某道路工程污水管道塌陷事故的原因分析

鄧宗梁

福建省建筑科學研究院有限責任公司；福建省綠色建筑技術重點實驗室

1 引言

玻璃纖維增強塑料夾砂管俗稱玻璃鋼夾砂管，簡稱FRPM管，是以玻璃纖維及其制品為增強材料，以不飽和聚酯樹脂等為基體材料，以石英砂及碳酸鈣等無機非金屬材料為填料，采用定長纏繞工藝、離心澆筑工藝、連續纏繞工藝等方法制成的管道[1]。具有輕質高強、耐腐蝕性好、耐溫性好、水力性優異以及輸送流量大等特點，在給排水、水利工程和農田灌溉中廣泛使用，也是化工行業、管線工程的最好選擇。

FRPM 管屬柔性管道，在埋地工程中管道和周圍的土壤（即回填土）產生“管土共同作用”，管土共同受力，故施工回填的質量一定要得到保證才能滿足設計及使用要求，若施工回填的某個節點出現問題，導致管道施工的質量得不到保證，有可能會使管道出現變形、滲漏、開裂、脫層等現象，情形嚴重的則會造成管道塌陷事故[2]。

2 事故簡述

某道路污水管道工程于2015年10月4日開工，2016年1月3日完工，采用FRPM 管，管道坡度0.08%，最大設計充滿度0.75（即管道內水深為1.35m），管內底標高為-0.976m～-0.942m 之間，環剛度≥15kN/m2，最大豎向變形大于3%，接口采用橡膠圈接口。管基為砂石墊層，檢查井為鋼筋混凝土井。于2016 年3 月開始通水，2018年以來污水收集量急劇增加，已接近某污水處理廠的設計處理能力，加上該廠自身生產運行的原因，造成該工程某段DN1600—DN1800 污水主干管運行水位經常保持在標高2.5m～4.6m之間，運行水位較高。

2019年8月15日12時34分，污水處理廠中控系統PLC系統突發故障，導致膜池部分廊道停產，造成管道水位升高，使得該工程某段的污水井產生抬蓋及污水溢流的現象。當日下午3點半左右發現道路樁號YK0+130～YK0+140 圍墻下（污水井編號34～35之間）土方塌陷，2019年8月19日原塌陷部位東側出現二次塌陷。該段井段長42m，共分4 節管，從上游至下游管長度分別為6m、12m、12m、12m，編號分別為1#、2#、3#、4#，見圖1所示?，F場經開挖，各管節的損壞情況為，1#管節外壁完好，但內壁頂部、底部側邊出現多條裂紋，頂部有折皺，底部有鼓包，且內壁基本也開始脫落；2#管節變形較小，但也整根開裂，管節頂部纖維纏繞層脫落嚴重；3#管節完全塌陷，管道回填砂全部流失；4#管節頂部有變形、開裂，有污水從頂部滲出，管節內側頂部發現纖維纏繞層脫落下陷。管道回填情況為管槽頂部主要回填雜填土，管頂回填有1m～1.2m深的中粗砂，損壞管段砂層存在一定的流失，管道兩側及管底均有中粗砂回填，但管基底部碎石回填不均勻，管底持力層基本進入細砂層。管材斷面情況為，存在樹脂砂漿層分開為兩層，每層厚約17mm，中間隔一層纖維纏繞層。

圖1 管節編號示意圖

3 事故原因分析

3.1 直接原因，管道長期超負荷工作

2018 年以來污水收集量急劇增加，加上污水處理廠自身生產運行的原因，造成該工程某段DN1600—DN1800 污水主干管運行水位經常保持在標高2.5m～4.6m之間，運行水位較高，管內底標高為-0.976m～-0.942m 之間，管道最大設計充滿度為0.75（即管道內水深為1.35m，標高為0.374m～0.408m 之間），故2018年以來該管道長期處于超負荷的工作狀態，受到的內壓（水壓，即內水壓力）較大，對管道管壁和接頭造成了影響。最終因2019年8月15日12時34分污水處理廠突發故障，管道水位升高水壓增大，壓力超過了管道所能承受的極限，于當日下午3點半左右在樁號YK0+130～YK0+140 圍墻下（污水井編號34～35 之間）發生管道塌陷事故，并引發了二次塌陷。

可推測，2018年污水收集量急劇增加以來，管道處于超負荷的工作狀態，所受內水壓力較大，造成了管道管壁開裂和接頭滲水的現象，且這一現象估計是2018年污水收集量急劇增加以來長期存在的，這一點，可以從1#、2#、3#、4#管節的損壞情況可以證明，其中3#管節完全塌陷，塌陷前其管壁肯定也是開裂的，故1#～4#管節都有管壁開裂的情況，說明了管道在滿管且較高的水位（水壓力）作用下造成了管壁開裂，管道最大設計充滿度為0.75（即管道內水深為1.35m），水位的設計標高應≤0.408m，而該污水主干管運行水位經常保持在標高2.5m～4.6m之間，運行水位超出設計水位的5～10 倍。同時，也可以推測在3#、4#管節及其接頭滲水較其他管節及其接頭滲水嚴重，隨著滲水加劇（污水處理廠突發故障，管道水位升高水壓增大，致使滲水加?。斐苫靥钌暗牧魇?，管土共同作用失效，破壞了之前的平衡，回填砂流失嚴重處管道不堪重負最終完全塌陷。

3.2 間接原因，施工回填質量、管道質量以及管道的管養等

3.2.1 施工回填質量

該工程使用的管道為FRPM管，屬于柔性管道，在外壓負載下管材和周圍的土壤（回填材料）產生‘管土共同作用’，換句話說，是管材和周圍土壤（回填材料）共同來承受外壓負載。決定塑料埋地排水管鋪設后能否正常工作的‘負載’、‘管材’和‘土壤（回填）’三個參數都很重要，而且相互影響。所以環剛度的選擇不僅取決于外壓負載的情況還取決于鋪設后管道周圍土壤（回填材料）的情況[3]。根據世界各國的經驗，塑料埋地排水管在外壓負載下是否能夠安全使用的因素中，鋪設情況是最主要的[4]。但是，要保證鋪設情況良好并不容易做到，同時成本也較高。

道路鋪設質量主要取決于施工回填的質量，故施工回填質量是關鍵。該工程存在管基底部碎石回填不均勻，管底持力層基本進入細砂層的現象，管槽回填施工不規范。另外，如果在管道頂部回填砂厚度和兩側回填砂壓實度不滿足要求時，就過早的采用機械上去碾壓，機械的振動力和沖擊力的作用下對管道的影響較大，也可能造成管道變形開裂甚至塌陷。一般，施工回填不規范造成管道變形開裂而破壞的在運行早期就會發生，但也有個別在回填完成后變形較小，隨著時間推移，管道變形逐漸加大直至開裂、塌陷等。

3.2.2 管道質量

管材質量是整個市政給排水管道工程中最為重要的一個部分，一旦管材的質量不合格，不論技術人員設計的市政給排水管道多科學多合理，在建設完成后，在極其短的時間內就會發生管道的泄露、變形、開裂等諸多問題，由于管道鋪設在地下，進行維修困難度高，維修成本高，所以在進行給排水管道鋪設前必須要對管材進行檢查，必須符合國家標準規范，杜絕使用不合格的管材，降低工程成本[5]。管道質量問題，一般也是在運行早期就容易發現。

該工程的FRPM管執行GB/T 21238-2016國家標準，開挖后發現現場管道損壞嚴重，存在變形、開裂、纖維纏繞層分層和脫落等現象，不能排除是因管道質量問題造成的。一般，管道質量把控，應重點關注其剛度、柔性以及韌性等技術指標是否滿足設計或相應標準的要求，對于在軸向上存在拉伸載荷的管道，還應關注其拉伸性能指標是否滿足要求，均符合要求后方可使用。故只進行環剛度檢驗是不夠的，單單只有環剛度滿足要求的管道是不保險不安全不可靠的。

3.2.3 管道管養

管道日常管養不及時或缺乏管養，管道的淤積未能及時清理造成排水不暢，或存在滲水點未能及時發現和修復，這樣長時間影響管道，會有引發管道變形、開裂、破壞甚至塌陷的可能，故管道的管養很重要，不能忽視。

4 結束語

FRPM 管比普通PVC、PE 等塑料管道有更好剛性，剛度較高，同時也具有一定的柔性和韌性，且耐腐蝕性和耐溫性好、水力性優異、輸送流量大等，廣泛在排水管道工程中使用，為避免質量事故，應使用質量合格的管道。文中以某道路玻璃鋼夾砂污水管道工程的塌陷事故為例，分析出管道塌陷的直接原因是其長期超負荷工作造成的，間接原因可能是由于施工回填質量不規范、管道質量不合格以及管道管養不及時或缺乏管養等方面引發的。所以，類似工程應規范施工保證施工質量，嚴格把控管道質量，嚴禁以次充好；同時，管道正常工作期間，應嚴禁超負荷工作，并應及時進行管養，及時清淤、補漏、修復等，避免事故發生。