在沿海、沿江等地带吹填形成陆域是近些年在我国发展较快的陆域形成方式, 但是利用吹填技术形成的地基往往具有承载力低、沉降不稳定等特点。地基处理方式不当会产生不均匀沉陷, 导致排水管道发生错口、断裂、渗漏等, 污染附近地下水, 甚至影响附近建筑物的基础。

本文依托某人工岛围堰填海项目, 以人工岛上的排水管道工程为例, 重点论述针对性的地基处理方式和市政排水管道的设计要点, 以期为今后类似工程的设计提供参考。

某人工岛总用地面积765hm², 道路全长约44km。它是围海吹填形成的陆地, 以吹填砂和吹填软土为主, 吹填土大部分为淤泥质土, 土质差, 含水量高, 吹填后的地基承载力低, 回弹模量较小。

本工程排水系统采用雨污分流制, 主要包括雨水、污水管道及其附属构筑物的设计。其中雨水主管d800, 4 000mm×3 000mm (宽×高) , 污水管道管径DN400~800。

根据地勘报告, 场地土层共分为5个工程地质单元层, 其岩性特征分别如下:

(1) 层, 素填土 (Q_l^m) , 灰黄、灰褐色, 湿~饱和, 松散, 主要由粘性土、砂土、碎石及生物碎屑等组成, 为人工吹填土, 吹填时间约1年。

(2) 层, 淤泥质粉质粘土 (Q₄^m) , 灰黑、灰褐色, 流塑~软塑, 切面有光泽, 主要由粉粒及粘粒组成, 局部夹有贝壳粉细砂薄层, 富含腐殖质, 具有腥臭味。

(2) ₁层, 粉砂 (Q₄^m) , 灰褐色, 饱和, 松散状为主、局部稍密状, 石英质, 亚圆形, 局部夹淤泥质土及生物碎屑, 粘粒含量约20%。

(3) 层, 含生物碎屑角砾 (Q₄^m) , 灰黄、青灰、灰白色, 饱和, 松散~稍密, 主要成分为珊瑚碎屑、贝壳碎屑、砂砾等组成, 混有软塑粘性土, 局部为5~10cm的钙质或泥质生物碎屑胶结, 岩芯多呈角砾状。

(4) 层, 粉质粘土 (Q₁^m) , 灰色, 可塑~硬塑、局部坚硬, 切面稍有光泽, 干强度中等、韧性中等、无摇震反应, 局部夹有2~25cm半成岩硬块或钙质、泥质生物碎屑泥钙质胶结。

(1) 地下水。依据勘察报告, 地下水主要为孔隙潜水, 主要存在于 (1) 层素填土、 (2) ₁层粉砂及 (3) 层生物碎屑角砾的孔隙中, 其中含水层 (1) 层素填土 (砂土为主) 及 (3) 层含生物碎屑角砾为强透水层。地下水主要接受海水的垂直渗透及地下水侧向径流补给, 主要排泄为侧向径流排泄。勘察时测得场地内地下水位埋深0~4.00m, 水位标高1.69~2.56m。

(2) 地表水。本项目为人工填岛, 四周均为海水, 因此地表水均为海水, 常规潮水位标高为1.50m。

本工程拟建场地地质情况较复杂, 场地浅层基本为填土, 填土情况也不尽相同, 且设计地面标高基本均高于现状填土地面标高, 拟建场地大部分需进行地基处理, 否则会对管道敷设产生不良影响。

吹填形成陆域的土质材料不同, 对地基进行处理所采用的方法也就不同。对于填料为淤泥质土及淤泥的地基, 常用的方法有换土垫层法、塑料排水板真空预压法、真空预压联合堆载法、水泥搅拌桩复合地基、超高压喷射注浆、水泥粉煤灰碎石桩和强夯法等^[1]。

考虑到本工程市政排水管道基本位于道路红线内, 且道路地基本身需进行处理。结合道路和排水管道两方面因素, 地基处理既要控制道路的工后沉降, 提高地基稳定性, 又要为排水管道埋设创造条件。所以本次地基处理范围主要可分为两类。

第一类, 地基处理范围为道路规划红线外5m, 道路地基处理时兼顾道路下排水管道的地基处理, 地基处理后要求地基承载力为120kPa, 工后沉降小于200mm。因此, 位于道路红线内的排水管道, 可利用道路地基处理, 不另外进行排水管道的地基处理, 这样可以节约工程造价, 并增加道路地基处理的均匀性。本工程人工岛一般路段主要由吹填软土路段和吹填砂路段组成, 根据两种路段土质的差异及经济性综合比较后, 吹填软土路段采用水泥搅拌桩复合地基法, 吹填砂路段则采用强夯法^[2]。水泥搅拌桩复合地基法下排水管道的布置如图1所示。

第二类, 局部管道位于道路处理范围外, 管道地基自行处理, 处理方法为换填或水泥搅拌桩, 处理原则为: (1) 管道基础下软弱土层不大于1.5m时, 采用3∶7砾石砂换填处理, 换填至进入承载力特征值不小于150kPa土层不小于100mm; (2) 管道基础下软弱土层大于1.5m时, 采用水泥搅拌桩处理。

本次排水工程主要包括雨水、污水管道及其附属构筑物的设计。其中雨水主管管径DN400, 4 000mm×2 000mm (宽×高) , 设计地面下埋深2.2~7.5m;污水管道管径DN400~800, 设计地面下埋深2.5~7.5m。

目前国内常用的排水管管材主要有钢筋混凝土管和塑料管。综合考虑管材技术、成本经济性和防腐性等方面因素, 本工程污水管采用HDPE管。雨水管道管径d≤1 500时采用钢筋混凝土管, 管径d>1 500时采用箱涵^[3]。

钢筋混凝土管和HDPE管均采用弹性橡胶圈接口, 以增强管道接口处的变形能力。

本工程拟建设计地面标高均高于现状地面标高, 雨、污水管道现状地面下埋深均在5.5m以内, 场地也较空旷, 拟采用开槽埋管施工。

场地为人工吹填的海岛, 外海常规潮水位标高为1.5m, 地下水与海水的水力联系十分密切, 且有强透水层 (3) 层含生物碎屑角砾, 沟槽开挖时降水困难。故沟槽基底标高低于1.5m时, 采用拉森钢板桩支护并止水, 同时坑底采用2.5m厚压密注浆止水。沟槽基底标高高于1.5m时, 为了减少沟槽开挖对路基的影响, 管道埋深≤2.5 m时, 采用横列板支撑挖施工;2.5m<管道埋深<4m时, 采用钢板桩围护施工;管道埋深≥4m时, 采用拉森钢板桩围护施工。

由于场地地质变化较大, 且道路填方高度不一, 可能造成管道的不均匀沉降, 为减小不均匀沉降对管道接口的影响, 除采用柔性连接外, 拟增加管道基础的刚度以减少管道的沉降。

HDPE管采用200 mm厚3∶7砾石砂垫层, 中粗砂回填至管顶以上500 mm, 当管道位于水泥搅拌桩处理路段时, 砾石砂垫层加厚至400mm。HDPE管基础及管槽回填断面图如2所示。

钢筋混凝土管埋深≤5 m时, 采用120°钢筋混凝土基础, 中粗砂回填至管顶以上500mm;埋深>5m时, 采用180°钢筋混凝土基础, 中粗砂回填至管顶以上500mm。当管道位于水泥搅拌桩处理路段时, 基础C20素混凝土垫层下需另设300mm厚的碎石垫层, 以协调桩与桩之间土的变形。钢筋混凝土管基础及管槽回填断面如图3和图4所示。

根据排水布置, 雨水箱涵内径分别为1.5 m×1.5m、2.0 m×1.5 m、3.0 m×1.5 m、4.0 m×1.5m、4.0m×2.0 m, 为提高雨水箱涵整体刚度, 增强其抵抗不均匀沉降的能力, 雨水箱涵拟采用现浇钢筋混凝土结构, 每隔25m左右设缝, 缝两侧设上、下企口以协调相邻节段间变形, 如图5所示。箱涵基础及管槽回填断面如图6示。

考虑本工程场地广泛分布软弱土层, 地质均匀性较差, 雨、污水检查井拟采用刚度及整体性较好的现浇钢筋混凝土检查井。

由于检查井与管道对地基的附加应力不同, 两者间经常产生不均匀沉降, 检查井往往凸出路面, 对行车带来影响, 因此本工程对位于车行道下的检查井井盖采用分离式窨井盖座, 以协调检查井与周边道路的差异沉降, 减少检查井处的跳车现象, 从而保证行车的顺畅和安全。

检查井和管道的连接采用短管, 长度伸出井外壁750mm左右, 同时管道与检查井的接口按管材相应技术规程及管道施工及验收规范执行, 如图7和图8所示。管道与井接口处管底应垫实, 做法可参考《埋地塑料排水管道技术规程》 (CJJ 143—2010) 附录B。

基于以上案例表明, 排水管道设计虽然简单, 但因为地基条件不同, 施工方案差异很大, 直接影响施工难度和工程造价, 所以对于特殊地基条件下的排水管道必须要进行针对性的分析和设计。

人工吹填土地基设计中应充分考虑地基的特性, 对地基进行加固处理。在充分利用道路对地基处理成果的前提下, 综合考虑管材、管径和管道埋深等因素, 可以选择适当的管道基础形式和接口类型来控制不均匀沉降, 从而确保排水管道工程的设计质量。