真空预压软土地基加固抽真空新技术的降本增效途径研究

付 茜1 宋旭龙 于宝杰

(1.水利部海河水利委员会，天津 300170；2.华北水利水电工程集团有限公司，天津 300170)

1 项目概况

天津滨海旅游区南湾河道开挖及岸线建设项目软基处理工程面积大，工期紧。其中抽真空施工采用常规设备射流泵系统，设备用量多，电费高,水下电缆用量大，水上作业维护费用高，传统方法无法解决施工成本高的难题。因此，施工单位通过开展创新型QC课题进行新方法研发，用技术创新提高抽真空效率，解决降本增效难题。

2 选择课题

2.1 课题目标设定

试验和研究发现，射流泵系统抽取水气混合体比分别抽取水和气电能损耗大，如果能实现水和气分别抽取，即可减少施工成本。经查询，目前抽真空设备除射流泵系统外，无效率更高的设备可采用。

水和气分别抽取的创新思维来源于注射器。竖起注射器轻推时，由于密度的不同只将上部气体推出，吸取的药剂沉积在下部，一个简单的动作实现了水气分离，技术核心点是针管处于真空状态。

拉力器控制下，同样拉力抽取相同容积液体时，计时器显示水气分离状态用时至少缩短40%，说明减少了设备运行时间，节省了能源，提高了效率。因此，可以达到降低成本目的。

故确定课题为研发真空预压软土地基加固抽真空新技术。

按照公司要求本课题目标为降低真空预压工程施工成本8%(本工程为节约成本703万元)。

2.2 目标可行性分析

根据施工经验可知，抽真空工序费用占总成本的27.45%，抽真空工序射流泵系统电费占总成本77.23%；研发新方法用时若减少40%，同等工况电能减少40%，假定其他因素不变，则电费可减少40%。

经计算可知，该工程总成本为8790万元，可节约成本744万元，若保留2% 富裕度，即研发新系统电费减少38%时预计可节约总成本708万元，可满足设定目标要求。

3 提出方案并确定最佳方案

3.1 提出方案

为实现课题目标，针对提高抽真空效率、减少设备数量提出了联合抽气法、水气分离真空预压法和黏土帷幕墙封闭法三种总体方案。

联合抽气法创新点是通过合并真空预压区减少压膜沟长度，即减少透气通道来提高射流泵抽真空效果。水气分离真空预压法创新点是研发水气分别抽取及压力传导新方法，用不同的泵分别抽取水和气，替代传统方法中抽取水气混合体效率不高的射流泵，达到设备的最佳工效。黏土帷幕墙封闭法创新点是用连续、均匀黏土帷幕墙使真空预压处理区形成新的高密封系统，提高射流泵抽真空效率。

对上述三种总体方案从可实施性、经济性、有效性和技术难度方面进行对比分析，见表1。

表1 总体方案比较与评价

通过分析，选定水气分离真空预压法为总体方案。

3.2 确定最佳方案

3.2.1 方案优化

将水气分离真空预压法的不同设想用亲和图整理、归纳，将新方法的系统设计优化为真空压力传导管网、水气分离装置和真空泵三部分，见图1。

图1 方案优化亲和图

3.2.2 方案分解

运用头脑风暴法将最佳方案水气分离真空预压法分解为真空压力传导管网、研发水气分离装置和真空泵选型3个一级方案和材料选择等9个二级方案，见图2。

图2 方案设计系统图

3.2.3 分级方案确定

3.2.3.1 布设真空压力传导管网

a.布设原则。完成真空预压滤管铺设后，增加以水气分离装置为中心的辐射状真空压力传导管网，将抽真空负压均匀传递到整个真空预压处理区。压力传导管网绑扎牢固，连接充分密实后将盲管埋入砂沟。

b.材料选择。对50mm软式PVC盲管和50mm钢丝胶管从环刚度、扁平试验与通水量三个方面进行对比分析，选择最适宜经济性良好的50mm软式PVC盲管为真空压力传导管网管材。

c.连接方式。通过PVC三通与钢制三通试验对比，选择拉伸强度、维卡软化温度、抗冲击性能均满足使用要求且经济性良好的PVC三通为压力传导管网连接组件。

3.2.3.2 研发水气分离装置

a. 工作原理。软土地基内孔隙水和气体被抽入密闭的水气分离装置内，在重力作用下水体沉淀于装置下部，由潜水泵专门抽排，气体由真空泵通过抽气口抽排并保证真空度。潜水泵专门抽水，真空泵专门抽气，设备处于最佳工况，大幅提高工作效率。

b.材料选择。将不锈钢板材和Q235钢板的力学性能、焊接性能与成本三方面进行对比分析后，选用Q235钢板制作装置。

c.容积设计。综合分析水气分离装置运输、安装方法和真空预压不同时段出水量等因素后， 选用设计容积为1.5m3的桶形结构。

3.2.3.3 真空泵选型

通过市场调研选定抽真空效率高、耐久性好、性能稳定，能满足长时间连续工作需要、造价低、维护费用低的水环式真空泵。

确定的最佳方案为水气分离真空预压法，即研发水气分离真空预压抽真空新系统，该系统由压力传导管网(放射状布设、PVC三通连接的50mm软式PVC管)、水气分离装置(容积为1.5m3、Q235钢板制作桶状装置)和水环式真空泵组成。

4 制定对策

对确定的分级方案按“5W1H”原则制定对策表，见表2。

表2 对 策 表

5 对策实施

5.1 研制水气分离装置

根据装置功能用途，确定水气分离装置结构并绘制示意图，见图3，送设备厂制造。

图3 水气分离装置结构示意

经检测，水气分离装置密封性良好，达到了预期效果，且增加水位感应器后能实现自动控制。

5.2 布设真空压力传导管网

为保证设备数量减少时真空压力均匀分布，特增加辐射形真空压力传导管网(即盲管)，将水气分离装置产生的负压均匀传递到真空预压区，使真空压力分布更为均匀，加固质量更好。

5.3 真空泵选型

水环式真空泵依靠旋转变容形成真空，抽气效率高，但不能直接抽吸大量水(尤其是含有大量泥沙的水)。该泵的真空负压满足真空预压地基加固要求，耐久性好，性能稳定，满足长时间连续工作需要。通过调研分析，采用水环式真空泵。

6 效果检查

6.1 成本效益

常规施工每900～1100m2安装一套射流泵；新技术每8000～10000m2安装一套水气分离抽真空系统，设备数量、电缆及安装费用、管护成本大幅降低,新旧装置现场对比见图4。

以南湾河道开挖项目为例，真空预压面积 82.92万m2，新系统降低总成本865.8万元，降幅9.85%。实现了降低工程施工成本8%的目标。

6.2 质量安全效益

新技术实现自动控制，减少人工水下作业不利因素对质量的影响，便于管控。此外，创新布设的压力传导管网使真空压力分布更均匀，地基加固质量更好。

图4 传统射流泵技术与新技术现场对比

新技术的设备数量和水下电缆用量大幅减少，安全隐患大大降低。

7 结 语

通过本次创新型QC课题活动，研发了真空预压软土地基加固抽真空工序施工的水气分离真空预压法替代传统方法，获得了传统方法难以取得的经济效益；提高了工程施工质量安全效益，提高了团队创新意识和能力。本QC成果2018年获得中国水利工程协会水利工程优秀质量管理小组一类成果奖(SLQC 20180401002)。

本成果通过总结、整理、存档，提高了工程施工标准化管理水平，用创新拓宽了降本增效途径，实现了在同类工程项目中的共享与推广。