新型抽真空系統(tǒng)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(chuàng)新進步,真空射流泵也從第一代發(fā)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(jié)能減排、降低成本、保障安全、提高工程質(zhì)量等方面提出了更高的要求。傳統(tǒng)的真空射流泵已逐漸不能適應發(fā)展要求，高效節(jié)能水氣分離抽真空系統(tǒng)應運而生。

2.傳統(tǒng)抽真空系統(tǒng)概況

自上世紀80年代真空預壓在國內(nèi)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(tǒng)（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(nèi)水流入離心泵，形成高壓水；高壓水通過管路系統(tǒng)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(qū)，從而和水氣混合管內(nèi)形成壓力差，并將壓力差傳遞至膜下濾管、砂層、排水板內(nèi)。

圖1 新型抽真空設備構(gòu)造圖

真空射流泵目前已發(fā)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(nèi)，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(diào)整了泵箱外形及埋放位置，優(yōu)化了射流器的外形及孔徑。

真空射流泵雖經(jīng)四代改進，但其原理未變，射流過程中從水氣混合管內(nèi)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(huán)高壓水及高速水流上，能耗較高，且控制面積小，僅1000m2，設備數(shù)量多維護難度大，有一定局限性。

3.新型抽真空系統(tǒng)原理

新型抽真空系統(tǒng)原理與真空射流泵有本質(zhì)區(qū)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(nèi)空氣，從而使水氣混合口位置及其上部處于真空狀態(tài)；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(nèi)的55KW主真空泵系統(tǒng)。集中控制室位于加固區(qū)外，通過抽氣管路與加固區(qū)內(nèi)水氣分離罐內(nèi)連接，集中控制室還可放置顯示各水氣分離罐內(nèi)真空度及抽水泵開啟狀態(tài)的電子顯示裝置，管理人員在集中控制室內(nèi)就可遠程監(jiān)控施工區(qū)各設備的工作狀態(tài)，非常方便。集中控制室內(nèi)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(nèi)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(tǒng)，真空泵放置于加固區(qū)內(nèi)水氣分離罐附近，同時布置一個水罐，在水罐內(nèi)放置一個小的循環(huán)水泵，將循環(huán)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(tǒng)加固面積通常為8000～10000m2，如場地土質(zhì)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(tǒng)特點

與傳統(tǒng)真空射流泵相比，新型抽真空系統(tǒng)具有以下明顯優(yōu)勢。

（1）高效節(jié)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(huán)水的射流泵。而罐底水泵在罐內(nèi)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(tǒng)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(jù)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(tǒng)實際耗能約為射流泵系統(tǒng)的30%～40%。

（2）維護簡便，加固效果更有保證。在抽真空過程中經(jīng)常會遇到停電、泵損壞等問題，導致區(qū)內(nèi)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(zhì)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(qū)內(nèi)的壓力。區(qū)內(nèi)抽真空設備如果損壞，控制機房內(nèi)相應設備會立刻顯示報警信號和損害的部位，節(jié)省了排查時間，施工人員可快速趕到現(xiàn)場，更換損壞的設備。

新型設備由于設備數(shù)量少，監(jiān)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(tài)，加固效果更有保證。

（3）膜下真空度穩(wěn)定。膜下真空度是真空預壓地基處理最重要的參數(shù)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(zhuǎn)化率高，膜下真空度為85～90kPa，能長期穩(wěn)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)應注意問題

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

水氣分離罐內(nèi)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(nèi)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(nèi)，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(tǒng)采用了7.5kw抽真空系統(tǒng)（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(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，未出現(xiàn)真空度不穩(wěn)定及停泵等現(xiàn)象。真空預壓卸載后經(jīng)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(jié)語

經(jīng)過近幾年的工程實踐，由于其節(jié)能、高效、穩(wěn)定的優(yōu)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(tǒng)已有逐漸替代傳統(tǒng)射流泵的趨勢。目前以新型抽真空系統(tǒng)名義出現(xiàn)的設備眾多，設備結(jié)構(gòu)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(guī)范化,才能推動穩(wěn)定有序的技術進步。