淺談增壓式真空預壓在廣珠鐵路珠海西站工程中的創新及應用

【摘 要】本文介紹了一種新型的真空預壓處理技術——增壓式真空預壓在廣珠鐵路珠海西站軟基處理工程中的創新、變革及應用情況。鑒于該地區復雜的海相淤泥沉積層地質條件，通過對常規真空預壓排水系統的改進、增壓系統的研制，變開放式排水系統為密閉式排水系統，引入增壓系統促進后期預壓效果。并通過在珠海西站現場對創新改進工藝的實施效果表明，增壓式真空預壓使軟基進行快速固結，在有限工期內大幅度提高地基強度及固結深度，大大減少工后沉降，實現了改進的預期目標。

【關鍵詞】增壓式真空預壓；珠海西站；創新及應用

On the supercharged vacuum preloading

in Zhuhai, Guangzhou-Zhuhai railway station project in West Innovation and Application

Yuan Hai-chun

(Guangzhou-Zhuhai Railway Co., Ltd Guangzhou Guangdong 510620)

【Abstract】This paper introduces a new type of vacuum preloading technology —— supercharged vacuum preloading in Zhuhai, Guangzhou-Zhuhai Railway West Station soft ground treatment works in innovation, transformation and application. Given the complexity of the marine silt sediments geological conditions in the region, through the conventional vacuum preloading drainage system improvements, developed supercharging system, drainage system becomes open to closed drainage system, pressurization system to promote the introduction of post-preload effect . Through the innovative process improvements and implementation of the results showed that in Zhuhai West Station site, supercharged vacuum preloading the soft base for rapid consolidation, limited the period of substantial increase in strength and consolidation of foundation depth, greatly reduce the settlement, achieve improved target.

【Key words】Supercharged vacuum preloading;Zhuhai West Station;Innovation and application

1. 前言

（1）排水固結法是處理軟土地基的一種有效方法，其原理是利用天然地基土層本身的透水性或者設置在地基中的豎向排水體，通過地表加載預壓（真空預壓）使土體中的孔隙水排出。排水固結法由排水系統和加壓系統兩部分組成，目前常用的方法有塑料排水板真空預壓法、袋裝砂井真空——堆載聯合預壓法、袋裝砂井——堆載預壓法、塑料排水板堆載預壓法、動靜結合排水固結法等。

（2）珠三角西翼經濟十分發達，但一直沒有建成鐵路，其中一個主要的原因就是該地區復雜的海相淤泥沉積層地質狀況。廣珠鐵路2008年開工以來在原鐵道部鑒定中心專家的指導下進行了為期半年的攪拌樁試驗，但最終由于在復雜地質條件下達不到鐵路線路的強度變形要求，最終大部分地段改為橋梁形式通過，從而使工程造價大大提高。

（3）珠海西站地處圍海造塘而成海塘中，軟土深度厚且強度低，而貨運站場區域大且到發線長度長等特點，采用高架車站形式時其造價可能是一個不小的數目；在同一區域內攪拌樁試驗失敗經歷對站場路基原定的真空預壓排水固結工藝能否滿足鐵路加固要求也成了一個未知數。

（4）真空預壓技術手段改進方面主要包括豎向排水體、橫向排水體的改進、聯合堆載的應用及配合動力固結手段進行加固；通過對工藝現狀的總結、分析、歸納，并結合珠海西站實際的工程問題，認為排水固結法存在以下兩點問題需要進一步創新改進：鑒于復雜地質條件下常規塑料排水板排水效果不佳，需要著手研究解決排水板的排水效果；鑒于常規的真空預壓的橫向排水系統為開放式系統，需要研發一整套密閉式排水系統，以加強真空預壓的效果。

（5）為此，在廣珠鐵路珠海西站站場區域引入改進的增壓式真空預壓地基加固工藝。增壓式真空預壓的特點是真空預壓排水固結過程的同時，在豎向排水通道（塑料排水板）間部分土體進行均勻加壓加速其排水固結的過程。

2. 工藝創新研究

由于增壓式真空預壓為一項新型技術，也沒有形成成套的施工工藝，因此在珠海西站施工過程中著重對相關的關鍵技術進行研究，研究內容包括：排水系統改進、增壓系統的研制。

2.1 排水系統改進研究。

2.1.1 排水系統構成。真空排水系統由豎向排水通道、橫向排水通道、密封體系及抽真空設備組成。

2.1.2 常規式真空預壓工作原理。

（1）常規式真空預壓所采用的排水系統是一個開放系統，地基土中的水分在壓差的作用下滲透進入排水板內，通過排水板頂進入砂墊層，砂墊層中水分逐漸飽和，通過支濾管上的滲水孔進入支濾管，匯入主管，最后通過與主管相連的真空泵排出。由于豎向排水通道和橫向排水通道是分離的，所以常規式真空預壓的真空排水系統不是一個密閉的系統。

（2）通常橫向排水通道主要由主管、支濾管及砂墊層組成。主管直徑=75mm，支濾管直徑=50 mm，支濾管上布設=8 mm的濾水孔、間距8cm，呈三角形排列，同時外包土工布，主要起到從砂墊層濾水進支濾管作用。主管與支管間用變徑的三通或四通接頭連接，同管徑的對接采用軟接頭，外用鐵絲捆緊。

（3）密封體系主要由加固區域四周的密封溝及加固區域上鋪設的二層密封膜組成，密封膜四周通過埋入密封溝在加固區域形成一個完善的密封體系，確保在真空泵的作用下真空系統維持600mmHg真空度（即預壓荷載80KPa）。

（4）抽真空設備一般選取功率為7.5KW的真空泵，是真空系統產生600mmHg真空度的動力來源。

2.1.3 常規式真空預壓排水系統的不足。常規式真空預壓雖然是一種比較合適的處理大面積軟基的方法，查閱相關資料和施工過程后發現常規真空預壓的排水系統存在以下不足：

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(1)豎向排水通道即塑料排水板的通水性能隨著抽真空進行大大降低。通過大量現場經驗證明，在真空預壓抽真空進行到50天左右時間，真空泵出水量已大大減少，我們分析塑料排水板的通水性減弱是最主要的原因之一。塑料排水板長期被淤泥質土包裹，淤泥對塑料排水板表層濾膜影響很大，導致濾膜的滲透系數大大降低，同時在抽真空過程中地基土發生沉降變形后使排水板產生一定的彎折，從而導致塑料排水板通水量大大下降。

(2)橫向排水通道即濾管通水性能隨著抽真空進行大大降低。濾管埋設在砂墊層中，濾管表面的小孔及土工布長期浸泡在含水砂墊層之中，被砂粒堵塞，土工布通水性能下降造成了橫向排水通道通水性能的大大降低。

(3)橫向排水通道主、支濾管均為硬性PVC管，不均勻的沉降變形產生的彎折將影響管路系統的排水性能。

(4)真空度的開放性。常規式真空預壓的真空度通過真空泵——主管——濾管上小孔——密封膜下——塑料排水板（地基土中）的流程進行傳遞，這種開放式的真空傳遞對密封體系的要求很高，如果密封體系不密封完全，都將造成真空預壓效果大大降低。

(5)密封溝的密封性能有待提高。密封溝溝底必須挖至不透氣的淤泥層，對于有些回填層較厚的場地施工起來難度很大；而且密封溝施工占地面積大，后期對密封溝處的二次處理難度很大。

2.1.4 增壓式真空預壓排水系統的研制。通過對以上常規真空預壓排水系統不足點的研究分析，在查閱資料和前期大量試驗的基礎上，提出以下幾點方法改進常規真空預壓系統中排水系統的不足：

（1）通過采用防淤堵整體塑料排水板來改善豎向排水通道的性能，主要是從排水板的材質出發，主要考慮其排水板的復合體和濾膜特性，改進后的塑料排水板參數如表1所示。

表1 整體塑料排水板規格與技術要求

復

合

體 材質 聚乙烯、聚氯乙稀、聚丙稀

寬度 100±3mm

厚度 ≥4.0mm

抗拉強度 ≥2.4KN/10cm

舌型撕裂強度 ≥60N

抗彎折性能 180度對折5次不斷裂

縱向通水量 >40cm3/s

濾

膜

材質 滌綸、丙綸等無紡織物

單位面積質量 ≥100g/m2

厚度 ≥0.20mm

抗拉強度（干） ≥25N/cm

抗拉強度（濕） ≥25N/cm

等效孔徑 ≤0.10mm

滲透系數 ≥5×10-3cm/s

（2）考慮常規真空預壓中排水系統的開放性缺點，研制一整套封閉的排水系統，將主、濾管及砂墊層組成的開放式真空系統改制由鋼絲軟管、手型接頭及防淤堵塑料排水板組成的密閉式真空系統，增壓式真空預壓的排水系統工作過程見圖1所示。

圖1 增壓式真空預壓工作運行圖（3）采用密封墻代替密封溝作為密封體系。密封墻采用泥漿攪拌樁，攪拌樁機，以場地附近淤泥為材料，按照攪拌樁的施工工藝進行密封墻的施工。每道密封墻共兩排樁，樁徑0.5米，樁長進入原地面以下1~1.5米，即樁長約為4~5米，同一排樁之間相互咬合10cm，第一排樁與第二排樁之間咬合25cm，形成連續的墻狀結構，起到止水、密封的效果，其平面布置圖見圖2所示。

圖2 密封墻平面布置圖2.2 增壓系統的研制。

2.2.1 常規式真空預壓工作原理。常規式真空預壓工作原理是在真空泵的作用下，地基土與排水板形成壓力差，地基土中的自由水將在壓力的作用下沿著排水板向上經由橫向排水系統排出，地基土孔隙水的排出增加了土體的有效應力，從而減小了土中孔隙和含水量，進而提高了地基的承載能力。

2.2.2 常規式真空預壓的不足點。通過大量現場經驗證明，在真空預壓抽真空進行到50天左右時間，真空泵出水量已大大減少，分析主要原因是由于隨著真空預壓的進行，塑料排水板濾膜內外產生的壓差減小，使軟土地基中水分運動減弱，真空預壓效果將受到限制。

2.2.3 增壓系統改善了常規真空預壓的排水系統。為了解決常規真空預壓的不足，搜集國內外相關技術資料，希望提出一種方法來解決掉真空預壓后期水分子運動緩慢，出水量少的問題。

（1）真空聯合堆載。

A.堆載的主要作用是利用上部土方荷載作為加壓系統增加地基土的附加應力，提高地基土的孔隙水壓力，從而加速了地基土中水分的排出。根據經驗推斷，1米厚堆載土的作用效果相當于20KPa真空度的作用效果，進行聯合堆載相當于提升了真空系統真空度，可增加地基土中水分的排水效果，增強加固成果。

B.但在真空聯合堆載中有兩個難以解決困難。首先堆載時間的選擇，由于密封膜形成的密封體系非常脆弱，第一層堆載土施工需要格外留意，如果堆載施工導致密封系統的損壞，則真空預壓無法實現，其后果不堪設想；其次上部堆載的成本問題，堆載前需要找料場和機械搬運，在卸載后又需要棄土場，造成施工成本大大增加，并要求在堆載過程中保證一定的堆載速度保證地基土的穩定性，從而造成了額外的時間成本。

C.真空聯合堆載是解決真空預壓后期出水量慢的一種有效辦法，但施工效果和經濟效果不是特別理想。

（2）增加增壓系統。

A.常規真空預壓后期出水少的原因主要是塑料排水板濾膜內外壓差減小，并有微小固體顆粒堵積，導致軟基中水分運動減弱不易排出，在常規真空預壓的基礎上提出一整套增壓系統，增加地基土與排水板間的壓差，加速地基土的固結。

B.增壓系統的核心組件為增壓管，它由若干節依次相連的透水軟管組成，透水軟管由螺旋形彈性支撐架和濾布組成，每節透水軟管的兩頭置有可配接的螺紋接頭，第一節軟管前端上旋接有錐形封頭，最末節軟管后端旋接有法蘭。在塑料排水板間的土體中均勻插打增壓管，通過管網將增壓管與空壓機組成增壓系統，從而可對排水板間土體進行均勻增壓，使土體中水分子在壓力作用下定向流動，使軟基進行快速固結，在有限工期內大幅度提高地基強度及固結深度，大大減少工后沉降。

3. 工藝改進創新點

（1）采用防淤堵塑料排水板替換了普通塑料排水板作為豎向排水通道，克服了常規真空預壓過程中排水板長期的排水效果差、易淤堵等缺點；用鋼絲軟管和75mmPVC管分別做為橫向排水通道的支管和橫向排水通道的主管，克服了以往橫向通道易損壞和抗彎折能力差等缺點；并以真空泵作為抽真空動力設備形成了增壓式真空預壓一整套完整的排水系統。

（2）增壓式真空預壓采用的密閉式真空排水系統代替常規式真空預壓采用的開放式真空排水系統，既保證了真空排水系統的暢通，使沙粒無法進入真空排水系統，又能使真空直達塑料排水板內部，使得塑料排水板濾膜內外產生較大壓差，進而將軟基中水分快速排出。同時密閉式真空排水系統采用鋼絲軟管組成管網體系代替開放式真空排水系統采用的硬性PVC管組成管網體系，大大提高了管網體系應對不均勻沉降的能力，有利于保證真空排水系統的密封性。

（3）利用空壓機作為增壓動力設備，采用鋼絲軟管作為增壓管網系統支管，并采用75mmPVC管作為增壓管網系統主管，形成增壓式真空預壓一整套增壓系統。增壓式真空預壓在常規式真空預壓原有的真空排水系統的基礎上增加一套增壓系統，通過增壓系統對塑料排水板間土體進行均勻增壓，使土體中水分子在壓力作用下定向流動，對軟基進行快速固結，在有限工期內大幅度提高地基強度及固結深度，大大減少工后沉降，處理效果很好。

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（4）采用手型接頭和鋼絲軟管用于豎向和橫向真空系統的連接，并用木釘槍實現了兩者密閉相連，克服了以往開放式預壓系統密封差、易淤堵等缺點，實現了真空度的高效傳遞。

（5）研制了增壓管插管裝置，解決了增壓管插打困難、不易密封的施工難題。

4. 工程應用情況及效果

（1）珠海西站為新建廣（州）珠（海）鐵路工程中二級三場區段站，全長2950米，面積32萬平方米，是廣珠鐵路中最大的車站。珠海西站地處20世紀60年代圍海造塘形成的海塘中，海相沉積地質十分復雜，軟土深度厚且強度低。軟土厚度近50m，其中流塑狀淤泥層厚為15～18米。

（2）2009年5月開始應用本工藝進行珠海西站的軟土地基加固處理施工，經過不間斷的抽真空、增壓及聯合堆載施工，2010年8月全站各區段的監控指標陸續滿足了連續10～15天，觀測頻次不少于6次，連續兩次觀測最大沉降量差不大于2mm，日平均沉降量不大于1mm/d的設計標準，平均達到了停抽真空、停止增壓、沉降穩定的要求用時為8個月，較普通真空預壓所需的施工期1年相比節約了2個月時間，各區平均沉降量達到了2米，根據計算工后沉降可控制在20cm的設計標準之內，珠海西站深厚海相軟土地基加固施工取得了非常有效的成果。

（3）本工程中首次采用增壓式真空預壓技術，成功解決了海相沉積深厚軟土地區鐵路站場工后沉降要求高、工期緊的難題，具有顯著的社會和經濟效益，可為今后類似工程的設計和施工提供借鑒。

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［作者簡介］ 袁海春（1960-），男，籍貫：湖南省寧鄉縣人，職稱：工程師，工作單位：廣珠鐵路有限責任公司，工程管理部副部長，主要從事鐵道工程的建設和管理工作。

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