付 茜1 宋旭龍 于寶杰
(1.水利部海河水利委員會(huì),天津 300170;2.華北水利水電工程集團(tuán)有限公司,天津 300170)
天津?yàn)I海旅游區(qū)南灣河道開(kāi)挖及岸線建設(shè)項(xiàng)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(fèi)高,水下電纜用量大,水上作業(yè)維護(hù)費(fèi)用高,傳統(tǒng)方法無(wú)法解決施工成本高的難題。因此,施工單位通過(guò)開(kāi)展創(chuàng)新型QC課題進(jìn)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。
試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)水和氣分別抽取,即可減少施工成本。經(jīng)查詢(xún),目前抽真空設(shè)備除射流泵系統(tǒng)外,無(wú)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(lái)源于注射器。豎起注射器輕推時(shí),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(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了水氣分離,技術(shù)核心點(diǎn)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(shí),計(jì)時(shí)器顯示水氣分離狀態(tài)用時(shí)至少縮短40%,說(shuō)明減少了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間,節(jié)省了能源,提高了效率。因此,可以達(dá)到降低成本目的。
故確定課題為研發(fā)真空預(yù)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(biāo)為降低真空預(yù)壓工程施工成本8%(本工程為節(jié)約成本703萬(wàn)元)。
根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)可知,抽真空工序費(fèi)用占總成本的27.45%,抽真空工序射流泵系統(tǒng)電費(fèi)占總成本77.23%;研發(fā)新方法用時(shí)若減少40%,同等工況電能減少40%,假定其他因素不變,則電費(fèi)可減少40%。
經(jīng)計(jì)算可知,該工程總成本為8790萬(wàn)元,可節(jié)約成本744萬(wàn)元,若保留2% 富裕度,即研發(fā)新系統(tǒng)電費(fèi)減少38%時(shí)預(yù)計(jì)可節(jié)約總成本708萬(wàn)元,可滿足設(shè)定目標(biāo)要求。
為實(shí)現(xiàn)課題目標(biāo),針對(duì)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(yù)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(diǎn)是通過(guò)合并真空預(yù)壓區(qū)減少壓膜溝長(zhǎng)度,即減少透氣通道來(lái)提高射流泵抽真空效果。水氣分離真空預(yù)壓法創(chuàng)新點(diǎn)是研發(fā)水氣分別抽取及壓力傳導(dǎo)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(dá)到設(shè)備的最佳工效。黏土帷幕墻封閉法創(chuàng)新點(diǎn)是用連續(xù)、均勻黏土帷幕墻使真空預(yù)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(duì)上述三種總體方案從可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、有效性和技術(shù)難度方面進(jìn)行對(duì)比分析,見(jiàn)表1。
表1 總體方案比較與評(píng)價(jià)
通過(guò)分析,選定水氣分離真空預(yù)壓法為總體方案。
3.2.1 方案優(yōu)化
將水氣分離真空預(yù)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(jì)優(yōu)化為真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)、水氣分離裝置和真空泵三部分,見(jiàn)圖1。
圖1 方案優(yōu)化親和圖
3.2.2 方案分解
運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法將最佳方案水氣分離真空預(yù)壓法分解為真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)、研發(fā)水氣分離裝置和真空泵選型3個(gè)一級(jí)方案和材料選擇等9個(gè)二級(jí)方案,見(jiàn)圖2。
圖2 方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖
3.2.3 分級(jí)方案確定
3.2.3.1 布設(shè)真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)
a.布設(shè)原則。完成真空預(yù)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(dǎo)管網(wǎng),將抽真空負(fù)壓均勻傳遞到整個(gè)真空預(yù)壓處理區(qū)。壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)綁扎牢固,連接充分密實(shí)后將盲管埋入砂溝。
b.材料選擇。對(duì)50mm軟式PVC盲管和50mm鋼絲膠管從環(huán)剛度、扁平試驗(yàn)與通水量三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析,選擇最適宜經(jīng)濟(jì)性良好的50mm軟式PVC盲管為真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)管材。
c.連接方式。通過(guò)PVC三通與鋼制三通試驗(yàn)對(duì)比,選擇拉伸強(qiáng)度、維卡軟化溫度、抗沖擊性能均滿足使用要求且經(jīng)濟(jì)性良好的PVC三通為壓力傳導(dǎo)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(zhuān)門(mén)抽排,氣體由真空泵通過(guò)抽氣口抽排并保證真空度。潛水泵專(zhuān)門(mén)抽水,真空泵專(zhuān)門(mén)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(xué)性能、焊接性能與成本三方面進(jìn)行對(duì)比分析后,選用Q235鋼板制作裝置。
c.容積設(shè)計(jì)。綜合分析水氣分離裝置運(yùn)輸、安裝方法和真空預(yù)壓不同時(shí)段出水量等因素后, 選用設(shè)計(jì)容積為1.5m3的桶形結(jié)構(gòu)。
3.2.3.3 真空泵選型
通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研選定抽真空效率高、耐久性好、性能穩(wěn)定,能滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作需要、造價(jià)低、維護(hù)費(fèi)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(yù)壓法,即研發(fā)水氣分離真空預(yù)壓抽真空新系統(tǒng),該系統(tǒng)由壓力傳導(dǎo)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。
對(duì)確定的分級(jí)方案按“5W1H”原則制定對(duì)策表,見(jiàn)表2。
表2 對(duì) 策 表
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(jiàn)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(cè),水氣分離裝置密封性良好,達(dá)到了預(yù)期效果,且增加水位感應(yīng)器后能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
為保證設(shè)備數(shù)量減少時(shí)真空壓力均勻分布,特增加輻射形真空壓力傳導(dǎo)管網(wǎng)(即盲管),將水氣分離裝置產(chǎn)生的負(fù)壓均勻傳遞到真空預(yù)壓區(qū),使真空壓力分布更為均勻,加固質(zhì)量更好。
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(fù)壓滿足真空預(yù)壓地基加固要求,耐久性好,性能穩(wěn)定,滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作需要。通過(guò)調(diào)研分析,采用水環(huán)式真空泵。
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(fèi)用、管護(hù)成本大幅降低,新舊裝置現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比見(jiàn)圖4。
以南灣河道開(kāi)挖項(xiàng)目為例,真空預(yù)壓面積 82.92萬(wàn)m2,新系統(tǒng)降低總成本865.8萬(wàn)元,降幅9.85%。實(shí)現(xiàn)了降低工程施工成本8%的目標(biāo)。
新技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,減少人工水下作業(yè)不利因素對(duì)質(zhì)量的影響,便于管控。此外,創(chuàng)新布設(shè)的壓力傳導(dǎo)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(chǎng)對(duì)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。
通過(guò)本次創(chuàng)新型QC課題活動(dòng),研發(fā)了真空預(yù)壓軟土地基加固抽真空工序施工的水氣分離真空預(yù)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(jì)效益;提高了工程施工質(zhì)量安全效益,提高了團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新意識(shí)和能力。本QC成果2018年獲得中國(guó)水利工程協(xié)會(huì)水利工程優(yōu)秀質(zhì)量管理小組一類(lèi)成果獎(jiǎng)(SLQC 20180401002)。
本成果通過(guò)總結(jié)、整理、存檔,提高了工程施工標(biāo)準(zhǔn)化管理水平,用創(chuàng)新拓寬了降本增效途徑,實(shí)現(xiàn)了在同類(lèi)工程項(xiàng)目中的共享與推廣。