新型高效軟基處理裝置在真空預(yù)壓工程中的應(yīng)用

羅金佩

（天津港建設(shè)公司，天津 300461）

0 引言

從80年代初引進(jìn)至國(guó)內(nèi)的“真空預(yù)壓法”地基處理工藝現(xiàn)階段已較為普及，其打破了置換法、擠密砂樁法等工藝施工成本較高，操作繁瑣等制約，大幅提高了地基加固的處理效果。

真空預(yù)壓法的加固原理為：用不透氣的封閉膜將加固區(qū)與外界大氣隔絕，利用橫向排水通道砂墊層和豎向排水通道塑料排水板，通過(guò)砂墊層內(nèi)埋設(shè)的濾管作為吸水管路，利用抽真空裝置進(jìn)行抽氣，使膜下形成真空、負(fù)壓；使土體內(nèi)部與排水通道、墊層之間形成有效壓差，使土體中的孔隙水及間隙空氣不斷由豎向和橫向通道排出，從而達(dá)到土體固結(jié)、增加地基有效應(yīng)力的效果。

在真空預(yù)壓施工中，由于抽真空使用的電量較大，成本消耗較高，如何減少耗電，提高施工效率，降低建設(shè)成本，一直是真空預(yù)壓施工探尋的目標(biāo)。新型抽真空處理裝置從真空預(yù)壓基本原理出發(fā)，在結(jié)構(gòu)設(shè)備上進(jìn)行改進(jìn)，大大提高了能效比。

1 新型抽真空設(shè)備的特點(diǎn)

1.1 形成負(fù)壓原理

傳統(tǒng)抽真空裝置是利用真空泵（射流泵）通過(guò)高強(qiáng)度、穩(wěn)定地排出泵窩內(nèi)循環(huán)水的方法，在膜下逐步形成真空，通過(guò)負(fù)壓差將土體內(nèi)的水、氣混合物經(jīng)射流器排出，達(dá)到土體固結(jié)的目的。

新型高效抽真空裝置是利用大功率真空泵改變水氣分離罐內(nèi)的氣體容量達(dá)到形成負(fù)壓的作用，通過(guò)可控的負(fù)壓調(diào)節(jié)將水氣分離罐控制的加固區(qū)域形成穩(wěn)定的負(fù)壓差（負(fù)壓值符合設(shè)計(jì)要求），利用負(fù)壓差將土體內(nèi)的水、氣混合物排入水氣分離罐中，將水和氣分離，最后分別排出，以達(dá)到抽真空使土體固結(jié)的目的。

1.2 具體結(jié)構(gòu)及工作方式

圖1 水氣分離罐結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

圖2 水氣分離罐下半部分埋設(shè)圖

如圖1，水氣分離罐包括分別設(shè)置在密封膜上下的兩部分相連罐體，下半部分在打板后需預(yù)埋入地下（圖2），可以減小進(jìn)水阻力，提高膜下真空度，便于罐膜密封，利于膜上壓載水，便于安裝與維修；上半部分罐體側(cè)壁分別與水氣混合管、吸氣管路和排水管連接。其中吸氣管路上設(shè)有電磁閥和截止閥，水氣混合管和排水管上均設(shè)有截止閥；下半部分罐體內(nèi)部設(shè)有2個(gè)水泵：1號(hào)和2號(hào)排水泵，并聯(lián)設(shè)置，每個(gè)水泵通過(guò)設(shè)有單向閥的出水管路與排水管串連。所設(shè)置的截止閥、單向閥均是為保證在抽氣過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題或不抽真空的條件下，系統(tǒng)自動(dòng)密閉，防止回流、降壓。

施工過(guò)程中，真空泵組通過(guò)吸氣管路抽氣產(chǎn)生吸力，使水氣分離罐內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，經(jīng)排水通道將地基中的水和一部分氣體通過(guò)水氣混合管吸入至水氣分離罐；在罐內(nèi)通過(guò)沉淀進(jìn)行水氣分離，罐內(nèi)2個(gè)排水泵并聯(lián)，各設(shè)有水位控制高、低點(diǎn)（2號(hào)泵的控制低點(diǎn)高于1號(hào)控制高點(diǎn)），水位升至其高點(diǎn)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)排水，降至其低點(diǎn)時(shí)自動(dòng)停止排水，排水泵一備一用、交替工作，吸氣管路上的電磁閥可自動(dòng)調(diào)節(jié)罐內(nèi)水位，如此循環(huán)排水。氣體通過(guò)真空泵組合排出，如此循環(huán)，將軟土地基中的水氣處理直至符合使用的需求。真空泵組可根據(jù)真空度的大小，自動(dòng)調(diào)整其功率，達(dá)到節(jié)能的目的。

1.3 與傳統(tǒng)設(shè)備的分析比較

傳統(tǒng)抽真空裝置是通過(guò)控制電閘箱的開(kāi)啟關(guān)閉控制調(diào)節(jié)射流泵的工作數(shù)量，電箱布置分散，人員投入大，操作麻煩；其中單臺(tái)射流泵的功率為7.5 kW。而新型抽真空裝置將傳統(tǒng)設(shè)備用電三級(jí)控制（總配電箱、分配電箱、電閘箱）中的電閘箱改為控制室。在集中控制室中，通過(guò)開(kāi)關(guān)按鈕控制幾個(gè)不同的大功率真空抽氣泵，其中單臺(tái)真空泵的功率為56 kW，采用不同的排列組合即可調(diào)整功率大小，可以逐步開(kāi)啟，功率逐步提高至達(dá)到設(shè)計(jì)要求，操作簡(jiǎn)便，大大減少人力投入。

傳統(tǒng)抽真空設(shè)備造價(jià)低廉，布置射流泵操作簡(jiǎn)易。射流泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，真空度較易控制，更換設(shè)備方便。由于射流泵是通過(guò)抽排循環(huán)水產(chǎn)生真空吸力然后將水和氣混合噴出，因此在以往的真空預(yù)壓工程施工中易存在以下問(wèn)題：

1） 大量的電能用在射流泵抽排循環(huán)水上，電能浪費(fèi)較嚴(yán)重，耽誤工作進(jìn)程，耗費(fèi)大量能源，浪費(fèi)人力物力。

2） 真空射流泵采取單向工作性，其電纜布設(shè)密集，需求量較大。

3） 由于加固區(qū)域需進(jìn)行膜上覆水，而膜上布設(shè)的大量電纜容易造成安全隱患。

4）若射流泵損壞需進(jìn)行更換，關(guān)閉真空閥門不及時(shí)，中間的時(shí)間差容易造成區(qū)內(nèi)覆水回流至膜下，壓力降低，影響施工質(zhì)量。

新型高效軟基處理設(shè)備在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，采用真空泵將軟基中的水氣混合物吸入水氣分離罐，經(jīng)過(guò)分離從各自通道分別排出，解決了傳統(tǒng)設(shè)備存在的問(wèn)題。

1） 節(jié)能，大幅提高能效。新型設(shè)備通過(guò)改變氣體容量形成真空，效率提高，節(jié)省大量的電能。

2） 結(jié)構(gòu)緊湊，操作便捷，降低成本。真空泵、控制器等均位于集控室，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，集中控制，可多檔調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)便，大大減少了電纜的投入，降低人力物力，節(jié)約成本，節(jié)能減排。而且每個(gè)水氣分離罐均設(shè)有傳感器，通過(guò)信號(hào)傳輸線與集控室數(shù)據(jù)采集器相連，每分鐘采集1次膜下壓力，可連續(xù)記錄并儲(chǔ)存720 d以上的數(shù)據(jù)。

3） 由于真空泵均在集中控制室中，電路少，加固區(qū)中電纜的布設(shè)比較單一，安全系數(shù)相應(yīng)提高。

4） 各個(gè)管路上均設(shè)有截止閥，方便更換，且在吸氣管路、排水管、出水管上均設(shè)有單向閥，并且多級(jí)開(kāi)關(guān)控制均在集控室中，在出現(xiàn)問(wèn)題及設(shè)備管路更換時(shí)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，迅速關(guān)閉，有效防止覆水回流，保證了壓力穩(wěn)定，提高施工效率。

2 新型抽真空設(shè)備工程實(shí)例

天津港國(guó)際郵輪母港地基加固一期工程位于天津港東疆港區(qū)（如圖3），加固區(qū)域天然泥面以上采用吹填方式形成陸域，屬超軟土地基。由上至下主要為①吹填土層（貝殼、淤泥）、②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③淤泥、④淤泥質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土，上部三層土多為流塑狀態(tài)，高壓縮土層。

工程分為9個(gè)區(qū)，其中加固1、6～7區(qū)為真空預(yù)壓區(qū)，其中1區(qū)采用傳統(tǒng)抽真空設(shè)備，6～7區(qū)采用新型高效抽真空設(shè)備進(jìn)行抽氣加固。根據(jù)沉降推算的固結(jié)度統(tǒng)計(jì)情況看，3個(gè)區(qū)各區(qū)平均固結(jié)度為85%～86%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

圖3 天津港郵輪母港地基加固一期工程平面圖

在工程抽真空施工中，1區(qū)膜下壓力保持在85.9 kPa，而6區(qū)和7區(qū)膜下壓力穩(wěn)定保持在88 kPa，負(fù)壓值相對(duì)高；同時(shí)為保證抽氣效果，采用新設(shè)備的2個(gè)區(qū)抽氣量達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)備抽氣量的2.6倍；6～7區(qū)共用1個(gè)電表，加固1區(qū)用1個(gè)電表，各分區(qū)的實(shí)際用電情況見(jiàn)圖4。

圖4 用電量統(tǒng)計(jì)比較曲線圖

根據(jù)各分區(qū)實(shí)際用電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以看出壓力穩(wěn)定后采用傳統(tǒng)工藝的1區(qū)用電量平均約3 400度/d，而采用新型設(shè)備的6～7區(qū)僅為約2 100度/d；采用新型抽氣設(shè)備的兩個(gè)區(qū)實(shí)際總用電量較一個(gè)傳統(tǒng)工藝區(qū)仍節(jié)省約41%，核算為一個(gè)新設(shè)備加固區(qū)相對(duì)傳統(tǒng)工藝區(qū)節(jié)能約70%。計(jì)算分析；采用傳統(tǒng)設(shè)備抽氣，每m2的耗電量為0.16度/d，而采用新型節(jié)能設(shè)備抽真空，每m2的耗電量?jī)H為0.05度/d。

傳統(tǒng)抽真空設(shè)備的能效比一般不超過(guò)27%，而新型高效軟基處理設(shè)備理論上較傳統(tǒng)設(shè)備可節(jié)約電能約84%，在抽氣量達(dá)2～3倍的條件下仍可節(jié)能65%以上。大幅度提高了能耗比、節(jié)約成本。

3 結(jié)語(yǔ)

新型高效軟基處理裝置在天津港郵輪母港地基加固一期工程中試驗(yàn)成功，說(shuō)明了新型設(shè)備可以達(dá)到傳統(tǒng)工藝設(shè)備抽氣的加固質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)施工要求；同時(shí)體現(xiàn)了其施工方便，操作便捷，減少人力物力，降低成本，提高能效等優(yōu)勢(shì)。在今后的地基處理工程中必定能取代現(xiàn)有傳統(tǒng)抽真空設(shè)備，得到推廣使用。

[1] 李彰明.軟土地基加固的理論、設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2] 毛振祥，張長(zhǎng)忠.一種軟基處理裝置：中國(guó)，ZL200920216628[P].2010-05-19.

[3] 天津港國(guó)際郵輪母港地基加固一期工程監(jiān)測(cè)報(bào)告[R].天津：天津大學(xué)水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究所，2010.