yè)中，針對(duì)不同的區(qū)域特性，采取了定制化的填充材料和壓實(shí)設(shè)備策略，同時(shí)設(shè)定了差異性的壓實(shí)度控制基準(zhǔn)。具體的施工步驟如下。 首先，管基墊層利用10 t級(jí)自卸車運(yùn)送材料，然后由1 m3深度的反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行填充，再由0.5 m3的反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行平整，最后由FSD-600小型振動(dòng)壓路機(jī)完成夯實(shí)。對(duì)于腋窩區(qū)域下方的墊層和管道底部由長(zhǎng)臂反鏟挖掘機(jī)負(fù)責(zé)填充，再由0.5 m3反鏟配合攤鋪，同樣通過(guò)FSD-600壓實(shí)[5]。難以觸及的地方則依賴人工實(shí)施精細(xì)平整，腋窩區(qū)域特別強(qiáng)調(diào)采用木夯精細(xì)夯實(shí)。管道上部的填充工作則是1 m3反鏟挖掘機(jī)配合長(zhǎng)臂反鏟挖掘機(jī)裝載，同樣通過(guò)FSD-600壓實(shí)。超過(guò)管頂50 cm的部分，采用1 m3反鏟倒土，隨后由74 kW的推土機(jī)執(zhí)行移動(dòng)、攤平操作，同時(shí)，復(fù)耕區(qū)域需預(yù)留至少300 mm的余土，高于原始地面，以抵消自然沉降的影響。

在本工程施工期間，相關(guān)人員非常重視管道腋角回填的工作。通過(guò)實(shí)施人工夯實(shí)狀況模擬，運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方式確定了黃土的各種壓實(shí)參數(shù)，如夯實(shí)變數(shù)、土料需鋪厚度及夯實(shí)厚度等。在開(kāi)展工作時(shí)，相關(guān)人員主要使用人工壓實(shí)腋角回填。在充分考慮規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，相關(guān)人員設(shè)置了120°的管道和管基間腋角回填支撐腳，簡(jiǎn)單理解就是確定回填范圍時(shí)黃土中心角的120°，進(jìn)而保證回填施工后形成穩(wěn)定的腋角，腋角回填范圍如圖2所示。

在回填管道上側(cè)管溝時(shí)，需要將回填料均勻鋪設(shè)在管溝內(nèi)，避免管體處存在集中荷載，并在管道兩側(cè)同步開(kāi)展碾壓工作，在實(shí)際操作中每層回填均控制在300 mm以內(nèi)需鋪厚度，嚴(yán)禁對(duì)管位形成擾動(dòng)，對(duì)于管道兩側(cè)回填來(lái)說(shuō)，需要控制300 mm以內(nèi)的高程差[6]。而且，相關(guān)人員運(yùn)用分層方式開(kāi)展接口處碾壓施工，主要是鋪150 mm厚度回填土，碾壓完每層回填土后，均需開(kāi)展環(huán)刀取樣試驗(yàn)，確保其達(dá)到與規(guī)定相符的壓實(shí)度。

2.2.5" 注漿加固管道上部回填土

在管道回填作業(yè)中，對(duì)管道頂部土壤實(shí)施注漿強(qiáng)化是為了確保管道接頭部位能承受足夠的壓緊力，從根本上保障管道回填的密實(shí)度。若管道上方土壤的壓實(shí)度不一致，可能導(dǎo)致接口穩(wěn)定性喪失，對(duì)整體工程效果產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，鋪設(shè)管道后，必須對(duì)接口周圍土壤實(shí)施強(qiáng)化處理，其強(qiáng)化參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)上方土壤的覆蓋深度。

為防止注漿時(shí)的壓力導(dǎo)致管道產(chǎn)生環(huán)形變形，提出了在填充土層中鉆孔的策略，孔洞與管道間的距離保持在300 mm。通過(guò)孔洞注入漿液，可以有效地提高管道頂部土壤的壓實(shí)度。

在管道回填過(guò)程中，相關(guān)人員將作業(yè)區(qū)劃分為基礎(chǔ)、管道、機(jī)械壓實(shí)區(qū)和非機(jī)械壓實(shí)區(qū)。中粗砂墊層區(qū)免于填埋。鑒于非機(jī)械壓實(shí)區(qū)可能影響最終的壓實(shí)程度，故將注漿強(qiáng)化定位在該區(qū)域內(nèi)。

在管道回填的機(jī)械壓實(shí)區(qū)內(nèi)，相關(guān)人員鉆孔并注入漿液以增強(qiáng)地基。加固完成后，沿著注漿點(diǎn)回填非機(jī)械壓實(shí)區(qū)，直至達(dá)到地面以下500 mm，至此，整個(gè)強(qiáng)化填埋過(guò)程完成。這些步驟的執(zhí)行旨在保證管道填埋質(zhì)量與效果，確保供水管線工程的穩(wěn)固與安全。

2.2.6" 回填施工質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)

對(duì)于碾壓區(qū)域的回填施工，傳統(tǒng)的依賴人工經(jīng)驗(yàn)和直觀監(jiān)控方法顯然不足以確保其精準(zhǔn)和高效。本項(xiàng)目引進(jìn)了創(chuàng)新的數(shù)字化智能碾壓管理系統(tǒng)，這套系統(tǒng)巧妙地融合了北斗導(dǎo)航技術(shù)，通過(guò)基準(zhǔn)站與振動(dòng)碾上安裝的接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓實(shí)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量與實(shí)時(shí)追蹤。無(wú)線通信技術(shù)將這些關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)，駕駛員可即時(shí)獲取包括空間定位、壓實(shí)度、碾壓次數(shù)、振動(dòng)頻率和速度在內(nèi)的施工動(dòng)態(tài)信息，從而進(jìn)行即時(shí)反饋和質(zhì)量校驗(yàn)。

此外，相關(guān)人員采取雙重質(zhì)量控制策略，以施工過(guò)程監(jiān)控為主導(dǎo)，現(xiàn)場(chǎng)樣品測(cè)試為補(bǔ)充。核心在于全程監(jiān)控填筑、碾壓、加水等環(huán)節(jié)，確保每個(gè)步驟都符合標(biāo)準(zhǔn)。在管溝回填過(guò)程中，相關(guān)人員會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤的濕度和黏性成分。專業(yè)技術(shù)人員和質(zhì)檢人員緊密跟蹤，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，立即干預(yù)并糾正不符合標(biāo)準(zhǔn)的施工行為，同時(shí)密切關(guān)注設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)更換或維修以保持施工質(zhì)量的穩(wěn)定。實(shí)時(shí)掌握土料干密度和含水量情況，借助全面的監(jiān)測(cè)手段確保了整個(gè)回填過(guò)程的質(zhì)量[7]。

2.3" 施工效果

首先，因?yàn)橄嚓P(guān)人員在管道回填過(guò)程中安裝了防擾動(dòng)限位裝置，在管道回填期間并未出現(xiàn)應(yīng)力集中、形變等問(wèn)題。其次，相關(guān)人員結(jié)合各區(qū)域?qū)嶋H情況有針對(duì)性地選擇了壓實(shí)設(shè)備與改良回填料，大幅度提升了回填土體的均勻度與密實(shí)性。最后，合理應(yīng)用數(shù)字化智能碾壓管理系統(tǒng)與人工質(zhì)量監(jiān)測(cè)措施，相關(guān)人員可實(shí)時(shí)了解管道回填施工質(zhì)量，并及時(shí)落實(shí)相關(guān)施工質(zhì)量控制工作，有效保證了管道回填的效率與質(zhì)量。當(dāng)結(jié)束所有施工工序后，監(jiān)理單位與業(yè)主單位展開(kāi)了系統(tǒng)性的質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)估工作，證明濕陷性黃土地區(qū)管道回填區(qū)域具有較好的穩(wěn)定性、壓實(shí)度以及均勻性。

3" 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在濕陷性黃土地區(qū)開(kāi)展管道回填施工的難度較大，相關(guān)人員可以運(yùn)用本文所述地基處理、管道回填材料選擇、安裝回填施工管道防擾動(dòng)限位裝置、管溝回填、注漿加固管道上部回填土，以及回填施工質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)等管道回填技術(shù)開(kāi)展施工，可以達(dá)到較為理想的施工效果。

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