淺談增壓式真空預(yù)壓在廣珠鐵路珠海西站工程中的創(chuàng)新及應(yīng)用

【摘 要】本文介紹了一種新型的真空預(yù)壓處理技術(shù)——增壓式真空預(yù)壓在廣珠鐵路珠海西站軟基處理工程中的創(chuàng)新、變革及應(yīng)用情況。鑒于該地區(qū)復(fù)雜的海相淤泥沉積層地質(zhì)條件，通過(guò)對(duì)常規(guī)真空預(yù)壓排水系統(tǒng)的改進(jìn)、增壓系統(tǒng)的研制，變開(kāi)放式排水系統(tǒng)為密閉式排水系統(tǒng)，引入增壓系統(tǒng)促進(jìn)后期預(yù)壓效果。并通過(guò)在珠海西站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)創(chuàng)新改進(jìn)工藝的實(shí)施效果表明，增壓式真空預(yù)壓使軟基進(jìn)行快速固結(jié)，在有限工期內(nèi)大幅度提高地基強(qiáng)度及固結(jié)深度，大大減少工后沉降，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的預(yù)期目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】增壓式真空預(yù)壓；珠海西站；創(chuàng)新及應(yīng)用

On the supercharged vacuum preloading

in Zhuhai, Guangzhou-Zhuhai railway station project in West Innovation and Application

Yuan Hai-chun

(Guangzhou-Zhuhai Railway Co., Ltd Guangzhou Guangdong 510620)

【Abstract】This paper introduces a new type of vacuum preloading technology —— supercharged vacuum preloading in Zhuhai, Guangzhou-Zhuhai Railway West Station soft ground treatment works in innovation, transformation and application. Given the complexity of the marine silt sediments geological conditions in the region, through the conventional vacuum preloading drainage system improvements, developed supercharging system, drainage system becomes open to closed drainage system, pressurization system to promote the introduction of post-preload effect . Through the innovative process improvements and implementation of the results showed that in Zhuhai West Station site, supercharged vacuum preloading the soft base for rapid consolidation, limited the period of substantial increase in strength and consolidation of foundation depth, greatly reduce the settlement, achieve improved target.

【Key words】Supercharged vacuum preloading;Zhuhai West Station;Innovation and application

1. 前言

（1）排水固結(jié)法是處理軟土地基的一種有效方法，其原理是利用天然地基土層本身的透水性或者設(shè)置在地基中的豎向排水體，通過(guò)地表加載預(yù)壓（真空預(yù)壓）使土體中的孔隙水排出。排水固結(jié)法由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組成，目前常用的方法有塑料排水板真空預(yù)壓法、袋裝砂井真空——堆載聯(lián)合預(yù)壓法、袋裝砂井——堆載預(yù)壓法、塑料排水板堆載預(yù)壓法、動(dòng)靜結(jié)合排水固結(jié)法等。

（2）珠三角西翼經(jīng)濟(jì)十分發(fā)達(dá)，但一直沒(méi)有建成鐵路，其中一個(gè)主要的原因就是該地區(qū)復(fù)雜的海相淤泥沉積層地質(zhì)狀況。廣珠鐵路2008年開(kāi)工以來(lái)在原鐵道部鑒定中心專(zhuān)家的指導(dǎo)下進(jìn)行了為期半年的攪拌樁試驗(yàn)，但最終由于在復(fù)雜地質(zhì)條件下達(dá)不到鐵路線路的強(qiáng)度變形要求，最終大部分地段改為橋梁形式通過(guò)，從而使工程造價(jià)大大提高。

（3）珠海西站地處圍海造塘而成海塘中，軟土深度厚且強(qiáng)度低，而貨運(yùn)站場(chǎng)區(qū)域大且到發(fā)線長(zhǎng)度長(zhǎng)等特點(diǎn)，采用高架車(chē)站形式時(shí)其造價(jià)可能是一個(gè)不小的數(shù)目；在同一區(qū)域內(nèi)攪拌樁試驗(yàn)失敗經(jīng)歷對(duì)站場(chǎng)路基原定的真空預(yù)壓排水固結(jié)工藝能否滿足鐵路加固要求也成了一個(gè)未知數(shù)。

（4）真空預(yù)壓技術(shù)手段改進(jìn)方面主要包括豎向排水體、橫向排水體的改進(jìn)、聯(lián)合堆載的應(yīng)用及配合動(dòng)力固結(jié)手段進(jìn)行加固；通過(guò)對(duì)工藝現(xiàn)狀的總結(jié)、分析、歸納，并結(jié)合珠海西站實(shí)際的工程問(wèn)題，認(rèn)為排水固結(jié)法存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題需要進(jìn)一步創(chuàng)新改進(jìn)：鑒于復(fù)雜地質(zhì)條件下常規(guī)塑料排水板排水效果不佳，需要著手研究解決排水板的排水效果；鑒于常規(guī)的真空預(yù)壓的橫向排水系統(tǒng)為開(kāi)放式系統(tǒng)，需要研發(fā)一整套密閉式排水系統(tǒng)，以加強(qiáng)真空預(yù)壓的效果。

（5）為此，在廣珠鐵路珠海西站站場(chǎng)區(qū)域引入改進(jìn)的增壓式真空預(yù)壓地基加固工藝。增壓式真空預(yù)壓的特點(diǎn)是真空預(yù)壓排水固結(jié)過(guò)程的同時(shí)，在豎向排水通道（塑料排水板）間部分土體進(jìn)行均勻加壓加速其排水固結(jié)的過(guò)程。

2. 工藝創(chuàng)新研究

由于增壓式真空預(yù)壓為一項(xiàng)新型技術(shù)，也沒(méi)有形成成套的施工工藝，因此在珠海西站施工過(guò)程中著重對(duì)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，研究?jī)?nèi)容包括：排水系統(tǒng)改進(jìn)、增壓系統(tǒng)的研制。

2.1 排水系統(tǒng)改進(jìn)研究。

2.1.1 排水系統(tǒng)構(gòu)成。真空排水系統(tǒng)由豎向排水通道、橫向排水通道、密封體系及抽真空設(shè)備組成。

2.1.2 常規(guī)式真空預(yù)壓工作原理。

（1）常規(guī)式真空預(yù)壓所采用的排水系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，地基土中的水分在壓差的作用下滲透進(jìn)入排水板內(nèi)，通過(guò)排水板頂進(jìn)入砂墊層，砂墊層中水分逐漸飽和，通過(guò)支濾管上的滲水孔進(jìn)入支濾管，匯入主管，最后通過(guò)與主管相連的真空泵排出。由于豎向排水通道和橫向排水通道是分離的，所以常規(guī)式真空預(yù)壓的真空排水系統(tǒng)不是一個(gè)密閉的系統(tǒng)。

（2）通常橫向排水通道主要由主管、支濾管及砂墊層組成。主管直徑=75mm，支濾管直徑=50 mm，支濾管上布設(shè)=8 mm的濾水孔、間距8cm，呈三角形排列，同時(shí)外包土工布，主要起到從砂墊層濾水進(jìn)支濾管作用。主管與支管間用變徑的三通或四通接頭連接，同管徑的對(duì)接采用軟接頭，外用鐵絲捆緊。

（3）密封體系主要由加固區(qū)域四周的密封溝及加固區(qū)域上鋪設(shè)的二層密封膜組成，密封膜四周通過(guò)埋入密封溝在加固區(qū)域形成一個(gè)完善的密封體系，確保在真空泵的作用下真空系統(tǒng)維持600mmHg真空度（即預(yù)壓荷載80KPa）。

（4）抽真空設(shè)備一般選取功率為7.5KW的真空泵，是真空系統(tǒng)產(chǎn)生600mmHg真空度的動(dòng)力來(lái)源。

2.1.3 常規(guī)式真空預(yù)壓排水系統(tǒng)的不足。常規(guī)式真空預(yù)壓雖然是一種比較合適的處理大面積軟基的方法，查閱相關(guān)資料和施工過(guò)程后發(fā)現(xiàn)常規(guī)真空預(yù)壓的排水系統(tǒng)存在以下不足：

endprint

(1)豎向排水通道即塑料排水板的通水性能隨著抽真空進(jìn)行大大降低。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明，在真空預(yù)壓抽真空進(jìn)行到50天左右時(shí)間，真空泵出水量已大大減少，我們分析塑料排水板的通水性減弱是最主要的原因之一。塑料排水板長(zhǎng)期被淤泥質(zhì)土包裹，淤泥對(duì)塑料排水板表層濾膜影響很大，導(dǎo)致濾膜的滲透系數(shù)大大降低，同時(shí)在抽真空過(guò)程中地基土發(fā)生沉降變形后使排水板產(chǎn)生一定的彎折，從而導(dǎo)致塑料排水板通水量大大下降。

(2)橫向排水通道即濾管通水性能隨著抽真空進(jìn)行大大降低。濾管埋設(shè)在砂墊層中，濾管表面的小孔及土工布長(zhǎng)期浸泡在含水砂墊層之中，被砂粒堵塞，土工布通水性能下降造成了橫向排水通道通水性能的大大降低。

(3)橫向排水通道主、支濾管均為硬性PVC管，不均勻的沉降變形產(chǎn)生的彎折將影響管路系統(tǒng)的排水性能。

(4)真空度的開(kāi)放性。常規(guī)式真空預(yù)壓的真空度通過(guò)真空泵——主管——濾管上小孔——密封膜下——塑料排水板（地基土中）的流程進(jìn)行傳遞，這種開(kāi)放式的真空傳遞對(duì)密封體系的要求很高，如果密封體系不密封完全，都將造成真空預(yù)壓效果大大降低。

(5)密封溝的密封性能有待提高。密封溝溝底必須挖至不透氣的淤泥層，對(duì)于有些回填層較厚的場(chǎng)地施工起來(lái)難度很大；而且密封溝施工占地面積大，后期對(duì)密封溝處的二次處理難度很大。

2.1.4 增壓式真空預(yù)壓排水系統(tǒng)的研制。通過(guò)對(duì)以上常規(guī)真空預(yù)壓排水系統(tǒng)不足點(diǎn)的研究分析，在查閱資料和前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出以下幾點(diǎn)方法改進(jìn)常規(guī)真空預(yù)壓系統(tǒng)中排水系統(tǒng)的不足：

（1）通過(guò)采用防淤堵整體塑料排水板來(lái)改善豎向排水通道的性能，主要是從排水板的材質(zhì)出發(fā)，主要考慮其排水板的復(fù)合體和濾膜特性，改進(jìn)后的塑料排水板參數(shù)如表1所示。

表1 整體塑料排水板規(guī)格與技術(shù)要求

復(fù)

合

體 材質(zhì) 聚乙烯、聚氯乙稀、聚丙稀

寬度 100±3mm

厚度 ≥4.0mm

抗拉強(qiáng)度 ≥2.4KN/10cm

舌型撕裂強(qiáng)度 ≥60N

抗彎折性能 180度對(duì)折5次不斷裂

縱向通水量 >40cm3/s

濾

膜

材質(zhì) 滌綸、丙綸等無(wú)紡織物

單位面積質(zhì)量 ≥100g/m2

厚度 ≥0.20mm

抗拉強(qiáng)度（干） ≥25N/cm

抗拉強(qiáng)度（濕） ≥25N/cm

等效孔徑 ≤0.10mm

滲透系數(shù) ≥5×10-3cm/s

（2）考慮常規(guī)真空預(yù)壓中排水系統(tǒng)的開(kāi)放性缺點(diǎn)，研制一整套封閉的排水系統(tǒng)，將主、濾管及砂墊層組成的開(kāi)放式真空系統(tǒng)改制由鋼絲軟管、手型接頭及防淤堵塑料排水板組成的密閉式真空系統(tǒng)，增壓式真空預(yù)壓的排水系統(tǒng)工作過(guò)程見(jiàn)圖1所示。

圖1 增壓式真空預(yù)壓工作運(yùn)行圖（3）采用密封墻代替密封溝作為密封體系。密封墻采用泥漿攪拌樁，攪拌樁機(jī)，以場(chǎng)地附近淤泥為材料，按照攪拌樁的施工工藝進(jìn)行密封墻的施工。每道密封墻共兩排樁，樁徑0.5米，樁長(zhǎng)進(jìn)入原地面以下1~1.5米，即樁長(zhǎng)約為4~5米，同一排樁之間相互咬合10cm，第一排樁與第二排樁之間咬合25cm，形成連續(xù)的墻狀結(jié)構(gòu)，起到止水、密封的效果，其平面布置圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 密封墻平面布置圖2.2 增壓系統(tǒng)的研制。

2.2.1 常規(guī)式真空預(yù)壓工作原理。常規(guī)式真空預(yù)壓工作原理是在真空泵的作用下，地基土與排水板形成壓力差，地基土中的自由水將在壓力的作用下沿著排水板向上經(jīng)由橫向排水系統(tǒng)排出，地基土孔隙水的排出增加了土體的有效應(yīng)力，從而減小了土中孔隙和含水量，進(jìn)而提高了地基的承載能力。

2.2.2 常規(guī)式真空預(yù)壓的不足點(diǎn)。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明，在真空預(yù)壓抽真空進(jìn)行到50天左右時(shí)間，真空泵出水量已大大減少，分析主要原因是由于隨著真空預(yù)壓的進(jìn)行，塑料排水板濾膜內(nèi)外產(chǎn)生的壓差減小，使軟土地基中水分運(yùn)動(dòng)減弱，真空預(yù)壓效果將受到限制。

2.2.3 增壓系統(tǒng)改善了常規(guī)真空預(yù)壓的排水系統(tǒng)。為了解決常規(guī)真空預(yù)壓的不足，搜集國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料，希望提出一種方法來(lái)解決掉真空預(yù)壓后期水分子運(yùn)動(dòng)緩慢，出水量少的問(wèn)題。

（1）真空聯(lián)合堆載。

A.堆載的主要作用是利用上部土方荷載作為加壓系統(tǒng)增加地基土的附加應(yīng)力，提高地基土的孔隙水壓力，從而加速了地基土中水分的排出。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推斷，1米厚堆載土的作用效果相當(dāng)于20KPa真空度的作用效果，進(jìn)行聯(lián)合堆載相當(dāng)于提升了真空系統(tǒng)真空度，可增加地基土中水分的排水效果，增強(qiáng)加固成果。

B.但在真空聯(lián)合堆載中有兩個(gè)難以解決困難。首先堆載時(shí)間的選擇，由于密封膜形成的密封體系非常脆弱，第一層堆載土施工需要格外留意，如果堆載施工導(dǎo)致密封系統(tǒng)的損壞，則真空預(yù)壓無(wú)法實(shí)現(xiàn)，其后果不堪設(shè)想；其次上部堆載的成本問(wèn)題，堆載前需要找料場(chǎng)和機(jī)械搬運(yùn)，在卸載后又需要棄土場(chǎng)，造成施工成本大大增加，并要求在堆載過(guò)程中保證一定的堆載速度保證地基土的穩(wěn)定性，從而造成了額外的時(shí)間成本。

C.真空聯(lián)合堆載是解決真空預(yù)壓后期出水量慢的一種有效辦法，但施工效果和經(jīng)濟(jì)效果不是特別理想。

（2）增加增壓系統(tǒng)。

A.常規(guī)真空預(yù)壓后期出水少的原因主要是塑料排水板濾膜內(nèi)外壓差減小，并有微小固體顆粒堵積，導(dǎo)致軟基中水分運(yùn)動(dòng)減弱不易排出，在常規(guī)真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上提出一整套增壓系統(tǒng)，增加地基土與排水板間的壓差，加速地基土的固結(jié)。

B.增壓系統(tǒng)的核心組件為增壓管，它由若干節(jié)依次相連的透水軟管組成，透水軟管由螺旋形彈性支撐架和濾布組成，每節(jié)透水軟管的兩頭置有可配接的螺紋接頭，第一節(jié)軟管前端上旋接有錐形封頭，最末節(jié)軟管后端旋接有法蘭。在塑料排水板間的土體中均勻插打增壓管，通過(guò)管網(wǎng)將增壓管與空壓機(jī)組成增壓系統(tǒng)，從而可對(duì)排水板間土體進(jìn)行均勻增壓，使土體中水分子在壓力作用下定向流動(dòng)，使軟基進(jìn)行快速固結(jié)，在有限工期內(nèi)大幅度提高地基強(qiáng)度及固結(jié)深度，大大減少工后沉降。

3. 工藝改進(jìn)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用防淤堵塑料排水板替換了普通塑料排水板作為豎向排水通道，克服了常規(guī)真空預(yù)壓過(guò)程中排水板長(zhǎng)期的排水效果差、易淤堵等缺點(diǎn)；用鋼絲軟管和75mmPVC管分別做為橫向排水通道的支管和橫向排水通道的主管，克服了以往橫向通道易損壞和抗彎折能力差等缺點(diǎn)；并以真空泵作為抽真空動(dòng)力設(shè)備形成了增壓式真空預(yù)壓一整套完整的排水系統(tǒng)。

（2）增壓式真空預(yù)壓采用的密閉式真空排水系統(tǒng)代替常規(guī)式真空預(yù)壓采用的開(kāi)放式真空排水系統(tǒng)，既保證了真空排水系統(tǒng)的暢通，使沙粒無(wú)法進(jìn)入真空排水系統(tǒng)，又能使真空直達(dá)塑料排水板內(nèi)部，使得塑料排水板濾膜內(nèi)外產(chǎn)生較大壓差，進(jìn)而將軟基中水分快速排出。同時(shí)密閉式真空排水系統(tǒng)采用鋼絲軟管組成管網(wǎng)體系代替開(kāi)放式真空排水系統(tǒng)采用的硬性PVC管組成管網(wǎng)體系，大大提高了管網(wǎng)體系應(yīng)對(duì)不均勻沉降的能力，有利于保證真空排水系統(tǒng)的密封性。

（3）利用空壓機(jī)作為增壓動(dòng)力設(shè)備，采用鋼絲軟管作為增壓管網(wǎng)系統(tǒng)支管，并采用75mmPVC管作為增壓管網(wǎng)系統(tǒng)主管，形成增壓式真空預(yù)壓一整套增壓系統(tǒng)。增壓式真空預(yù)壓在常規(guī)式真空預(yù)壓原有的真空排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套增壓系統(tǒng)，通過(guò)增壓系統(tǒng)對(duì)塑料排水板間土體進(jìn)行均勻增壓，使土體中水分子在壓力作用下定向流動(dòng)，對(duì)軟基進(jìn)行快速固結(jié)，在有限工期內(nèi)大幅度提高地基強(qiáng)度及固結(jié)深度，大大減少工后沉降，處理效果很好。

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（4）采用手型接頭和鋼絲軟管用于豎向和橫向真空系統(tǒng)的連接，并用木釘槍實(shí)現(xiàn)了兩者密閉相連，克服了以往開(kāi)放式預(yù)壓系統(tǒng)密封差、易淤堵等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了真空度的高效傳遞。

（5）研制了增壓管插管裝置，解決了增壓管插打困難、不易密封的施工難題。

4. 工程應(yīng)用情況及效果

（1）珠海西站為新建廣（州）珠（海）鐵路工程中二級(jí)三場(chǎng)區(qū)段站，全長(zhǎng)2950米，面積32萬(wàn)平方米，是廣珠鐵路中最大的車(chē)站。珠海西站地處20世紀(jì)60年代圍海造塘形成的海塘中，海相沉積地質(zhì)十分復(fù)雜，軟土深度厚且強(qiáng)度低。軟土厚度近50m，其中流塑狀淤泥層厚為15～18米。

（2）2009年5月開(kāi)始應(yīng)用本工藝進(jìn)行珠海西站的軟土地基加固處理施工，經(jīng)過(guò)不間斷的抽真空、增壓及聯(lián)合堆載施工，2010年8月全站各區(qū)段的監(jiān)控指標(biāo)陸續(xù)滿足了連續(xù)10～15天，觀測(cè)頻次不少于6次，連續(xù)兩次觀測(cè)最大沉降量差不大于2mm，日平均沉降量不大于1mm/d的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，平均達(dá)到了停抽真空、停止增壓、沉降穩(wěn)定的要求用時(shí)為8個(gè)月，較普通真空預(yù)壓所需的施工期1年相比節(jié)約了2個(gè)月時(shí)間，各區(qū)平均沉降量達(dá)到了2米，根據(jù)計(jì)算工后沉降可控制在20cm的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，珠海西站深厚海相軟土地基加固施工取得了非常有效的成果。

（3）本工程中首次采用增壓式真空預(yù)壓技術(shù)，成功解決了海相沉積深厚軟土地區(qū)鐵路站場(chǎng)工后沉降要求高、工期緊的難題，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，可為今后類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

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［作者簡(jiǎn)介］ 袁海春（1960-），男，籍貫：湖南省寧鄉(xiāng)縣人，職稱：工程師，工作單位：廣珠鐵路有限責(zé)任公司，工程管理部副部長(zhǎng)，主要從事鐵道工程的建設(shè)和管理工作。

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