新型高效软基处理装置在真空预压工程中的应用

罗金佩

（天津港建设公司，天津 300461）

0 引言

从80年代初引进至国内的“真空预压法”地基处理工艺现阶段已较为普及，其打破了置换法、挤密砂桩法等工艺施工成本较高，操作繁琐等制约，大幅提高了地基加固的处理效果。

真空预压法的加固原理为：用不透气的封闭膜将加固区与外界大气隔绝，利用横向排水通道砂垫层和竖向排水通道塑料排水板，通过砂垫层内埋设的滤管作为吸水管路，利用抽真空装置进行抽气，使膜下形成真空、负压；使土体内部与排水通道、垫层之间形成有效压差，使土体中的孔隙水及间隙空气不断由竖向和横向通道排出，从而达到土体固结、增加地基有效应力的效果。

在真空预压施工中，由于抽真空使用的电量较大，成本消耗较高，如何减少耗电，提高施工效率，降低建设成本，一直是真空预压施工探寻的目标。新型抽真空处理装置从真空预压基本原理出发，在结构设备上进行改进，大大提高了能效比。

1 新型抽真空设备的特点

1.1 形成负压原理

传统抽真空装置是利用真空泵（射流泵）通过高强度、稳定地排出泵窝内循环水的方法，在膜下逐步形成真空，通过负压差将土体内的水、气混合物经射流器排出，达到土体固结的目的。

新型高效抽真空装置是利用大功率真空泵改变水气分离罐内的气体容量达到形成负压的作用，通过可控的负压调节将水气分离罐控制的加固区域形成稳定的负压差（负压值符合设计要求），利用负压差将土体内的水、气混合物排入水气分离罐中，将水和气分离，最后分别排出，以达到抽真空使土体固结的目的。

1.2 具体结构及工作方式

图1 水气分离罐结构示意简图

图2 水气分离罐下半部分埋设图

如图1，水气分离罐包括分别设置在密封膜上下的两部分相连罐体，下半部分在打板后需预埋入地下（图2），可以减小进水阻力，提高膜下真空度，便于罐膜密封，利于膜上压载水，便于安装与维修；上半部分罐体侧壁分别与水气混合管、吸气管路和排水管连接。其中吸气管路上设有电磁阀和截止阀，水气混合管和排水管上均设有截止阀；下半部分罐体内部设有2个水泵：1号和2号排水泵，并联设置，每个水泵通过设有单向阀的出水管路与排水管串连。所设置的截止阀、单向阀均是为保证在抽气过程中出现问题或不抽真空的条件下，系统自动密闭，防止回流、降压。

施工过程中，真空泵组通过吸气管路抽气产生吸力，使水气分离罐内部产生负压，经排水通道将地基中的水和一部分气体通过水气混合管吸入至水气分离罐；在罐内通过沉淀进行水气分离，罐内2个排水泵并联，各设有水位控制高、低点（2号泵的控制低点高于1号控制高点），水位升至其高点时自动启动排水，降至其低点时自动停止排水，排水泵一备一用、交替工作，吸气管路上的电磁阀可自动调节罐内水位，如此循环排水。气体通过真空泵组合排出，如此循环，将软土地基中的水气处理直至符合使用的需求。真空泵组可根据真空度的大小，自动调整其功率，达到节能的目的。

1.3 与传统设备的分析比较

传统抽真空装置是通过控制电闸箱的开启关闭控制调节射流泵的工作数量，电箱布置分散，人员投入大，操作麻烦；其中单台射流泵的功率为7.5 kW。而新型抽真空装置将传统设备用电三级控制（总配电箱、分配电箱、电闸箱）中的电闸箱改为控制室。在集中控制室中，通过开关按钮控制几个不同的大功率真空抽气泵，其中单台真空泵的功率为56 kW，采用不同的排列组合即可调整功率大小，可以逐步开启，功率逐步提高至达到设计要求，操作简便，大大减少人力投入。

传统抽真空设备造价低廉，布置射流泵操作简易。射流泵结构简单，真空度较易控制，更换设备方便。由于射流泵是通过抽排循环水产生真空吸力然后将水和气混合喷出，因此在以往的真空预压工程施工中易存在以下问题：

1） 大量的电能用在射流泵抽排循环水上，电能浪费较严重，耽误工作进程，耗费大量能源，浪费人力物力。

2） 真空射流泵采取单向工作性，其电缆布设密集，需求量较大。

3） 由于加固区域需进行膜上覆水，而膜上布设的大量电缆容易造成安全隐患。

4）若射流泵损坏需进行更换，关闭真空阀门不及时，中间的时间差容易造成区内覆水回流至膜下，压力降低，影响施工质量。

新型高效软基处理设备在结构上进行改进，采用真空泵将软基中的水气混合物吸入水气分离罐，经过分离从各自通道分别排出，解决了传统设备存在的问题。

1） 节能，大幅提高能效。新型设备通过改变气体容量形成真空，效率提高，节省大量的电能。

2） 结构紧凑，操作便捷，降低成本。真空泵、控制器等均位于集控室，设备结构紧凑，集中控制，可多档调节，操作简便，大大减少了电缆的投入，降低人力物力，节约成本，节能减排。而且每个水气分离罐均设有传感器，通过信号传输线与集控室数据采集器相连，每分钟采集1次膜下压力，可连续记录并储存720 d以上的数据。

3） 由于真空泵均在集中控制室中，电路少，加固区中电缆的布设比较单一，安全系数相应提高。

4） 各个管路上均设有截止阀，方便更换，且在吸气管路、排水管、出水管上均设有单向阀，并且多级开关控制均在集控室中，在出现问题及设备管路更换时可以及时发现，迅速关闭，有效防止覆水回流，保证了压力稳定，提高施工效率。

2 新型抽真空设备工程实例

天津港国际邮轮母港地基加固一期工程位于天津港东疆港区（如图3），加固区域天然泥面以上采用吹填方式形成陆域，属超软土地基。由上至下主要为①吹填土层（贝壳、淤泥）、②淤泥质粉质黏土、③淤泥、④淤泥质黏土、⑤粉质黏土，上部三层土多为流塑状态，高压缩土层。

工程分为9个区，其中加固1、6～7区为真空预压区，其中1区采用传统抽真空设备，6～7区采用新型高效抽真空设备进行抽气加固。根据沉降推算的固结度统计情况看，3个区各区平均固结度为85%～86%，各项指标均满足规范和设计要求。

图3 天津港邮轮母港地基加固一期工程平面图

在工程抽真空施工中，1区膜下压力保持在85.9 kPa，而6区和7区膜下压力稳定保持在88 kPa，负压值相对高；同时为保证抽气效果，采用新设备的2个区抽气量达到传统设备抽气量的2.6倍；6～7区共用1个电表，加固1区用1个电表，各分区的实际用电情况见图4。

图4 用电量统计比较曲线图

根据各分区实际用电统计数据，可以看出压力稳定后采用传统工艺的1区用电量平均约3 400度/d，而采用新型设备的6～7区仅为约2 100度/d；采用新型抽气设备的两个区实际总用电量较一个传统工艺区仍节省约41%，核算为一个新设备加固区相对传统工艺区节能约70%。计算分析；采用传统设备抽气，每m2的耗电量为0.16度/d，而采用新型节能设备抽真空，每m2的耗电量仅为0.05度/d。

传统抽真空设备的能效比一般不超过27%，而新型高效软基处理设备理论上较传统设备可节约电能约84%，在抽气量达2～3倍的条件下仍可节能65%以上。大幅度提高了能耗比、节约成本。

3 结语

新型高效软基处理装置在天津港邮轮母港地基加固一期工程中试验成功，说明了新型设备可以达到传统工艺设备抽气的加固质量，满足设计施工要求；同时体现了其施工方便，操作便捷，减少人力物力，降低成本，提高能效等优势。在今后的地基处理工程中必定能取代现有传统抽真空设备，得到推广使用。

[1] 李彰明.软土地基加固的理论、设计与施工[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2] 毛振祥，张长忠.一种软基处理装置：中国，ZL200920216628[P].2010-05-19.

[3] 天津港国际邮轮母港地基加固一期工程监测报告[R].天津：天津大学水运水利勘察设计研究所，2010.