城市建设使用地需求剧增, 建筑物逐渐外延至更广阔的滨海滩涂、海塘等软土地基之上, 软基处理项目愈发普遍。当遇到大面积的软基处理项目时, 采用真空预压法和真空堆载联合预压法需配备大量的射流式真空泵, 设备进场、安放、故障检修等给现场管理人员和施工人员带来了极大的工作量;同时, 软基加固区周边铺设的大量电缆也造成了较大的用电安全隐患;此外, 小型射流式真空泵连续不间断作业存在不必要的用电成本和能源耗费, 使施工成本高、环保效益低。

珠海横琴新区综合开发项目中心沟南区填筑工程位于珠海横琴新区磨刀门水道东侧浅滩区域, 整个场区填筑面积约4.43km², 共分为南1-1区~南1-5区、南2-1~南2-2区, 共7个区块。本工程为面积402 731.8m²的南1-4a区, 场地吹填平均厚度4.0m淤泥, 由于淤泥承载力低、固结时间长, 表层强度不能满足后续施工机械行走要求, 无法达到设计标准要求, 需先进行浅表层地基处理。工程平面位置如图1所示。

根据勘察钻孔揭露, 勘探深度范围内自上而下可分为:第四系冲洪积层 (Q^al-pl) 、人工素填土层 (Q^s) 、第四系海陆交互相 (Q^mc) 淤泥, 中部为陆相的粉质黏土, 中下部为冲湖积、陆相粉质黏土、冲洪积相黏土, 下部为燕山三期花岗岩 (γ₅^{2 (3)} ) 。

设计采用真空堆载联合预压法进行软基处理, 技术标准具体如下。

1) 真空预压试抽气10~15d, 当膜下真空度达到85k Pa后开始计时, 预计抽真空120d左右, 通过监测达到设计卸载要求后方可停泵卸载, 真空预压结束。

2) 最后10d内平均沉降速率<2mm/d。

3) 地基土预压荷载下, 固结度≥85%。

4) 交工面地基承载力特征值≥60k Pa。

项目于2015年6月开工, 设计采用传统真空堆载联合预压法进行软基处理, 工程计划开动400余台射流式真空泵施工, 现场管理难度大, 存在用电安全隐患、不必要的电能耗费高, 后与甲方及设计单位协商, 同意改用我司研制改良的大泵量节能真空堆载预压软基处理施工技术, 使用5台节能真空泵, 各连接8台水气分离罐进行整体软基水气抽吸。在施工过程中, 为保证地基处理的安全稳定及完工时满足设计要求, 现场落实完善了相关的监测与检测工作。

1) 真空预压系统的建立

真空预压系统由55k W大功率节能真空泵、水气分离罐及附属设备组成, 真空泵通过10根PVC-U管与下一级的10个水气分离罐相连 (见图2) ;每个水气分离罐上接入10根螺纹钢丝软管, 分别与加固体中铺设的10条真空主管连接 (见图3) , 形成整体抽吸水气传递路径。

软基水气抽吸的全过程为:开启节能真空泵后, 其吸气管路抽气产生吸力, 通过相连接的耐压PVC-U管, 改变水气分离罐内的气体容量形成罐体内部负压, 再通过耐压螺纹钢丝软管在真空管网系统内产生负压, 以可控的负压调节使软基中的水气混合体通过塑料排水板被抽吸至真空管网内, 继而输送到水气分离罐中, 通过重力作用完成软基水气在罐内的分离, 软基孔隙水沉落聚集通过排水管排出, 气体则继续被抽吸至节能真空泵内排入大气中。节能真空泵与水气分离罐连接如图4所示, 真空预压系统如图5所示。

2) 采用掌形接头连接塑料排水板与真空支管

加固区内铺设的纵横向真空主管与支管间以四通、三通接头相连, 其中真空支管采用掌形接头与塑料排水板连通, 如图6所示。

区别于传统真空堆载联合预压法需铺设砂垫层作为软基抽排水气的水平通道, 本技术无需施工砂垫层, 通过使用掌形接头直排技术, 使真空直达排水板传至加固土体内部, 避免了真空压力在传递过程中受砂垫层的阻尼作用导致的部分能量损失。

3) 新增自动抽排水气节能装置

当水气分离罐中聚集的软基孔隙水达到一定容量时, 节能真空泵自动感应停止运行, 水气分离罐内排水管道迅速打开, 潜水泵开启排水, 水位下降, 并在潜水泵即将空转时及时关闭管道阀门停止排水, 如图7所示。全过程实现感应式自动化控制, 既提高了操作的精准性, 又避免了软基中水气无效抽吸存在的不必要用电成本和能源耗费, 减少施工成本, 保证软基处理整体施工质量。

大泵量节能真空堆载预压软基处理施工工艺流程如图8所示。

1) 场地平整软基处理前进行场地检查清理, 对加固区中分布的块石进行挖运清除, 场地表层30cm内的杂草、草根、木头、竹竿、积水等影响施工的杂物和障碍物也一并挖除清理, 此外, 局部隆起的淤泥滩也需清扫摊平。

2) 施工搅拌桩密封墙当加固区边界存在透气填土或透水层较深时, 为确保密封效果, 真空堆载预压施工前需对加固区四周打设黏土泥浆搅拌桩帷幕, 形成封闭场地, 其渗透系数应<1×10^-5cm/s, 深度要求穿过淤泥层, 进入下卧不透水层1.0m。

3) 插设竖向塑料排水板 (1) 如施工面松软, 则铺设格栅工作垫层; (2) 排水板插入导管、穿靴, 在插管上划出控制标高的刻度线, 开动振动器将导管插至设计深度; (3) 完成打插后启动激振器, 连续缓慢抽拔提升导管; (4) 最后剪断排水板时要留露出原地面≥60cm的“板头”, 完成后移机下一处施工。

4) 铺设真空管网 (主管、支管) (1) 真空管路是纵横向布置的真空主管和支管, 采用螺纹钢丝软管材质, 以避免抽真空期间将管道撕裂或拉断; (2) 主管管径32mm, 支管管径25mm, 铺设的管路必须确保排水、气通畅; (3) 支管打孔加工后包好土工织物滤水层并捆扎结实, 滤水层只透水、气, 不透砂; (4) 将相邻2排排水板“板头”轻轻向中间集中靠拢, 通过掌形接头直接与置于中间位置的支管相连; (5) 支管与主管的连接采用与之匹配的变径三通、四通接头, 所有接头须牢固可靠, 保证连接良好, 不存在漏气点。

5) 铺设土工布、密封膜 (1) 土工布可采用缝接或搭接, 采用人工铺设, 在同侧同边同时进行, 将成卷的土工布一致逐步向前滚动铺开, 最后在交接处“包缝”接合;铺设时遇到较软处加铺泡沫板, 以防人员陷落。铺设完毕后在土工布周边使用砂袋叠压。 (2) 密封膜采用聚氯乙烯薄膜, 在工厂热合一次成型。人工将密封膜卷放在加固区场地上, 将膜边插入密封沟的黏土中, 选择顺风向同时展开铺设, 最后在各单元分区边界压入密封沟。

6) 布置节能真空泵、水气分离罐节能真空泵放置处需水平稳固, 可加铺1层木板固定, 其上连接PVC-U管与水气分离罐相接。按加固区每10 000m²布置1个水气分离罐, 罐中10个接口各连1根螺纹钢丝软管与1根真空主管相接。各管的接头处均保证密封良好, 安装完成后进行调试, 检查质量, 做好软基水气抽吸准备。

7) 抽真空、上层堆水预压 (1) 试抽气开启节能真空泵和水气分离罐, 认真观察真空表的变化, 正常情况下开泵后7d左右罐内真空度可达85 k Pa, 期间安排专人在地块内和膜沟附近巡查, 寻找是否存在漏气部位, 如出现漏气情况立即进行修补处理, 直至无漏气点为止。 (2) 填筑围堰

试抽真空约7d后, 开始填筑堆水围堰, 围堰布置在真空堆水预压分区线上。施工时分层控制围堰的填筑速率, 保证围堰的安全和稳定。围堰断面顶宽1.0m, 高1.8m, 由堆砂 (土) 和砂带构筑形成, 分层压实压密。 (3) 填土围堰形成封闭且试抽气完成后开始正式抽真空计时, 并在密封膜上堆水进行预压;经现场各项数据监控、试验检测和计算, 达到设计处理要求后经设计、监理、甲方单位同意停机卸泵。

8) 满载, 达到处理要求停机卸泵卸荷 (1) 抽预压水至设计深度后, 按设计要求时间进行真空堆载预压; (2) 真空荷载85k Pa, 预压水深1.5m; (3) 通过各项监测及检测数据计算判断是否达到设计要求, 满足条件后停止抽真空;软基处理结束时间需经设计单位同意。

1) 机械设备“以一抵十”效能高

传统射流式真空泵的处理面积为1 000m²/台, 本技术中水气分离罐的处理面积为10 000m²/台, 1台节能真空泵最多可接入10台水气分离罐, 处理面积高达100 000m²/台, 实现机械设备进场数量大幅度减少, 机械设备总体数量和能耗大大降低。

2) 提高施工工效

排水板改换成新型掌形接头直排技术, 无需施工水平砂垫层, 减少了真空压力在传递过程中的损耗, 提高真空压力的利用效率, 使软基处理工效在真空预压和堆载预压双重叠加作用的基础上再得到进一步提高, 从而减少抽真空满载时间, 缩短工期。

3) 降低施工成本

真空泵使用量降低, 节省了大笔的机械购置费、电费和设备维护费支出, 使施工成本得到有效控制;无需施工砂垫层, 减免了购砂费用, 降低施工综合成本。

4) 安全节能环保

真空泵使用量的降低, 一方面减少了加固场区的连接电缆, 降低现场用电安全隐患;另一方面大幅减少用电量, 实现省电节能, 环保效益高。

1) 社会效益

通过多项大面积软基处理工程的实践应用证明, 大泵量节能真空堆载预压软基处理施工技术在工程管理、处理工效、施工成本控制等方面都突显了巨大的优越性, 为解决同类项目存在的用电安全隐患大、管理难度大、电能无效耗费、施工成本高等问题提供了一种创新、实用的工艺技术, 现场用电量与传统工艺理论计算量相比大幅降低, 管理工作也得到极大简化, 得到建设单位、设计单位和监理单位的一致好评, 取得了显著的社会效益。

2) 经济效益

经济效益分析主要为传统真空堆载联合预压法和大泵量节能真空堆载预压软基处理施工工法的比较。以珠海横琴新区综合开发项目中心沟南区填筑工程南1-4a区地基处理工程为例, 软基处理采用大泵量节能真空堆载预压软基处理施工技术, 比传统真空堆载联合预压法, 工期减少17d, 缩短14.2%;费用减少1 456万元, 节省成本29.1%。

1) 随着建设用地需求的日益增长, 软基处理项目在基建中愈发普遍。当遇到大面积软基处理项目时, 采用传统真空堆载联合预压法带来了现场管理难度大、存在用电安全隐患、不必要的用电成本及能源耗费高等施工难题, 急需在现行技术中进行改良创新, 从施工工艺、机械设备、技术措施等方面寻找突破口。

2) 大泵量节能真空堆载预压软基处理施工技术采用55k W大功率节能真空泵替代传统7.5k W射流式真空泵, 通过与水气分离罐的连接, 创新地改变了真空负压的发生原理, 并新增掌形接头直排技术、自动抽排水气节能装置, 实现软基处理工效的极大提高, 在实际软基处理项目中取得了显著的社会效益和经济效益, 实现了保证质量、便捷经济、绿色环保的目标。