付 茜1 宋旭龍 于寶杰

(1.水利部海河水利委員會，天津 300170；2.華北水利水電工程集團有限公司，天津 300170)

1 項目概況

天津濱海旅游區(qū)南灣河道開挖及岸線建設(shè)項目軟基處理工程面積大，工期緊。其中抽真空施工采用常規(guī)設(shè)備射流泵系統(tǒng)，設(shè)備用量多，電費高,水下電纜用量大，水上作業(yè)維護費用高，傳統(tǒng)方法無法解決施工成本高的難題。因此，施工單位通過開展創(chuàng)新型QC課題進行新方法研發(fā)，用技術(shù)創(chuàng)新提高抽真空效率，解決降本增效難題。

2 選擇課題

2.1 課題目標設(shè)定

試驗和研究發(fā)現(xiàn)，射流泵系統(tǒng)抽取水氣混合體比分別抽取水和氣電能損耗大，如果能實現(xiàn)水和氣分別抽取，即可減少施工成本。經(jīng)查詢，目前抽真空設(shè)備除射流泵系統(tǒng)外，無效率更高的設(shè)備可采用。

水和氣分別抽取的創(chuàng)新思維來源于注射器。豎起注射器輕推時，由于密度的不同只將上部氣體推出，吸取的藥劑沉積在下部，一個簡單的動作實現(xiàn)了水氣分離，技術(shù)核心點是針管處于真空狀態(tài)。

拉力器控制下，同樣拉力抽取相同容積液體時，計時器顯示水氣分離狀態(tài)用時至少縮短40%，說明減少了設(shè)備運行時間，節(jié)省了能源，提高了效率。因此，可以達到降低成本目的。

故確定課題為研發(fā)真空預壓軟土地基加固抽真空新技術(shù)。

按照公司要求本課題目標為降低真空預壓工程施工成本8%(本工程為節(jié)約成本703萬元)。

2.2 目標可行性分析

根據(jù)施工經(jīng)驗可知，抽真空工序費用占總成本的27.45%，抽真空工序射流泵系統(tǒng)電費占總成本77.23%；研發(fā)新方法用時若減少40%，同等工況電能減少40%，假定其他因素不變，則電費可減少40%。

經(jīng)計算可知，該工程總成本為8790萬元，可節(jié)約成本744萬元，若保留2% 富裕度，即研發(fā)新系統(tǒng)電費減少38%時預計可節(jié)約總成本708萬元，可滿足設(shè)定目標要求。

3 提出方案并確定最佳方案

3.1 提出方案

為實現(xiàn)課題目標，針對提高抽真空效率、減少設(shè)備數(shù)量提出了聯(lián)合抽氣法、水氣分離真空預壓法和黏土帷幕墻封閉法三種總體方案。

聯(lián)合抽氣法創(chuàng)新點是通過合并真空預壓區(qū)減少壓膜溝長度，即減少透氣通道來提高射流泵抽真空效果。水氣分離真空預壓法創(chuàng)新點是研發(fā)水氣分別抽取及壓力傳導新方法，用不同的泵分別抽取水和氣，替代傳統(tǒng)方法中抽取水氣混合體效率不高的射流泵，達到設(shè)備的最佳工效。黏土帷幕墻封閉法創(chuàng)新點是用連續(xù)、均勻黏土帷幕墻使真空預壓處理區(qū)形成新的高密封系統(tǒng)，提高射流泵抽真空效率。

對上述三種總體方案從可實施性、經(jīng)濟性、有效性和技術(shù)難度方面進行對比分析，見表1。

表1 總體方案比較與評價

通過分析，選定水氣分離真空預壓法為總體方案。

3.2 確定最佳方案

3.2.1 方案優(yōu)化

將水氣分離真空預壓法的不同設(shè)想用親和圖整理、歸納，將新方法的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化為真空壓力傳導管網(wǎng)、水氣分離裝置和真空泵三部分，見圖1。

圖1 方案優(yōu)化親和圖

3.2.2 方案分解

運用頭腦風暴法將最佳方案水氣分離真空預壓法分解為真空壓力傳導管網(wǎng)、研發(fā)水氣分離裝置和真空泵選型3個一級方案和材料選擇等9個二級方案，見圖2。

圖2 方案設(shè)計系統(tǒng)圖

3.2.3 分級方案確定

3.2.3.1 布設(shè)真空壓力傳導管網(wǎng)

a.布設(shè)原則。完成真空預壓濾管鋪設(shè)后，增加以水氣分離裝置為中心的輻射狀真空壓力傳導管網(wǎng)，將抽真空負壓均勻傳遞到整個真空預壓處理區(qū)。壓力傳導管網(wǎng)綁扎牢固，連接充分密實后將盲管埋入砂溝。

b.材料選擇。對50mm軟式PVC盲管和50mm鋼絲膠管從環(huán)剛度、扁平試驗與通水量三個方面進行對比分析，選擇最適宜經(jīng)濟性良好的50mm軟式PVC盲管為真空壓力傳導管網(wǎng)管材。

c.連接方式。通過PVC三通與鋼制三通試驗對比，選擇拉伸強度、維卡軟化溫度、抗沖擊性能均滿足使用要求且經(jīng)濟性良好的PVC三通為壓力傳導管網(wǎng)連接組件。

3.2.3.2 研發(fā)水氣分離裝置

a. 工作原理。軟土地基內(nèi)孔隙水和氣體被抽入密閉的水氣分離裝置內(nèi)，在重力作用下水體沉淀于裝置下部，由潛水泵專門抽排，氣體由真空泵通過抽氣口抽排并保證真空度。潛水泵專門抽水，真空泵專門抽氣，設(shè)備處于最佳工況，大幅提高工作效率。

b.材料選擇。將不銹鋼板材和Q235鋼板的力學性能、焊接性能與成本三方面進行對比分析后，選用Q235鋼板制作裝置。

c.容積設(shè)計。綜合分析水氣分離裝置運輸、安裝方法和真空預壓不同時段出水量等因素后， 選用設(shè)計容積為1.5m3的桶形結(jié)構(gòu)。

3.2.3.3 真空泵選型

通過市場調(diào)研選定抽真空效率高、耐久性好、性能穩(wěn)定，能滿足長時間連續(xù)工作需要、造價低、維護費用低的水環(huán)式真空泵。

確定的最佳方案為水氣分離真空預壓法，即研發(fā)水氣分離真空預壓抽真空新系統(tǒng)，該系統(tǒng)由壓力傳導管網(wǎng)(放射狀布設(shè)、PVC三通連接的50mm軟式PVC管)、水氣分離裝置(容積為1.5m3、Q235鋼板制作桶狀裝置)和水環(huán)式真空泵組成。

4 制定對策

對確定的分級方案按“5W1H”原則制定對策表，見表2。

表2 對 策 表

5 對策實施

5.1 研制水氣分離裝置

根據(jù)裝置功能用途，確定水氣分離裝置結(jié)構(gòu)并繪制示意圖，見圖3，送設(shè)備廠制造。

圖3 水氣分離裝置結(jié)構(gòu)示意

經(jīng)檢測，水氣分離裝置密封性良好，達到了預期效果，且增加水位感應器后能實現(xiàn)自動控制。

5.2 布設(shè)真空壓力傳導管網(wǎng)

為保證設(shè)備數(shù)量減少時真空壓力均勻分布，特增加輻射形真空壓力傳導管網(wǎng)(即盲管)，將水氣分離裝置產(chǎn)生的負壓均勻傳遞到真空預壓區(qū)，使真空壓力分布更為均勻，加固質(zhì)量更好。

5.3 真空泵選型

水環(huán)式真空泵依靠旋轉(zhuǎn)變?nèi)菪纬烧婵?，抽氣效率高，但不能直接抽吸大量?尤其是含有大量泥沙的水)。該泵的真空負壓滿足真空預壓地基加固要求，耐久性好，性能穩(wěn)定，滿足長時間連續(xù)工作需要。通過調(diào)研分析，采用水環(huán)式真空泵。

6 效果檢查

6.1 成本效益

常規(guī)施工每900～1100m2安裝一套射流泵；新技術(shù)每8000～10000m2安裝一套水氣分離抽真空系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量、電纜及安裝費用、管護成本大幅降低,新舊裝置現(xiàn)場對比見圖4。

以南灣河道開挖項目為例，真空預壓面積 82.92萬m2，新系統(tǒng)降低總成本865.8萬元，降幅9.85%。實現(xiàn)了降低工程施工成本8%的目標。

6.2 質(zhì)量安全效益

新技術(shù)實現(xiàn)自動控制，減少人工水下作業(yè)不利因素對質(zhì)量的影響，便于管控。此外，創(chuàng)新布設(shè)的壓力傳導管網(wǎng)使真空壓力分布更均勻，地基加固質(zhì)量更好。

圖4 傳統(tǒng)射流泵技術(shù)與新技術(shù)現(xiàn)場對比

新技術(shù)的設(shè)備數(shù)量和水下電纜用量大幅減少，安全隱患大大降低。

7 結(jié) 語

通過本次創(chuàng)新型QC課題活動，研發(fā)了真空預壓軟土地基加固抽真空工序施工的水氣分離真空預壓法替代傳統(tǒng)方法，獲得了傳統(tǒng)方法難以取得的經(jīng)濟效益；提高了工程施工質(zhì)量安全效益，提高了團隊創(chuàng)新意識和能力。本QC成果2018年獲得中國水利工程協(xié)會水利工程優(yōu)秀質(zhì)量管理小組一類成果獎(SLQC 20180401002)。

本成果通過總結(jié)、整理、存檔，提高了工程施工標準化管理水平，用創(chuàng)新拓寬了降本增效途徑，實現(xiàn)了在同類工程項目中的共享與推廣。