新型抽真空系統在大面積軟基處理工程中的應用研究

肖俊平 凌曉明 中鐵廣州工程局集團有限公司

1.前言

抽真空設備是真空預壓的動力之源,自真空預壓技術誕生起,在工程實踐中不斷創新進步,真空射流泵也從第一代發展到第四代。隨著新世紀大面積填海造陸項目的實施,大面積軟基處理對節能減排、降低成本、保障安全、提高工程質量等方面提出了更高的要求。傳統的真空射流泵已逐漸不能適應發展要求，高效節能水氣分離抽真空系統應運而生。

2.傳統抽真空系統概況

自上世紀80年代真空預壓在國內試驗成功以來，真空射流泵一直是主要的抽真空設備，射流泵主要由離心泵、射流器、射流箱、管路系統（含壓力表及閥門等）四部分組成。真空射流泵基本原理是：射流箱內水流入離心泵，形成高壓水；高壓水通過管路系統進入射流器噴嘴，形成高速水流從噴嘴噴出，帶走噴嘴附近及水氣混合管口附近的空氣，使水氣混合管口形成真空區，從而和水氣混合管內形成壓力差，并將壓力差傳遞至膜下濾管、砂層、排水板內。

圖1 新型抽真空設備構造圖

真空射流泵目前已發展至第四代。第一代抽水泵與射流箱為分體式，抽水泵采用離心清水泵，工作效率較低；第二代由潛水泵代替離心泵，工作效率得到提高；第三代將抽水泵與射流器一同安裝在射流箱內，并對電機進行了改裝；第四代又將抽水泵與射流箱分離，并調整了泵箱外形及埋放位置，優化了射流器的外形及孔徑。

真空射流泵雖經四代改進，但其原理未變，射流過程中從水氣混合管內抽出的水和氣是不分離的，需要離心泵及射流器不停工作，電能主要消耗在形成循環高壓水及高速水流上，能耗較高，且控制面積小，僅1000m2，設備數量多維護難度大，有一定局限性。

3.新型抽真空系統原理

新型抽真空系統原理與真空射流泵有本質區別，是將膜下抽出的水和氣，利用水氣分離罐在水氣混合口位置分離，主真空泵負責抽走罐內空氣，從而使水氣混合口位置及其上部處于真空狀態；水氣混合口抽出的水向下流入水氣分離罐，而流入罐底的水達到一定水量后，由水泵啟動抽走。

如果真空預壓面積較大，建議采用放置于集中控制室內的55KW主真空泵系統。集中控制室位于加固區外，通過抽氣管路與加固區內水氣分離罐內連接，集中控制室還可放置顯示各水氣分離罐內真空度及抽水泵開啟狀態的電子顯示裝置，管理人員在集中控制室內就可遠程監控施工區各設備的工作狀態，非常方便。集中控制室內通常設置兩臺55KW真空泵，一臺正常工作，另一臺作為備用泵。一個集中控制室通常可控制8個水氣分離罐，加固面積可達到10萬m2。

如果真空預壓面積較小，或場地內不具備放置集中控制室的條件，也可采用7.5K W主真空泵系統，真空泵放置于加固區內水氣分離罐附近，同時布置一個水罐，在水罐內放置一個小的循環水泵，將循環水泵的水管與7.5KW真空泵連接。一個7.5KW真空泵連接一個水氣分離罐。一套7.5KW真空泵系統加固面積通常為8000～10000m2，如場地土質透氣性較強，可加密至5000 m2/套。

每個水汽分離罐通常設置8個與濾管連接的接口，布設4～5道盲管與出膜裝置連接，水汽分離罐較近可不設盲管連接管路，直接與濾管連接即可。

4.新型抽真空系統特點

與傳統真空射流泵相比，新型抽真空系統具有以下明顯優勢。

（1）高效節能。由于真空泵主要是抽氣，其耗費的電能大大少于主要是抽循環水的射流泵。而罐底水泵在罐內水位達到一定高度后才自動開啟，抽水后自動關閉，耗費的電能也很少。

以加固10萬m2為例：新型抽真空系統需要1臺55kw真空泵+8個水氣分離罐（16臺7.5kw抽水泵），理論耗能=55+16＊7.5=175kw；或者采用12臺7.5kw真空泵+12個水氣分離罐，理論耗能=12＊7.5+24＊7.5=270kw。而真空射流泵需要100臺7.5kw真空泵，其理論耗能=7.5＊100=750kw。

根據大量工程對比實踐，考慮管路損失及射流泵非100%開泵率等因素，新型抽真空系統實際耗能約為射流泵系統的30%～40%。

（2）維護簡便，加固效果更有保證。在抽真空過程中經常會遇到停電、泵損壞等問題，導致區內真空度下降，如不及時維護，極易造成膜上水倒灌，壓力急劇下降，進而影響施工質量。

新型設備均采用一開一備模式，主泵損壞，備用泵自動開啟。如遇停電等情況，設備中的閥門會立即自動關閉，從而最大程度保持施工區內的壓力。區內抽真空設備如果損壞，控制機房內相應設備會立刻顯示報警信號和損害的部位，節省了排查時間，施工人員可快速趕到現場，更換損壞的設備。

新型設備由于設備數量少，監控及應急設施完備，維護便利，能夠保證設備一直處于100%開啟狀態，加固效果更有保證。

（3）膜下真空度穩定。膜下真空度是真空預壓地基處理最重要的參數之一，直接關系到地基處理的效果。水氣分離式真空預壓工藝真空轉化率高，膜下真空度為85～90kPa，能長期穩定在88kPa以上，處理后地基承載力提高明顯，場地加固效果顯著。

（4）安全更有保障。傳統設備在抽氣過程中需要配備大量的配電柜、粗細電纜、射流泵等，且廣泛分布；特別是大量的粗、細電纜都需從膜上覆水上架設，在安全方面增加了隱患。

新型抽真空設備利用改變氣體容積的方式抽真空，使抽真空設備更加高效，結構緊湊，設備及連接管路、電纜少，而且能夠集中控制、管理，操作便利，減少了安全隱患。

5.新型抽真空系統應注意問題

因集控室相對于傳統射流泵占地面積和重量較大，對現場的道路及場地要求高，適合做大面積且有一定硬質場地的真空預壓項目（每套設備可控制10萬m2）。如現場不具備放置集控室條件，可采用7.5kw抽真空系統（1臺7.5kw真空泵+1個水氣分離罐）。

水氣分離罐內的水須及時排出，否則會導致水氣混合管被水充滿，膜下空氣不能通過水氣混合管抽出，建議加強罐內的自動啟停感應裝置的檢查維護，并且應保證水氣分離罐埋入土內，水氣混合口盡量緊貼膜面。

圖2 新型抽真空設備抽真空期間真空度曲線圖

6.工程實踐

某大型LNG接收站真空預壓工程總真空預壓面積約45萬m2，考慮到場地條件的限制，新型抽真空系統采用了7.5kw抽真空系統（1臺7.5kw真空泵+1個水氣分離罐）,每套控制面積約5000m2。在抽真空過程中,新型抽真空系統表現穩定，未出現真空度不穩定及停泵等現象。真空預壓卸載后經原狀孔及十字板檢測顯示，土體指標均達到了設計要求，加固效果良好。

7.結語

經過近幾年的工程實踐，由于其節能、高效、穩定的優點，具有安全可靠、便于管理、施工成本低等方面的特點，帶有水氣分離罐的新型抽真空系統已有逐漸替代傳統射流泵的趨勢。目前以新型抽真空系統名義出現的設備眾多，設備結構以及所用材料、工藝均有差異，導致抽真空能力差別很大，目前新型抽真空設備亟需標準化、規范化,才能推動穩定有序的技術進步。