长江外滩地质下防止室外管网不均匀沉降施工技术研究

长江外滩地质下防止室外管网不均匀沉降施工技术研究

熊亮亮 陈凯 齐晓 伍军

中国建筑第五工程局有限公司，湖南省长沙市 410000

摘要：本文基于九江港彭泽港区红光作业区物流园一期工程室外管网工程的施工，进行长江外滩地质下防止室外管网不均匀沉降施工技术研究，并对长江外滩区域室外管网的施工给出一些建议。

引言

随着我国经济的快速发展，根据中央“一带一路”经济发展战略，大大增加了我国的进出口贸易，而长江沿线港口贸易是连接内地与世界各地的主要方式之一。近几年国家也在不断加大对长江沿线港口及配套物流园区的建设。然而港口建设及配套物流园区基本建设在长江外滩区域，该区域由长江冲积形成，地质条件复杂、多为粉质黏土和粉细砂层，土质不均，变化较大；整体含水率偏高，地下水位随长江水位变化明显，后续沉降量较大。如何在长江外滩区域这种复杂地质条件下，防止新建港口及物流园区场区内雨污水、给水、电气等室外管网不均匀沉降，确保室外管网正常使用是有必要的。

1. 项目概况

本项目依托九江港彭泽港区红光作业区物流园一期工程，位于九江市彭泽县定山镇红光作业区综合枢纽码头工程后方，距离长江约600m，属典型的长江外滩区域，本项目包括室外雨污水管网约14000m，室外消防、给水、喷淋管网约14000m，电气排管约18000m。根据地勘报告，施工区域地层主要有人工填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂、中砂等组成。其中沉降量主要出现在地基表层的粉质黏土和粉细砂层，经地基处理后，工后残余沉降量在30cm范围内。

2. 管网砂垫层设置在防止不均匀沉降中的应用

管网施工过程中设置砂垫层主要有以下几个作用：一是增强地基负载，减少下降量；二是快速固结，提高地基稳定性；三是砂垫受力均匀，保护管道不易受损。但要采用中粗砂，不可含有其它杂质，含泥量也要控制在5%内。否则不易压实，且强度不高。

图集04S520第6.3条中规定，对一般土质，当地基承载力特征值f_ak≥80KPa时，基底可铺设一层厚度为100mm的中粗砂基础层；当地基土质较差其地基承载力特征值55≤f_ak≤80KPa或槽底处于地下水位之下时，宜铺垫厚度不小于200mm的砂砾基础层；当地基承载力特征值f_ak＜55KPa时，必须先对地基进行加固处理，在达到规定地基承载能力之后，再铺设中粗砂基础层。基础表面应平整，其密实度应达到85%-90%。

3. 碎石褥垫层、抛石挤淤的方式处理管道基础是否可行

在红光物流园项目中，铺设碎石褥垫层时使用了一种新型发明专利——一种自带固定装置的土工格室。无需另外制作固定“U”型卡，提升土工格室安装效率的同时，土工格室张拉后通过自固定装置实现了格室在整个水平面方向的固定，使得土工格室与地基之间能够紧密贴合，充分实现了土工格室的加固效果，再在土工格室内填入碎石，形成具有强大侧向限制和大刚度的碎石褥垫层，使得地基受力较为均匀，达到防治地基不均匀沉降的目的。

碎石褥垫层用于管道基础，可使得管道基础防不均匀沉降的能力进一步加强。然而管道施工，作业空间往往有限，小块碎石褥垫层张拉固定不佳，效果并没有想象中那么出色，另一方面碎石褥垫层成本偏高且砂垫层已能基本满足施工要求，因此碎石褥垫层用于管道基础的情况较少。

抛石挤淤为强迫换土的一种形式，通过在软粘土中抛入较大的片石、块石，使片石、块石强行挤出软粘土并占据其位置，以此来提高地基承载力、减小沉降量，提高土体稳定性。

抛石挤淤施工时，从管道位置开始，然后逐次向两旁展开，使淤泥向两侧挤出。当抛入的片石露出土面后，用重锤夯实或压路机碾压密实后在其上铺设反滤层（片石、砂砾石等）再行填土。

管道施工过程开挖面积较小，压实机械受到限制，抛石挤淤效果受到一定制约。因此往往配合清淤来进行，先清除一定厚度易于清理的软弱层粘土再进行抛石挤淤碾压。

4. 确定一种适应不良地质条件的管道连接方式

常见管道连接方式有法兰连接、热熔连接、承插连接等。

法兰连接是把两个管道、管件或器材，先各自固定在一个法兰盘上，然后在两个法兰盘之间加上法兰垫，最后用螺栓将两个法兰盘拉紧使其紧密结合起来，主要特点是拆卸方便、强度高、密封性能好。

热熔连接则是通过加热，使管道连接部位达到熔点产生融化，再使用承插的方式让管材和管件融合在一起。

承插连接主要通过承插接头实现管道连接，有柔性连接和刚性连接两类：刚性承插连接是用管道的插口插入管道的承口内，对位后先用嵌缝材料嵌缝，然后用密封材料密封，刚性连接采用石棉水泥或膨胀性填料密封，重要场合可用铅密封，使之成为一个牢固的封闭的整体；柔性承插连接接头在管道承插口的止封口上放入富有弹性的橡胶圈，然后施力将管子插端插入，形成一个能适应一定范围内的位移和振动的封闭管。

除考虑到连接方式与管道材料的对应、管道检修频率等，在不良地质条件下，应尽可能选用柔性承插连接。当管道下部基础发生不均匀沉降时，避免管道连接处直接对抗不均匀沉降被破坏，柔性承插连接允许管道连接两端存在一定的位移差。

5. 沉降理论分析

1）不同地质情况下自然沉降量的理论分析

无粘性土，土的透水性强，沉降很快完成；粘性土，土的透水性弱，达到沉降稳定所需时间十分漫长。

2. 地下水位季节性变化对管网不均匀沉降的影响

地下水位下降或上升都会对建筑物的不均匀沉降有重要影响。地下水位上升,导致地基压缩层范围内土体的土质软化、压缩性增大、强度降低、承载力减小、地基沉降增大。地下水位下降会使周围地基土层产生固结沉降，轻者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降；重者使建筑物基础下的土体颗粒流失，甚至掏空，导致建筑物开裂和危及安全使用。当然地下水位下降对建筑物的影响还取决于压缩层的岩性。

2. 沉降计算方法

常见的沉降计算方法有分层总和法、应力面积法、弹性理论法、变形发展三分法等。

分层总和法难点在于计算时要找准地基受压深度并计算分层，而实际工程中土层的分界并不明确，这也导致了计算结果有时并不准确。

应力面积法，引入了沉降计算经验系数Ψ_s,然而针对长江外滩之类区域，可供参考的地基沉降观测资料较少，计算结果与真实值的吻合度不高。

弹性理论法则在地基土层比较均匀时才近似成立，又涉及到地基土的变形模量E₀难以准确选取，因此其虽计算过程简单，但一般只用作沉降估算。

变形发展三分法只适用于粘性土，将土的沉降分为瞬时沉降S_i,固结沉降S_c，次压缩沉降S_s三部分。然而对于有机质含量较多的粘土，其次固结沉降时间较长，只能在次固结沉降过程中近似计算。

言归正传，分层总和法虽具有一定缺陷，但由于计算参数简便且有规范推介，经过多年使用已有较多经验，因此最终还是选取了分层总和法进行沉降的理论分析。

6. 对地下管网不均匀沉降分析的一些设想

地下管网不均匀沉降除理论上存在的不确定性较多之外，实际工程中的沉降观测亦存在一定困难。如何在管道隐蔽完成之后继续保持沉降观测，甚至是检测管道变形及损坏情况。是否可以使用智能机器人技术，在目前而言与成本无疑是冲突的，寄望于将来有一个更为经济合理的方式。

7. 分析与总结

红光物流园项目施工过程中，通过加厚砂垫层、抛石挤淤、设置碎石褥垫层等增加了管道基础的承载能力；又通过选择柔性管道连接加强了管道连接处抵抗不均匀沉降的能力；最后通过理论计算沉降量与实际观测值的比对，试图建立一个管道隐蔽之后的长期沉降分析，至今为止室外管网的相关检测结果良好。