北京新机场是“十二五”和“十三五”国家重点项目、首都重大标志性工程, 也是京津冀协同发展中交通先行、民航率先突破的重点工程。新机场选址位于永定河北岸, 北京市大兴区榆垡、礼贤和河北省廊坊广阳区之间, 距天安门广场直线距离约46km, 河北雄安新区55km, 北京行政副中心54km。新机场分期建设运行, 其中本期 (2020年) 规划用地面积约27.5km², 年旅客吞吐量约4 500万人次;近期 (2025年) 规划用地面积约28.8km², 年旅客吞吐量约7 200万人次;远期 (2040年) 规划用地面积约45.8km², 年旅客吞吐量约1亿人次。

　　 作为国家重点建设项目, 对市政基础设施采用高标准设计。考虑排水管材发展方向, 结合管材与基础结构特性, 对于管径<1 800 mm的雨水管道、雨水口支管、管顶覆土≤7 m的污水管道设计采用聚乙烯缠绕结构壁管 (B型) , 环刚度≥SN8, 接口采用承插口电热熔焊接连接。当6 m≤覆土深度≤7m时, 管道通过内支撑和侧向还土预变形法施工, 达到0.02 Do (管道计算直径) 预变形。北京新机场聚乙烯缠绕结构壁管总长度约100km。

　　 管径1 800mm及以上的雨水管道采用预制钢筋混凝土柔性接口企口管 (Ⅱ级) , 砂石垫层基础。在管径比较大的情况下, 接口焊接工作量大, 且在覆土特别浅时须计算车辆荷载, 大管径塑料排水管需要加内支撑或混凝土满包等措施, 增加施工的复杂程度。又根据管材与基础共同工作的结构特点, 管顶覆土>7 m的污水采用预制钢筋混凝土圆形管 (Ⅲ级) , 承插口接口管或柔性接口企口管, 混凝土基础, 更为经济合理。

　　 排水塑料管施工时, 管道四周需用中、粗砂回填, 回填压实度不低于90%, 基础部分开始到管顶以上0.5m必须采用人用回填, 轻型压实设备夯实。回填、夯实应分层对称进行, 每层回填土高度不应大于200mm, 不得单侧回填、夯实。管顶0.5m以上可采用机械回填压实时, 应从管道轴线两侧同时均匀进行回填, 并夯实。沟槽旁边与管道各部分所用回填土应符合设计和技术规范要求如下。

　　 (1) 施工管道砂基须执行设计文件要求:管道砂基是依据《给水排水工程管道结构设计规范》 (GB50332—2002) 、《埋地塑料排水管道工程技术规程》 (CJJ 143—2010) 、《埋地聚乙烯排水管管道工程技术规程》 (CECS 164∶2004) 等规范综合考虑并且依据计算而做出的设计, 砂基属于管道结构的一部分, 不得降低要求。又如果回填材料混入碎石或素土, 碎石或素土中的石子会在回填压实过程中硌坏管道。因此, 施工单位不得擅自改变砂基材料为碎石或素土等。

　　 (2) 管基的中、粗砂含泥量不得大于3%, 检验时参考相关施工规范。

　　 (3) 根据规范管材插入检查井内壁应大于30mm, 根据排水专业的意见, 为了不影响水流, 管材插入检查井内壁不应大于50mm。

　　 《给水排水管道施工及验收规范》 (GB 50268—2008) 、《埋地塑料排水管道工程技术规程》 (CJJ 143—2010) 、《排水管 (渠) 工程施工质量检验标准》 (DB 11—1071—2014) 等规范对排水塑料管回填变形检测都做出了规定。综合以上规范要求包括: (1) 管道变形检测在相同条件, 每100m测3处, 分别是起点、中间点、终点附近, 每处平行测2个断面; (2) 当管道内径≥800mm时, 可采用人工进入管内检测, 当管内径<800 mm时, 规范要求采用光学、电测等方法或心轴法进行检测; (3) 管道回填变形超标时, 需要根据超标量做相应返工处理。

　　 市场调查表明, 规范中提及的用于管道变形检测的光学、电测仪器等设备仪器, 目前市场上可成熟应用于工程检测的产品极少, 闭路电视多用于管道内部状态和内壁表面质量观测, 尚未有国内厂家开发变形检测功能, 小管径变形检测成为了一个工程检测的难题。本文针对新机场工程, 依据数学原理, 设计了一种用于测定DN<800mm的排水管变形简易方法。

　　 设计及技术规范要求管道全长变形均须检测, 技术规程中规定在100m范围内须至少检测3点。针对管道端口变形精确测量, 运用相似三角形原理设计制作了剪刀型检测尺;针对管道中间部位的变形检测, 应用曲率圆原理, 设计了等曲率球, 可近似检测管道中部的变形率。鉴于新机场排水工程井间设计距离不超过50m的具体情况, 可采用红外线测距仪、剪刀型检测尺和变形检测球相结合的检测方法。

　　 管道的变形检测仅在端口处意义不大, 需要考虑端口附近的情况, 以保证变形监测的准确性。

　　 根据管道施工的具体操作流程和常见问题, 管道变形主要考虑截面由圆形到椭圆形的变化, 故需检测截面变为椭圆形长轴和短轴的长度, 以短轴的长度来检测管道变形率是否合格。

　　 假设正常状态下管道的直径为D, 允许变形率为δ, 设计了剪刀尺来测量竖直方向上的高度, 设为H, 测量方法如下:

　　 (1) 若H<D (1-δ) , 则不合格。

　　 (2) 若H>D, 则需要测量水平方向的长度, 根据周长不变原理, 可估算水平长度H′, 若H′>D (1-δ) , 则检测合格, 否则检测不合格。计算过程如下:

　　 (其中a为长半轴, b为短半轴)

　　 (3) 若D (1-δ) <H<D, 则H′>D, 检测合格。

　　 剪刀型检测尺的测量原理如图1, 由垂点器、主测尺、三角尺3部分组成。其中, 垂点器是根据管道直径制作的等边三角形钢筋架外加线锤组成;主测尺长2m, 为了防止自身变形带来测量误差, 测尺采用304不锈钢方管制作, 并在尺上标定准确刻度;垂直测量采用三角尺。

　　 图1中, OB为主测尺, 其上标有准确刻度, OA为三角尺, 检测尺以O为轴心, 可以根据管道粗细变换∠AOB的大小。测量过程中, 在垂点器的作用下, 始终假设以下关系成立:A′B′⊥OB, AB⊥OB, 由相似三角形判定定理可知, ΔAOB相似于ΔA′OB′, 故, 即。

　　 检测时首先在管道口外利用圆心器将雨污水管道的垂直直径找出来 (由于管道端口处的变形量较小) , 然后将主尺沿管道垂直直径深入, 进入0.6 m及1.2m处, 在管口截面处用三角尺测量主尺打开的垂直距离, 根据相似三角形对应成比例原理计算得出管道垂直方向的直径, 根据测量方法进行判断。应用案例如下:

　　 假如管道直径D=800mm, 由剪刀型测量尺测得垂直直径h=260mm, 技术规程规定管道允许变形率为δ=3%, 则计算得属于第3种情况, 故检测合格。

　　 中部距离管口较长, 剪刀型检测尺不易测量, 根据曲率圆原理, 可设计等曲率球来检测变形是否合格。即以D (1-δ) 为直径制作曲率球, 若该曲率球能顺利通过相应管径的管道, 即为合格。这种曲率球我们简称检测球。

　　 检测球采用8Φ镀锌钢筋 (D≥600 mm采用10Φ) 参照地球经纬线焊制而成, 并用角磨机将焊渣打磨干净;在外圈一侧经线处系上尼龙绳, 检测时用来拉动检测球, 达到检测的目的。详见图2。

　　 检测球直径在制作过程中严格按照各直径管道制作, 即检测球直径D′=D (1-δ) 。以D=500mm为例, 代入公式D′=485mm。但考虑D为公称直径, 按照《埋地用聚乙烯 (PE) 结构壁管道系统第2部分;聚乙烯缠绕结构壁管材》 (GB 19472.3—2004) 7.3.2节D=500mm的最小平均值内径D_mm=490mm, 则实际制作时检测球直径为:D′=D_min (1-δ) =490× (1-3%) =475.3≈476 (mm) , 其他管径按照表1进行制作。

　　 根据要检测的排水管道选择好检测球后, 在检测段两端的检查井里分别安排一个工人, 到井里穿上钢丝到要检测的排水管道里, 直到钢丝从另一个检测井拉出井口为止。再把检测球牢牢系在尼龙绳上, 同时还系上尼龙绳, 以防检测球在管道中卡住, 通球顺利通过排水管道, 管道变形量符合规范要求。示意详见图3。

　　 红外测距仪亦称“红外光电测距仪”。以红外光为光源的相位式光电测距仪。通常采用砷化镓发光二极管为光源, 其强随注入的电信号而变化, 故兼有光源和调制器的双重功能。仪器具有体积小、重量轻、操作简便、测距速度快、精度高等优点。主要由调制光发射单元、接收单元、测相单元、计数显示单元、逻辑控制单元和电源变换器等部分组成。

　　 作业人员平身进入管内大约1.5m处, 首先将红外测距仪放在面前, 调好水平距离, 用右手按住机器上的红色三角键, 锁定要测定的目标, 再按一下就能对目标之间的距离进行观察, 机器上显示屏也会显示出距离的数值, 保存数值。作业人员退出管外。根据保存的数值计算管道内经, 变形率是否符合设计和技术规程要求。

　　 北京新机场作为国家重大基础设施工程, 承担着打造精品示范工程的社会责任。在排水管道设计选型中, 采用先进的聚乙烯缠绕结构壁管 (B型) , 总长约100km。

　　 针对管径小于800mm的聚乙烯缠绕结构壁管 (B型) 施工回填变形率工程检测方法不足的行业现状, 本文制定了一种红外线测距仪、测量尺或通球检测方法相结合的检测方法, 并对测量尺和检测球进行了设计。检测方法通过行业专家评审论证, 满足相关规范测量要求, 得到政府质量监督部门认可, 应用于北京新机场工程质量检测工作中。应用效果表明, 具有操作简便、适用性强的特点, 对类似工程具有一定的借鉴意义。