浅谈粉性土层中排水管道敷设工程的质量控制

沈雪明，余鳌祺

（上海建科工程咨询有限公司， 上海 200032）

浅谈粉性土层中排水管道敷设工程的质量控制

沈雪明，余鳌祺

（上海建科工程咨询有限公司， 上海 200032）

地下排水管道渗漏造成地面塌陷,随着管道投入运行地面塌陷事故一直困扰着人们。通过对某工程售后配件仓库室外排水管道在粉性砂土层中因渗漏引起的地面塌陷，经过修复后再次发生地面塌陷，对其中原因进行了分析。对相关规范在粉性土及砂土层中的适用性有了新的认识。

地面塌陷；管道渗漏原因；修复及预防；规范适用性

1 概 述

上海某产业基地工程项目售后配件仓库区域室外总体工程。地下排水系统主要在仓库一与仓库二之间由北向南的排水主干管，再经南侧围墙边道路下向西汇入城市排水管网中。其中消防通道以南主干管北段管径 1 000 mm，长 97 m；南段管径 1 100 mm，长 107 m，管道埋深(管底)5.2 m。管道材料为中空缠绕塑料管，管与管之间的接头形式采用橡胶密封带包裹加外层不锈钢带抱紧压牢，为带式平口连接接头。排水管道南端主井室为钢筋混凝土结构：宽 2.2 m、长 2.4 m、深5.2 m、壁厚 25 cm，次井室为砖砌井。在由北向南 60 m 处，仓库一消防通道南侧井内发现有沉积井底的流砂，沉砂厚度约 20 cm；至排水管道南端主井室井底沉砂更多，约 30 cm。井室沉降约 30 cm。从 2010 年 9 月竣工到 2013 年 8 月发现地面下陷坍塌，地坪坍塌面积约有 50 m2，深度近 2 m。坍塌处有 2 根给水管(下面 1 根消防管，上面 1 根为生活水管，均为球墨铸铁管承插式接头)。由于下部土体流失，悬空水管无法承受上部的土体压力，2 根管道均在接头处开裂，造成大量自来水外泄，周边土体随水流失，加剧了该处地面下陷；随后管道其他部位又发生土体塌陷。经过 2013 年 9 月对南端头1.2 m 直径的管道修复，至 2014 年 9 月再次发生了地面坍塌，形式与上次一样。

2 地下排水管道土体流失原因

2.1 地下排水管道施工

本排水管道工程从 2010 年 4 月开始施工，施工过程中，采用了钢板桩围护措施，并在管道两侧支撑角用原土(粉性砂土)分层夯实。因在管道两侧操作空间有限，使用了分层木夯夯实，每层回填土层不超过 200 mm。经分层夯实后，使管道两侧的支撑角土体强度得到了满足。同时，在支撑角土体回填已后对排水管道进行了严密性闭水试验。闭水试验符合规范要求，完成后进行了回填土施工，并进行了分层夯实。随后完成钢板桩的拔除作业。

2.2 土体流失原因

本工程地处上海市的东南方，其地貌属于上海地区四大地貌单元中的砂嘴砂岛地貌类型，拟建场地内的地基土属第四纪河口、滨海浅海相沉积层，主要有浅部砂性粉土，中部黏性土组成。地质条件较特殊。而根据售后配件仓库地质勘探图表的描述：第①层为杂填土，层厚 0.40 m～2.060 (1.21)m，层底标高 3.27 m～1.03(2.51)m；第②1层为灰黄色黏质粉土夹粉质黏土，层厚 0.40 m～1.30(0.90)m，层底标高为 2.44 m ～1.65(2.02)m，湿度很湿；第 ②3层为灰色砂质粉土：层厚 2.70 m～5.00(3.40)m，层底标高为－9.03 m～－11.16(－10.35)m，湿度饱和。在坍塌管道向东 20 m 左右，售后配件仓库工程拟建场地岩土工程补充勘探报告中提出：“要求在开挖地下消防水池时第 ②1、②3层为粉性土，在水头差及外力的作用下易产生流砂、管涌等现象”。说明该两层粉性土极易流失。

本管道坍塌处管底埋深约 5.2 m，正好处在第②1、②3层粉性砂土层之间。如管道接头处有渗漏现象(规范允许有一定的渗漏量)，则管道旁土体通过管道接头处漏点，在外部水的径流作用下流失。根据上海市工程建设规范 DGJ 08—11—2010《地基基础设计规范》第 4.2.2 条规定，潜水水位埋深一般在 0.3 m～1.5 m，水位受降雨、潮汛、地表水及地面蒸发的影响有所变化；在工程建筑设计时，场地内地下水位埋深，高水位埋深可按年平均离地表面 0.30 m 使用，低水位埋深可按 1.50 m 使用。本地下水是指潜水层，是随着下雨及气候季节等变化而出现高低变化。另外，还有其他不明原因的水体影响存在。当出现流向管道内的通路时会带走管道外的粉性砂土，从而形成空洞。如排水管道南端 2014 年 9 月第二次坍塌，就因为在经过第一次修复后西侧上方有多排弱电电缆通讯管道(为波纹管)，当通讯电缆井内水位较高时，电缆管道内水会通过雨水管道接头的缝隙流失。经过 1 a 左右的时间，使排水管道周边土体被掏空再次坍塌。

由上述分析可知：粉性土层中特别在上海地区砂嘴砂岛地貌类型处敷设在②1、②3层中的排水管道极容易产生管道内与管道外的通路(在规范允许条件下的漏点)，在地下潜水的径流作用下土体被掏空；施工过程中对施工工艺未把握好，如在拔钢板桩时造成管道支撑角土体扰动使管道变形过大，加剧了管道渗漏点的扩大。

2014 年 9 月 26 日，郑州西三环路段塌方前曾查明路面下有 28 处空洞，主要是排水管道的渗漏造成管道外粉砂土流失而产生空洞。为什么在其他土层中的排水管道发生地面塌陷较少，而在粉性土层中的排水管道发生地面塌陷的事故较多？通过粉性土、砂土与黏土之间的比较，可以从土的物理指标来分析原因。土的抗剪强度来源，无黏性土(粉砂、细砂等)的抗剪强度来源于土粒之间的摩擦力。因为这种摩擦力存在于土体内部，称为内摩擦力，内摩擦力分两部分：一部分是由于土粒粗糙产生的表面摩擦力；另一部分是颗粒之间互相镶嵌、联锁作用产生咬合力。

黏性土的抗剪强度，除内摩擦力，还有内聚力。内聚力主要来源于土颗粒之间的电子、分子吸引力和土中天然结构质(如硅、铁和碳酸盐等)对土颗粒的胶结作用。

由上述可知，在黏性土中的排水管道由于土体中比粉性土多了内聚力的作用，在管道渗漏时，土不容易从管道渗漏点流失。而在粉性土中的排水管道，土在饱和状态下，实际土已经由塑性状态变到流塑状态，在排水管道内有通路时，在外水压的作用下会产生向管内的流动。

郑州案例与本案例基本一样，都是在粉性土层中，当土内含水量增大时，水分在土粒表面形成润滑剂，使土的内摩擦角减小，特别是粉砂土质在水饱和的情况下，很容易失去稳定。一旦位于粉砂土层中的管道有渗漏时，在动水压的作用下，粉砂土不断渗入管道，带走泥沙，造成管道和工作井室下沉，变形不断加剧，裂缝不断增大，泥土也就不断流失，形成恶性循环，直至路面塌陷。从管道渗漏到地面塌陷的过程：管道渗水带走泥沙→工作井室沉降→管道变形→漏点扩大→造成土体空洞→地面塌陷。

经对厂区排水管道多次地面塌陷发生时间的调查，大多数发生在 4 月份至 10 份之间。而这时间段正是上海地区丰水期，水位埋深在 0.3 m 左右(枯水期水位埋深约 1.5 m)，相对于管道埋深在 5 m 左右，形成了一个较高的水头差，比枯水期时更加容易发生管道渗漏引起地面塌陷。

3 排水管道的修复及在粉性土中的敷设

3.1 排水管道的修复

2013 年对南端排水管道第一次修复采用了原来的施工工艺。土体挖开后，在排水管道的接头处还是使用了带式平口连接，地面塌陷后，重新挖开，在检查渗漏点时还是在此连接点上。为确保重新修复成功，2014 年 9 月在开始第二次修复前(共修复两处，一处新塌陷的，还有一处为第二次塌陷)，重新编制施工方案。调整了施工工艺，采用了承插式接头形式。在承插口合拢后，在插口内压入柔性 O 型密封橡胶圈作密封处理，确保管道不再渗漏。回填土完成后在修复段回填土区域管井进行了一个星期的闭水试验，水位保持在原水状态，未见排水管道接头处出现渗漏的迹象。目前经多次检查，未发现渗水和管道内土体流入现象(管道内未见流砂流入)。

3.2 粉性土中排水管道的施工

由于粉性土的物理指标决定了此类型的土体在饱和状态下易产生流砂，应在排水管道敷设时采取一些特殊的处理措施，主要保证排水管道接头及排水管道与井室之间连接点不再渗漏，有效阻止粉性土流入排水管道内，从而最大限度地避免地面塌陷事故的发生。

3.2.1 管道之间的连接

在正常情况下，管道连接方法有承插式柔性连接、套筒(带或套)连接、法兰连接、卡箍连接，而一般小口径化学建材管道敷设时都使用承插式柔性连接。但是在大口径化学建材管道敷设时，使用带式连接占有较大的比例。带式连接较为方便，但也存在一些缺点：带式连接时二根管道之间直径误差会造成一些空隙；带的长度比管道的周长略短，收紧后在带接头处总有一些空隙(如没有空隙带的两头相碰就无法收紧)。

在排水管道敷设时建议采用承插式柔性接头，并在橡胶圈封闭的基础上再增加一道阻水密封工艺(如接头四周采用黏性土回填)。

3.2.2 工作井室与排水管道的连接

由于化学建材管道有加筋管、中空缠绕管、波纹管等形式的管材。加筋管及波纹管等外表面有凹凸楞，在埋入混凝土井壁内对防水较为有利。但中空缠绕管等表面光滑的管道与井室混凝土或水泥砂浆的连接，防水效果较差。建议管道生产商对这类管道与井室的连接点处设置专用止水环。解决渗水难题。

3.2.3 排水管道下部支撑角问题

对于采用放坡开挖及顶管等工艺技术的施工支撑角的土体扰动不是问题。但对于采用钢板桩等技术的施工工艺，在钢板桩拔除时使用的机械一般都要带震动拔除。故对土体的扰动相应较大，特别是对支撑角的粉性砂土产生较大影响。

当拔除钢板桩时土方已回填好，管道的下部支撑角粉性砂土已受力。在拔除作业时，管道上方承载着较大的压力，而这种压力直接传递给排水管道，使管道产生变形。特别在带式管道接头处，变形的幅度虽不大，但足以使管道的接头渗漏点扩大，为今后土体流失埋下隐患。

3.3 上海地区地貌类型分布与排水管道关系

上海地形地貌除西部零星分布的剥蚀残丘外，地貌类型可划分为：湖沼平原、滨海平原、砂嘴砂岛平原和潮坪四种。上海地基土除少数低丘陵地区有岩石外，其余皆为巨厚的第四纪沉积物，主要由黏性土、粉性土和砂土构。

上海地区浅部粉性土及粉细砂层主要分布在崇明、长兴岛以及金山等沿海区域，属砂嘴砂岛相。东南部沿江、海地区属于潮坪地带，浅部分布有新近沉积的粉性土。上海市区浅层粉性土及砂土主要分布在黄浦江两岸及苏州河以北，桃浦西路和南陈路以东地区。建议以上地区在修建排水管道时，如管道的埋深在浅层粉性土及粉细砂层时，应充分考虑粉性土及粉细砂层对排水管道的影响。重新考虑排水管道闭水试验的渗漏量。

4 结 语

排水管道渗漏引起的地面塌陷，人们总以为是施工质量问题或是偷工减料造成。但由于各地地质情况的不同。在上海地区就有 4 种不同的地貌，人们在湖沼平原地貌区域敷设的地下排水管道很少有地面塌陷的报道；而在滨海、河口砂嘴砂岛平原中的粉性土内敷设的排水管道，地面塌陷却时有发生。鉴于上述情况，笔者认为：在粉性土层中的排水管道敷设应调整相关工艺，对规范中的允许渗漏量应减少或归零。监理可通过设计交底与图纸会审，把在粉性土层中的排水管道敷设的注意事项及要求在会审纪要中予以明确。通过有效措施控制管道渗漏隐患，才能减少地面塌陷事件的发生。

[1]GB 50268—2008,给水排水管道工程施工及验收规范[S].

[2]DGJ 08—11—2010,地基与基础设计规范[S].

通信地址：上海市宛平南路75号1号楼506室。

TU712

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1007-4104(2015)01-0075-03

2014-11-17