真空預(yù)壓軟土地基加固抽真空新技術(shù)的降本增效途徑研究

付 茜1 宋旭龍 于寶杰

(1.水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170；2.華北水利水電工程集團(tuán)有限公司，天津 300170)

1 項(xiàng)目概況

天津?yàn)I海旅游區(qū)南灣河道開(kāi)挖及岸線建設(shè)項(xiàng)目軟基處理工程面積大，工期緊。其中抽真空施工采用常規(guī)設(shè)備射流泵系統(tǒng)，設(shè)備用量多，電費(fèi)高,水下電纜用量大，水上作業(yè)維護(hù)費(fèi)用高，傳統(tǒng)方法無(wú)法解決施工成本高的難題。因此，施工單位通過(guò)開(kāi)展創(chuàng)新型QC課題進(jìn)行新方法研發(fā)，用技術(shù)創(chuàng)新提高抽真空效率，解決降本增效難題。

2 選擇課題

2.1 課題目標(biāo)設(shè)定

試驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，射流泵系統(tǒng)抽取水氣混合體比分別抽取水和氣電能損耗大，如果能實(shí)現(xiàn)水和氣分別抽取，即可減少施工成本。經(jīng)查詢(xún)，目前抽真空設(shè)備除射流泵系統(tǒng)外，無(wú)效率更高的設(shè)備可采用。

水和氣分別抽取的創(chuàng)新思維來(lái)源于注射器。豎起注射器輕推時(shí)，由于密度的不同只將上部氣體推出，吸取的藥劑沉積在下部，一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了水氣分離，技術(shù)核心點(diǎn)是針管處于真空狀態(tài)。

拉力器控制下，同樣拉力抽取相同容積液體時(shí)，計(jì)時(shí)器顯示水氣分離狀態(tài)用時(shí)至少縮短40%，說(shuō)明減少了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，節(jié)省了能源，提高了效率。因此，可以達(dá)到降低成本目的。

故確定課題為研發(fā)真空預(yù)壓軟土地基加固抽真空新技術(shù)。

按照公司要求本課題目標(biāo)為降低真空預(yù)壓工程施工成本8%(本工程為節(jié)約成本703萬(wàn)元)。

2.2 目標(biāo)可行性分析

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)可知，抽真空工序費(fèi)用占總成本的27.45%，抽真空工序射流泵系統(tǒng)電費(fèi)占總成本77.23%；研發(fā)新方法用時(shí)若減少40%，同等工況電能減少40%，假定其他因素不變，則電費(fèi)可減少40%。

經(jīng)計(jì)算可知，該工程總成本為8790萬(wàn)元，可節(jié)約成本744萬(wàn)元，若保留2% 富裕度，即研發(fā)新系統(tǒng)電費(fèi)減少38%時(shí)預(yù)計(jì)可節(jié)約總成本708萬(wàn)元，可滿足設(shè)定目標(biāo)要求。

3 提出方案并確定最佳方案

3.1 提出方案

為實(shí)現(xiàn)課題目標(biāo)，針對(duì)提高抽真空效率、減少設(shè)備數(shù)量提出了聯(lián)合抽氣法、水氣分離真空預(yù)壓法和黏土帷幕墻封閉法三種總體方案。

聯(lián)合抽氣法創(chuàng)新點(diǎn)是通過(guò)合并真空預(yù)壓區(qū)減少壓膜溝長(zhǎng)度，即減少透氣通道來(lái)提高射流泵抽真空效果。水氣分離真空預(yù)壓法創(chuàng)新點(diǎn)是研發(fā)水氣分別抽取及壓力傳導(dǎo)新方法，用不同的泵分別抽取水和氣，替代傳統(tǒng)方法中抽取水氣混合體效率不高的射流泵，達(dá)到設(shè)備的最佳工效。黏土帷幕墻封閉法創(chuàng)新點(diǎn)是用連續(xù)、均勻黏土帷幕墻使真空預(yù)壓處理區(qū)形成新的高密封系統(tǒng)，提高射流泵抽真空效率。

對(duì)上述三種總體方案從可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、有效性和技術(shù)難度方面進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

表1 總體方案比較與評(píng)價(jià)

通過(guò)分析，選定水氣分離真空預(yù)壓法為總體方案。

3.2 確定最佳方案

3.2.1 方案優(yōu)化

將水氣分離真空預(yù)壓法的不同設(shè)想用親和圖整理、歸納，將新方法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化為真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)、水氣分離裝置和真空泵三部分，見(jiàn)圖1。

圖1 方案優(yōu)化親和圖

3.2.2 方案分解

運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法將最佳方案水氣分離真空預(yù)壓法分解為真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)、研發(fā)水氣分離裝置和真空泵選型3個(gè)一級(jí)方案和材料選擇等9個(gè)二級(jí)方案，見(jiàn)圖2。

圖2 方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖

3.2.3 分級(jí)方案確定

3.2.3.1 布設(shè)真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)

a.布設(shè)原則。完成真空預(yù)壓濾管鋪設(shè)后，增加以水氣分離裝置為中心的輻射狀真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)，將抽真空負(fù)壓均勻傳遞到整個(gè)真空預(yù)壓處理區(qū)。壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)綁扎牢固，連接充分密實(shí)后將盲管埋入砂溝。

b.材料選擇。對(duì)50mm軟式PVC盲管和50mm鋼絲膠管從環(huán)剛度、扁平試驗(yàn)與通水量三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最適宜經(jīng)濟(jì)性良好的50mm軟式PVC盲管為真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)管材。

c.連接方式。通過(guò)PVC三通與鋼制三通試驗(yàn)對(duì)比，選擇拉伸強(qiáng)度、維卡軟化溫度、抗沖擊性能均滿足使用要求且經(jīng)濟(jì)性良好的PVC三通為壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)連接組件。

3.2.3.2 研發(fā)水氣分離裝置

a. 工作原理。軟土地基內(nèi)孔隙水和氣體被抽入密閉的水氣分離裝置內(nèi)，在重力作用下水體沉淀于裝置下部，由潛水泵專(zhuān)門(mén)抽排，氣體由真空泵通過(guò)抽氣口抽排并保證真空度。潛水泵專(zhuān)門(mén)抽水，真空泵專(zhuān)門(mén)抽氣，設(shè)備處于最佳工況，大幅提高工作效率。

b.材料選擇。將不銹鋼板材和Q235鋼板的力學(xué)性能、焊接性能與成本三方面進(jìn)行對(duì)比分析后，選用Q235鋼板制作裝置。

c.容積設(shè)計(jì)。綜合分析水氣分離裝置運(yùn)輸、安裝方法和真空預(yù)壓不同時(shí)段出水量等因素后， 選用設(shè)計(jì)容積為1.5m3的桶形結(jié)構(gòu)。

3.2.3.3 真空泵選型

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研選定抽真空效率高、耐久性好、性能穩(wěn)定，能滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作需要、造價(jià)低、維護(hù)費(fèi)用低的水環(huán)式真空泵。

確定的最佳方案為水氣分離真空預(yù)壓法，即研發(fā)水氣分離真空預(yù)壓抽真空新系統(tǒng)，該系統(tǒng)由壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)(放射狀布設(shè)、PVC三通連接的50mm軟式PVC管)、水氣分離裝置(容積為1.5m3、Q235鋼板制作桶狀裝置)和水環(huán)式真空泵組成。

4 制定對(duì)策

對(duì)確定的分級(jí)方案按“5W1H”原則制定對(duì)策表，見(jiàn)表2。

表2 對(duì) 策 表

5 對(duì)策實(shí)施

5.1 研制水氣分離裝置

根據(jù)裝置功能用途，確定水氣分離裝置結(jié)構(gòu)并繪制示意圖，見(jiàn)圖3，送設(shè)備廠制造。

圖3 水氣分離裝置結(jié)構(gòu)示意

經(jīng)檢測(cè)，水氣分離裝置密封性良好，達(dá)到了預(yù)期效果，且增加水位感應(yīng)器后能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

5.2 布設(shè)真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)

為保證設(shè)備數(shù)量減少時(shí)真空壓力均勻分布，特增加輻射形真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)(即盲管)，將水氣分離裝置產(chǎn)生的負(fù)壓均勻傳遞到真空預(yù)壓區(qū)，使真空壓力分布更為均勻，加固質(zhì)量更好。

5.3 真空泵選型

水環(huán)式真空泵依靠旋轉(zhuǎn)變?nèi)菪纬烧婵?，抽氣效率高，但不能直接抽吸大量?尤其是含有大量泥沙的水)。該泵的真空負(fù)壓滿足真空預(yù)壓地基加固要求，耐久性好，性能穩(wěn)定，滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作需要。通過(guò)調(diào)研分析，采用水環(huán)式真空泵。

6 效果檢查

6.1 成本效益

常規(guī)施工每900～1100m2安裝一套射流泵；新技術(shù)每8000～10000m2安裝一套水氣分離抽真空系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量、電纜及安裝費(fèi)用、管護(hù)成本大幅降低,新舊裝置現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比見(jiàn)圖4。

以南灣河道開(kāi)挖項(xiàng)目為例，真空預(yù)壓面積 82.92萬(wàn)m2，新系統(tǒng)降低總成本865.8萬(wàn)元，降幅9.85%。實(shí)現(xiàn)了降低工程施工成本8%的目標(biāo)。

6.2 質(zhì)量安全效益

新技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，減少人工水下作業(yè)不利因素對(duì)質(zhì)量的影響，便于管控。此外，創(chuàng)新布設(shè)的壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)使真空壓力分布更均勻，地基加固質(zhì)量更好。

圖4 傳統(tǒng)射流泵技術(shù)與新技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比

新技術(shù)的設(shè)備數(shù)量和水下電纜用量大幅減少，安全隱患大大降低。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本次創(chuàng)新型QC課題活動(dòng)，研發(fā)了真空預(yù)壓軟土地基加固抽真空工序施工的水氣分離真空預(yù)壓法替代傳統(tǒng)方法，獲得了傳統(tǒng)方法難以取得的經(jīng)濟(jì)效益；提高了工程施工質(zhì)量安全效益，提高了團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新意識(shí)和能力。本QC成果2018年獲得中國(guó)水利工程協(xié)會(huì)水利工程優(yōu)秀質(zhì)量管理小組一類(lèi)成果獎(jiǎng)(SLQC 20180401002)。

本成果通過(guò)總結(jié)、整理、存檔，提高了工程施工標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，用創(chuàng)新拓寬了降本增效途徑，實(shí)現(xiàn)了在同類(lèi)工程項(xiàng)目中的共享與推廣。