真空預壓軟土地基加固抽真空新技術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，天津 300170；2.華北水利水電工程集團有限公司，天津 300170)

1 項目概況

天津濱海旅游區南灣河道開挖及岸線建設項目軟基處理工程面積大，工期緊。其中抽真空施工采用常規設備射流泵系統，設備用量多，電費高,水下電纜用量大，水上作業維護費用高，傳統方法無法解決施工成本高的難題。因此，施工單位通過開展創新型QC課題進行新方法研發，用技術創新提高抽真空效率，解決降本增效難題。

2 選擇課題

2.1 課題目標設定

試驗和研究發現，射流泵系統抽取水氣混合體比分別抽取水和氣電能損耗大，如果能實現水和氣分別抽取，即可減少施工成本。經查詢，目前抽真空設備除射流泵系統外，無效率更高的設備可采用。

水和氣分別抽取的創新思維來源于注射器。豎起注射器輕推時，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，一個簡單的動作實現了水氣分離，技術核心點是針管處于真空狀態。

拉力器控制下，同樣拉力抽取相同容積液體時，計時器顯示水氣分離狀態用時至少縮短40%，說明減少了設備運行時間，節省了能源，提高了效率。因此，可以達到降低成本目的。

故確定課題為研發真空預壓軟土地基加固抽真空新技術。

按照公司要求本課題目標為降低真空預壓工程施工成本8%(本工程為節約成本703萬元)。

2.2 目標可行性分析

根據施工經驗可知，抽真空工序費用占總成本的27.45%，抽真空工序射流泵系統電費占總成本77.23%；研發新方法用時若減少40%，同等工況電能減少40%，假定其他因素不變，則電費可減少40%。

經計算可知，該工程總成本為8790萬元，可節約成本744萬元，若保留2% 富裕度，即研發新系統電費減少38%時預計可節約總成本708萬元，可滿足設定目標要求。

3 提出方案并確定最佳方案

3.1 提出方案

為實現課題目標，針對提高抽真空效率、減少設備數量提出了聯合抽氣法、水氣分離真空預壓法和黏土帷幕墻封閉法三種總體方案。

聯合抽氣法創新點是通過合并真空預壓區減少壓膜溝長度，即減少透氣通道來提高射流泵抽真空效果。水氣分離真空預壓法創新點是研發水氣分別抽取及壓力傳導新方法，用不同的泵分別抽取水和氣，替代傳統方法中抽取水氣混合體效率不高的射流泵，達到設備的最佳工效。黏土帷幕墻封閉法創新點是用連續、均勻黏土帷幕墻使真空預壓處理區形成新的高密封系統，提高射流泵抽真空效率。

對上述三種總體方案從可實施性、經濟性、有效性和技術難度方面進行對比分析，見表1。

表1 總體方案比較與評價

通過分析，選定水氣分離真空預壓法為總體方案。

3.2 確定最佳方案

3.2.1 方案優化

將水氣分離真空預壓法的不同設想用親和圖整理、歸納，將新方法的系統設計優化為真空壓力傳導管網、水氣分離裝置和真空泵三部分，見圖1。

圖1 方案優化親和圖

3.2.2 方案分解

運用頭腦風暴法將最佳方案水氣分離真空預壓法分解為真空壓力傳導管網、研發水氣分離裝置和真空泵選型3個一級方案和材料選擇等9個二級方案，見圖2。

圖2 方案設計系統圖

3.2.3 分級方案確定

3.2.3.1 布設真空壓力傳導管網

a.布設原則。完成真空預壓濾管鋪設后，增加以水氣分離裝置為中心的輻射狀真空壓力傳導管網，將抽真空負壓均勻傳遞到整個真空預壓處理區。壓力傳導管網綁扎牢固，連接充分密實后將盲管埋入砂溝。

b.材料選擇。對50mm軟式PVC盲管和50mm鋼絲膠管從環剛度、扁平試驗與通水量三個方面進行對比分析，選擇最適宜經濟性良好的50mm軟式PVC盲管為真空壓力傳導管網管材。

c.連接方式。通過PVC三通與鋼制三通試驗對比，選擇拉伸強度、維卡軟化溫度、抗沖擊性能均滿足使用要求且經濟性良好的PVC三通為壓力傳導管網連接組件。

3.2.3.2 研發水氣分離裝置

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

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

c.容積設計。綜合分析水氣分離裝置運輸、安裝方法和真空預壓不同時段出水量等因素后， 選用設計容積為1.5m3的桶形結構。

3.2.3.3 真空泵選型

通過市場調研選定抽真空效率高、耐久性好、性能穩定，能滿足長時間連續工作需要、造價低、維護費用低的水環式真空泵。

確定的最佳方案為水氣分離真空預壓法，即研發水氣分離真空預壓抽真空新系統，該系統由壓力傳導管網(放射狀布設、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)和水環式真空泵組成。

4 制定對策

對確定的分級方案按“5W1H”原則制定對策表，見表2。

表2 對 策 表

5 對策實施

5.1 研制水氣分離裝置

根據裝置功能用途，確定水氣分離裝置結構并繪制示意圖，見圖3，送設備廠制造。

圖3 水氣分離裝置結構示意

經檢測，水氣分離裝置密封性良好，達到了預期效果，且增加水位感應器后能實現自動控制。

5.2 布設真空壓力傳導管網

為保證設備數量減少時真空壓力均勻分布，特增加輻射形真空壓力傳導管網(即盲管)，將水氣分離裝置產生的負壓均勻傳遞到真空預壓區，使真空壓力分布更為均勻，加固質量更好。

5.3 真空泵選型

水環式真空泵依靠旋轉變容形成真空，抽氣效率高，但不能直接抽吸大量水(尤其是含有大量泥沙的水)。該泵的真空負壓滿足真空預壓地基加固要求，耐久性好，性能穩定，滿足長時間連續工作需要。通過調研分析，采用水環式真空泵。

6 效果檢查

6.1 成本效益

常規施工每900～1100m2安裝一套射流泵；新技術每8000～10000m2安裝一套水氣分離抽真空系統，設備數量、電纜及安裝費用、管護成本大幅降低,新舊裝置現場對比見圖4。

以南灣河道開挖項目為例，真空預壓面積 82.92萬m2，新系統降低總成本865.8萬元，降幅9.85%。實現了降低工程施工成本8%的目標。

6.2 質量安全效益

新技術實現自動控制，減少人工水下作業不利因素對質量的影響，便于管控。此外，創新布設的壓力傳導管網使真空壓力分布更均勻，地基加固質量更好。

圖4 傳統射流泵技術與新技術現場對比

新技術的設備數量和水下電纜用量大幅減少，安全隱患大大降低。

7 結 語

通過本次創新型QC課題活動，研發了真空預壓軟土地基加固抽真空工序施工的水氣分離真空預壓法替代傳統方法，獲得了傳統方法難以取得的經濟效益；提高了工程施工質量安全效益，提高了團隊創新意識和能力。本QC成果2018年獲得中國水利工程協會水利工程優秀質量管理小組一類成果獎(SLQC 20180401002)。

本成果通過總結、整理、存檔，提高了工程施工標準化管理水平，用創新拓寬了降本增效途徑，實現了在同類工程項目中的共享與推廣。