新型抽真空系统在大面积软基处理工程中的应用研究

肖俊平 凌晓明 中铁广州工程局集团有限公司

1.前言

抽真空设备是真空预压的动力之源,自真空预压技术诞生起,在工程实践中不断创新进步,真空射流泵也从第一代发展到第四代。随着新世纪大面积填海造陆项目的实施,大面积软基处理对节能减排、降低成本、保障安全、提高工程质量等方面提出了更高的要求。传统的真空射流泵已逐渐不能适应发展要求，高效节能水气分离抽真空系统应运而生。

2.传统抽真空系统概况

自上世纪80年代真空预压在国内试验成功以来，真空射流泵一直是主要的抽真空设备，射流泵主要由离心泵、射流器、射流箱、管路系统（含压力表及阀门等）四部分组成。真空射流泵基本原理是：射流箱内水流入离心泵，形成高压水；高压水通过管路系统进入射流器喷嘴，形成高速水流从喷嘴喷出，带走喷嘴附近及水气混合管口附近的空气，使水气混合管口形成真空区，从而和水气混合管内形成压力差，并将压力差传递至膜下滤管、砂层、排水板内。

图1 新型抽真空设备构造图

真空射流泵目前已发展至第四代。第一代抽水泵与射流箱为分体式，抽水泵采用离心清水泵，工作效率较低；第二代由潜水泵代替离心泵，工作效率得到提高；第三代将抽水泵与射流器一同安装在射流箱内，并对电机进行了改装；第四代又将抽水泵与射流箱分离，并调整了泵箱外形及埋放位置，优化了射流器的外形及孔径。

真空射流泵虽经四代改进，但其原理未变，射流过程中从水气混合管内抽出的水和气是不分离的，需要离心泵及射流器不停工作，电能主要消耗在形成循环高压水及高速水流上，能耗较高，且控制面积小，仅1000m2，设备数量多维护难度大，有一定局限性。

3.新型抽真空系统原理

新型抽真空系统原理与真空射流泵有本质区别，是将膜下抽出的水和气，利用水气分离罐在水气混合口位置分离，主真空泵负责抽走罐内空气，从而使水气混合口位置及其上部处于真空状态；水气混合口抽出的水向下流入水气分离罐，而流入罐底的水达到一定水量后，由水泵启动抽走。

如果真空预压面积较大，建议采用放置于集中控制室内的55KW主真空泵系统。集中控制室位于加固区外，通过抽气管路与加固区内水气分离罐内连接，集中控制室还可放置显示各水气分离罐内真空度及抽水泵开启状态的电子显示装置，管理人员在集中控制室内就可远程监控施工区各设备的工作状态，非常方便。集中控制室内通常设置两台55KW真空泵，一台正常工作，另一台作为备用泵。一个集中控制室通常可控制8个水气分离罐，加固面积可达到10万m2。

如果真空预压面积较小，或场地内不具备放置集中控制室的条件，也可采用7.5K W主真空泵系统，真空泵放置于加固区内水气分离罐附近，同时布置一个水罐，在水罐内放置一个小的循环水泵，将循环水泵的水管与7.5KW真空泵连接。一个7.5KW真空泵连接一个水气分离罐。一套7.5KW真空泵系统加固面积通常为8000～10000m2，如场地土质透气性较强，可加密至5000 m2/套。

每个水汽分离罐通常设置8个与滤管连接的接口，布设4～5道盲管与出膜装置连接，水汽分离罐较近可不设盲管连接管路，直接与滤管连接即可。

4.新型抽真空系统特点

与传统真空射流泵相比，新型抽真空系统具有以下明显优势。

（1）高效节能。由于真空泵主要是抽气，其耗费的电能大大少于主要是抽循环水的射流泵。而罐底水泵在罐内水位达到一定高度后才自动开启，抽水后自动关闭，耗费的电能也很少。

以加固10万m2为例：新型抽真空系统需要1台55kw真空泵+8个水气分离罐（16台7.5kw抽水泵），理论耗能=55+16＊7.5=175kw；或者采用12台7.5kw真空泵+12个水气分离罐，理论耗能=12＊7.5+24＊7.5=270kw。而真空射流泵需要100台7.5kw真空泵，其理论耗能=7.5＊100=750kw。

根据大量工程对比实践，考虑管路损失及射流泵非100%开泵率等因素，新型抽真空系统实际耗能约为射流泵系统的30%～40%。

（2）维护简便，加固效果更有保证。在抽真空过程中经常会遇到停电、泵损坏等问题，导致区内真空度下降，如不及时维护，极易造成膜上水倒灌，压力急剧下降，进而影响施工质量。

新型设备均采用一开一备模式，主泵损坏，备用泵自动开启。如遇停电等情况，设备中的阀门会立即自动关闭，从而最大程度保持施工区内的压力。区内抽真空设备如果损坏，控制机房内相应设备会立刻显示报警信号和损害的部位，节省了排查时间，施工人员可快速赶到现场，更换损坏的设备。

新型设备由于设备数量少，监控及应急设施完备，维护便利，能够保证设备一直处于100%开启状态，加固效果更有保证。

（3）膜下真空度稳定。膜下真空度是真空预压地基处理最重要的参数之一，直接关系到地基处理的效果。水气分离式真空预压工艺真空转化率高，膜下真空度为85～90kPa，能长期稳定在88kPa以上，处理后地基承载力提高明显，场地加固效果显著。

（4）安全更有保障。传统设备在抽气过程中需要配备大量的配电柜、粗细电缆、射流泵等，且广泛分布；特别是大量的粗、细电缆都需从膜上覆水上架设，在安全方面增加了隐患。

新型抽真空设备利用改变气体容积的方式抽真空，使抽真空设备更加高效，结构紧凑，设备及连接管路、电缆少，而且能够集中控制、管理，操作便利，减少了安全隐患。

5.新型抽真空系统应注意问题

因集控室相对于传统射流泵占地面积和重量较大，对现场的道路及场地要求高，适合做大面积且有一定硬质场地的真空预压项目（每套设备可控制10万m2）。如现场不具备放置集控室条件，可采用7.5kw抽真空系统（1台7.5kw真空泵+1个水气分离罐）。

水气分离罐内的水须及时排出，否则会导致水气混合管被水充满，膜下空气不能通过水气混合管抽出，建议加强罐内的自动启停感应装置的检查维护，并且应保证水气分离罐埋入土内，水气混合口尽量紧贴膜面。

图2 新型抽真空设备抽真空期间真空度曲线图

6.工程实践

某大型LNG接收站真空预压工程总真空预压面积约45万m2，考虑到场地条件的限制，新型抽真空系统采用了7.5kw抽真空系统（1台7.5kw真空泵+1个水气分离罐）,每套控制面积约5000m2。在抽真空过程中,新型抽真空系统表现稳定，未出现真空度不稳定及停泵等现象。真空预压卸载后经原状孔及十字板检测显示，土体指标均达到了设计要求，加固效果良好。

7.结语

经过近几年的工程实践，由于其节能、高效、稳定的优点，具有安全可靠、便于管理、施工成本低等方面的特点，带有水气分离罐的新型抽真空系统已有逐渐替代传统射流泵的趋势。目前以新型抽真空系统名义出现的设备众多，设备结构以及所用材料、工艺均有差异，导致抽真空能力差别很大，目前新型抽真空设备亟需标准化、规范化,才能推动稳定有序的技术进步。