浅谈增压式真空预压在广珠铁路珠海西站工程中的创新及应用

【摘 要】本文介绍了一种新型的真空预压处理技术——增压式真空预压在广珠铁路珠海西站软基处理工程中的创新、变革及应用情况。鉴于该地区复杂的海相淤泥沉积层地质条件，通过对常规真空预压排水系统的改进、增压系统的研制，变开放式排水系统为密闭式排水系统，引入增压系统促进后期预压效果。并通过在珠海西站现场对创新改进工艺的实施效果表明，增压式真空预压使软基进行快速固结，在有限工期内大幅度提高地基强度及固结深度，大大减少工后沉降，实现了改进的预期目标。

【关键词】增压式真空预压；珠海西站；创新及应用

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）排水固结法是处理软土地基的一种有效方法，其原理是利用天然地基土层本身的透水性或者设置在地基中的竖向排水体，通过地表加载预压（真空预压）使土体中的孔隙水排出。排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成，目前常用的方法有塑料排水板真空预压法、袋装砂井真空——堆载联合预压法、袋装砂井——堆载预压法、塑料排水板堆载预压法、动静结合排水固结法等。

（2）珠三角西翼经济十分发达，但一直没有建成铁路，其中一个主要的原因就是该地区复杂的海相淤泥沉积层地质状况。广珠铁路2008年开工以来在原铁道部鉴定中心专家的指导下进行了为期半年的搅拌桩试验，但最终由于在复杂地质条件下达不到铁路线路的强度变形要求，最终大部分地段改为桥梁形式通过，从而使工程造价大大提高。

（3）珠海西站地处围海造塘而成海塘中，软土深度厚且强度低，而货运站场区域大且到发线长度长等特点，采用高架车站形式时其造价可能是一个不小的数目；在同一区域内搅拌桩试验失败经历对站场路基原定的真空预压排水固结工艺能否满足铁路加固要求也成了一个未知数。

（4）真空预压技术手段改进方面主要包括竖向排水体、横向排水体的改进、联合堆载的应用及配合动力固结手段进行加固；通过对工艺现状的总结、分析、归纳，并结合珠海西站实际的工程问题，认为排水固结法存在以下两点问题需要进一步创新改进：鉴于复杂地质条件下常规塑料排水板排水效果不佳，需要着手研究解决排水板的排水效果；鉴于常规的真空预压的横向排水系统为开放式系统，需要研发一整套密闭式排水系统，以加强真空预压的效果。

（5）为此，在广珠铁路珠海西站站场区域引入改进的增压式真空预压地基加固工艺。增压式真空预压的特点是真空预压排水固结过程的同时，在竖向排水通道（塑料排水板）间部分土体进行均匀加压加速其排水固结的过程。

2. 工艺创新研究

由于增压式真空预压为一项新型技术，也没有形成成套的施工工艺，因此在珠海西站施工过程中着重对相关的关键技术进行研究，研究内容包括：排水系统改进、增压系统的研制。

2.1 排水系统改进研究。

2.1.1 排水系统构成。真空排水系统由竖向排水通道、横向排水通道、密封体系及抽真空设备组成。

2.1.2 常规式真空预压工作原理。

（1）常规式真空预压所采用的排水系统是一个开放系统，地基土中的水分在压差的作用下渗透进入排水板内，通过排水板顶进入砂垫层，砂垫层中水分逐渐饱和，通过支滤管上的渗水孔进入支滤管，汇入主管，最后通过与主管相连的真空泵排出。由于竖向排水通道和横向排水通道是分离的，所以常规式真空预压的真空排水系统不是一个密闭的系统。

（2）通常横向排水通道主要由主管、支滤管及砂垫层组成。主管直径=75mm，支滤管直径=50 mm，支滤管上布设=8 mm的滤水孔、间距8cm，呈三角形排列，同时外包土工布，主要起到从砂垫层滤水进支滤管作用。主管与支管间用变径的三通或四通接头连接，同管径的对接采用软接头，外用铁丝捆紧。

（3）密封体系主要由加固区域四周的密封沟及加固区域上铺设的二层密封膜组成，密封膜四周通过埋入密封沟在加固区域形成一个完善的密封体系，确保在真空泵的作用下真空系统维持600mmHg真空度（即预压荷载80KPa）。

（4）抽真空设备一般选取功率为7.5KW的真空泵，是真空系统产生600mmHg真空度的动力来源。

2.1.3 常规式真空预压排水系统的不足。常规式真空预压虽然是一种比较合适的处理大面积软基的方法，查阅相关资料和施工过程后发现常规真空预压的排水系统存在以下不足：

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(1)竖向排水通道即塑料排水板的通水性能随着抽真空进行大大降低。通过大量现场经验证明，在真空预压抽真空进行到50天左右时间，真空泵出水量已大大减少，我们分析塑料排水板的通水性减弱是最主要的原因之一。塑料排水板长期被淤泥质土包裹，淤泥对塑料排水板表层滤膜影响很大，导致滤膜的渗透系数大大降低，同时在抽真空过程中地基土发生沉降变形后使排水板产生一定的弯折，从而导致塑料排水板通水量大大下降。

(2)横向排水通道即滤管通水性能随着抽真空进行大大降低。滤管埋设在砂垫层中，滤管表面的小孔及土工布长期浸泡在含水砂垫层之中，被砂粒堵塞，土工布通水性能下降造成了横向排水通道通水性能的大大降低。

(3)横向排水通道主、支滤管均为硬性PVC管，不均匀的沉降变形产生的弯折将影响管路系统的排水性能。

(4)真空度的开放性。常规式真空预压的真空度通过真空泵——主管——滤管上小孔——密封膜下——塑料排水板（地基土中）的流程进行传递，这种开放式的真空传递对密封体系的要求很高，如果密封体系不密封完全，都将造成真空预压效果大大降低。

(5)密封沟的密封性能有待提高。密封沟沟底必须挖至不透气的淤泥层，对于有些回填层较厚的场地施工起来难度很大；而且密封沟施工占地面积大，后期对密封沟处的二次处理难度很大。

2.1.4 增压式真空预压排水系统的研制。通过对以上常规真空预压排水系统不足点的研究分析，在查阅资料和前期大量试验的基础上，提出以下几点方法改进常规真空预压系统中排水系统的不足：

（1）通过采用防淤堵整体塑料排水板来改善竖向排水通道的性能，主要是从排水板的材质出发，主要考虑其排水板的复合体和滤膜特性，改进后的塑料排水板参数如表1所示。

表1 整体塑料排水板规格与技术要求

复

合

体 材质 聚乙烯、聚氯乙稀、聚丙稀

宽度 100±3mm

厚度 ≥4.0mm

抗拉强度 ≥2.4KN/10cm

舌型撕裂强度 ≥60N

抗弯折性能 180度对折5次不断裂

纵向通水量 >40cm3/s

滤

膜

材质 涤纶、丙纶等无纺织物

单位面积质量 ≥100g/m2

厚度 ≥0.20mm

抗拉强度（干） ≥25N/cm

抗拉强度（湿） ≥25N/cm

等效孔径 ≤0.10mm

渗透系数 ≥5×10-3cm/s

（2）考虑常规真空预压中排水系统的开放性缺点，研制一整套封闭的排水系统，将主、滤管及砂垫层组成的开放式真空系统改制由钢丝软管、手型接头及防淤堵塑料排水板组成的密闭式真空系统，增压式真空预压的排水系统工作过程见图1所示。

图1 增压式真空预压工作运行图（3）采用密封墙代替密封沟作为密封体系。密封墙采用泥浆搅拌桩，搅拌桩机，以场地附近淤泥为材料，按照搅拌桩的施工工艺进行密封墙的施工。每道密封墙共两排桩，桩径0.5米，桩长进入原地面以下1~1.5米，即桩长约为4~5米，同一排桩之间相互咬合10cm，第一排桩与第二排桩之间咬合25cm，形成连续的墙状结构，起到止水、密封的效果，其平面布置图见图2所示。

图2 密封墙平面布置图2.2 增压系统的研制。

2.2.1 常规式真空预压工作原理。常规式真空预压工作原理是在真空泵的作用下，地基土与排水板形成压力差，地基土中的自由水将在压力的作用下沿着排水板向上经由横向排水系统排出，地基土孔隙水的排出增加了土体的有效应力，从而减小了土中孔隙和含水量，进而提高了地基的承载能力。

2.2.2 常规式真空预压的不足点。通过大量现场经验证明，在真空预压抽真空进行到50天左右时间，真空泵出水量已大大减少，分析主要原因是由于随着真空预压的进行，塑料排水板滤膜内外产生的压差减小，使软土地基中水分运动减弱，真空预压效果将受到限制。

2.2.3 增压系统改善了常规真空预压的排水系统。为了解决常规真空预压的不足，搜集国内外相关技术资料，希望提出一种方法来解决掉真空预压后期水分子运动缓慢，出水量少的问题。

（1）真空联合堆载。

A.堆载的主要作用是利用上部土方荷载作为加压系统增加地基土的附加应力，提高地基土的孔隙水压力，从而加速了地基土中水分的排出。根据经验推断，1米厚堆载土的作用效果相当于20KPa真空度的作用效果，进行联合堆载相当于提升了真空系统真空度，可增加地基土中水分的排水效果，增强加固成果。

B.但在真空联合堆载中有两个难以解决困难。首先堆载时间的选择，由于密封膜形成的密封体系非常脆弱，第一层堆载土施工需要格外留意，如果堆载施工导致密封系统的损坏，则真空预压无法实现，其后果不堪设想；其次上部堆载的成本问题，堆载前需要找料场和机械搬运，在卸载后又需要弃土场，造成施工成本大大增加，并要求在堆载过程中保证一定的堆载速度保证地基土的稳定性，从而造成了额外的时间成本。

C.真空联合堆载是解决真空预压后期出水量慢的一种有效办法，但施工效果和经济效果不是特别理想。

（2）增加增压系统。

A.常规真空预压后期出水少的原因主要是塑料排水板滤膜内外压差减小，并有微小固体颗粒堵积，导致软基中水分运动减弱不易排出，在常规真空预压的基础上提出一整套增压系统，增加地基土与排水板间的压差，加速地基土的固结。

B.增压系统的核心组件为增压管，它由若干节依次相连的透水软管组成，透水软管由螺旋形弹性支撑架和滤布组成，每节透水软管的两头置有可配接的螺纹接头，第一节软管前端上旋接有锥形封头，最末节软管后端旋接有法兰。在塑料排水板间的土体中均匀插打增压管，通过管网将增压管与空压机组成增压系统，从而可对排水板间土体进行均匀增压，使土体中水分子在压力作用下定向流动，使软基进行快速固结，在有限工期内大幅度提高地基强度及固结深度，大大减少工后沉降。

3. 工艺改进创新点

（1）采用防淤堵塑料排水板替换了普通塑料排水板作为竖向排水通道，克服了常规真空预压过程中排水板长期的排水效果差、易淤堵等缺点；用钢丝软管和75mmPVC管分别做为横向排水通道的支管和横向排水通道的主管，克服了以往横向通道易损坏和抗弯折能力差等缺点；并以真空泵作为抽真空动力设备形成了增压式真空预压一整套完整的排水系统。

（2）增压式真空预压采用的密闭式真空排水系统代替常规式真空预压采用的开放式真空排水系统，既保证了真空排水系统的畅通，使沙粒无法进入真空排水系统，又能使真空直达塑料排水板内部，使得塑料排水板滤膜内外产生较大压差，进而将软基中水分快速排出。同时密闭式真空排水系统采用钢丝软管组成管网体系代替开放式真空排水系统采用的硬性PVC管组成管网体系，大大提高了管网体系应对不均匀沉降的能力，有利于保证真空排水系统的密封性。

（3）利用空压机作为增压动力设备，采用钢丝软管作为增压管网系统支管，并采用75mmPVC管作为增压管网系统主管，形成增压式真空预压一整套增压系统。增压式真空预压在常规式真空预压原有的真空排水系统的基础上增加一套增压系统，通过增压系统对塑料排水板间土体进行均匀增压，使土体中水分子在压力作用下定向流动，对软基进行快速固结，在有限工期内大幅度提高地基强度及固结深度，大大减少工后沉降，处理效果很好。

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（4）采用手型接头和钢丝软管用于竖向和横向真空系统的连接，并用木钉枪实现了两者密闭相连，克服了以往开放式预压系统密封差、易淤堵等缺点，实现了真空度的高效传递。

（5）研制了增压管插管装置，解决了增压管插打困难、不易密封的施工难题。

4. 工程应用情况及效果

（1）珠海西站为新建广（州）珠（海）铁路工程中二级三场区段站，全长2950米，面积32万平方米，是广珠铁路中最大的车站。珠海西站地处20世纪60年代围海造塘形成的海塘中，海相沉积地质十分复杂，软土深度厚且强度低。软土厚度近50m，其中流塑状淤泥层厚为15～18米。

（2）2009年5月开始应用本工艺进行珠海西站的软土地基加固处理施工，经过不间断的抽真空、增压及联合堆载施工，2010年8月全站各区段的监控指标陆续满足了连续10～15天，观测频次不少于6次，连续两次观测最大沉降量差不大于2mm，日平均沉降量不大于1mm/d的设计标准，平均达到了停抽真空、停止增压、沉降稳定的要求用时为8个月，较普通真空预压所需的施工期1年相比节约了2个月时间，各区平均沉降量达到了2米，根据计算工后沉降可控制在20cm的设计标准之内，珠海西站深厚海相软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压式真空预压技术，成功解决了海相沉积深厚软土地区铁路站场工后沉降要求高、工期紧的难题，具有显著的社会和经济效益，可为今后类似工程的设计和施工提供借鉴。

参考文献

［1］ 龚晓南，地基处理手册（第三版）［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

［2］ 孟庆山，王吉利，汪稔，采用不同加固方案处理软土地基的对比研究［J］，岩土力学，2002，23（3）：375～381.

［3］ 俞炯奇，孙伯永，长期在地下工作后的塑料排水板的性能研究［J］，水利学报，2007（增刊）：711～715.

［4］ 张雅丽，王志权，塑料排水板预压法加固软基效果分析［J］，岩土力学，2002，23（5）：654～657.

［5］ 张丽娟，李彰明，韩江，动静力排水固结法在淤泥质地基处理工程中的应用［J］，岩土力学，2009，30（2）：565～571.

［6］ 董亮，叶阳升，蔡德钩等，高速铁路软土地基处理方法对比试验［J］，岩土力学，2006，27（10）：1856～1860.

［7］ 刘吉福，排水固结法砂垫层厚度需求［J］，岩土工程学报，2008，30（3）366～371.

［8］ 李友兴，塑料排水板固结法在深圳南油开发区软基处理中的应用［J］，岩石力学与工程学报，2001（增1）：1246～1249.

［9］ 张雅丽，王志权，塑料板排水预压法加固软基效果分析［J］，岩土力学，2002，23（5）：654～660.

［10］ 中国土木工程学会，塑料板排水法加固软基工程实例集［M］，北京：人民交通出版社，2001.

［11］ 金亚伟，金亚军，蒋君南等. 增压式真空预压固结处理软土地基/尾矿渣/湖泊淤泥装置［P］.中国专利：200820160080.7，2006-01.

［12］ 金亚伟，金亚军，蒋君南等. 增压式真空预压固结处理软土地基/尾矿渣/湖泊淤泥装置［P］.中国专利：200820156787.5，2006-01.

［作者简介］ 袁海春（1960-），男，籍贯：湖南省宁乡县人，职称：工程师，工作单位：广珠铁路有限责任公司，工程管理部副部长，主要从事铁道工程的建设和管理工作。

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