QC课题中建三局北京公司创新型案例

-31-研制一种全长在承压水头以下的锚杆施工技术一、工程概况北京市CBD核心区Z14地块商业金融项目位于北京市朝阳区，建筑面积316000㎡，地上45层，地下6层，建筑高度238m。该工程基坑占地面积约16400㎡，开挖深度32.5m，基坑支护体系原设计为“地下连续墙+预应力锚杆+混凝土水平内支撑”。地连墙锚杆混凝土水平撑地连墙锚杆混凝土水平撑图1基坑支护体系效果图图2基坑支护体系剖面图三、选择课题(小组针对现有的技术、工艺、技能、方法等无法实现或满足工作任务的实际需求，运用新思维选择的创新课题)根据总承包工程合同文件，本工程开工日期为2014年4月8日，地下室主体结构封顶日期为2015年6月30日，节点工期为448天。如按基坑支护体系原设计施工，当桩基施工60%时插入混凝土内支撑施工，完成后进行土方开挖施工，并在土方开挖25%时插入地下室主体结构施工。由于混凝土内支撑的存在对土方开挖与地下室主体结构施工造成一定降效，因此预计施工工期为510天，节点工期目标无法实现。图3基坑支护原设计工期进度图通常情况下，深基坑的支护体系多为地下连续墙（咬合桩）+预应力锚杆，如基坑底标高位于承压水头以下，在承压水的作用下锚杆无法施工，则需加设混凝土水平内支撑。本工程底板标高为-32.50m，第二层承压水含水层标高为-27.61m，-27.61m～-32.50m之间无法施工锚杆，故原基坑支护体系设计在地下连续墙+预应力锚杆的基础上于-28.50m标高处增加一道混凝土水平内支撑。QC小组通过讨论提出构想：能否通过创新施工工艺克服承压水对锚杆施工的影响，从而采用承压水下锚杆取代混凝土水平内支撑，进而节约工期？为此，QC小组通过国家科技图书文献中心、国家科技成果网、维普资讯、万方数据、中国学术期刊网、中国知网进行相关文献检索，检索词为：承压水下、锚杆、施工，并检索出四篇类似文献，分别为《国家大剧院工程高承压水巨厚卵石层中锚杆施工》（施工技术，2004,33（1））；《锚杆在砂土地层或承压水地层中注浆施工的研究》（施工技术，2009年S1期）；《工后锚杆施工技术在承压水沙层中的应用》（城市建筑。2013，（20））；《锚杆支护及在高承压水土层基坑中的应用》（地质科技情报，2005,24（zl））。其中已完工程国家大剧院对本次QC活动参考意义较大。QC小组通过进一步查阅国家大剧院基坑工程资料并咨询国家大剧院项目施工技术人员得知，国家大剧院基础埋深大部分面积为-28.5m，局部台仓埋深-32.5m，基坑支护形式为“地下连续墙+锚杆”。图4国家大剧院效果图图5国家大剧院基坑支护剖面图国家大剧院工程地下承压水头标高为-16.92m，第三排锚杆锚头标高为-14.50m，锚杆部分位于承压水头以下，而本工程锚杆全长位于承压水头以下，国内目前尚无施工先例。图6地下承压水与锚杆位置关系图因此，QC小组确定课题：研制一种全长在承压水头以下的锚杆施工技术。四、制定目标小组围绕课题目的设定目标，目标设定应满足以下要求：与课题所达到的目的保持一致；将课题的目的转化为可测量的课题目标；目标设定不宜多）1、活动目标如按基坑支护原设计进行施工，预计地下室结构封顶时间为2015年8月31日，而根据总承包工程合同要求，地下室结构封顶时间为2015年6月30日，因此需通过改善基坑支护方式节约工期62天方可满足合同节点要求，即此次活动目标为节约工期62天。2、目标可行性分析（小组应对设定的课题目标，进行目标可行性分析；将借鉴的相关数据与设定目标值进行对比和分析；分析小组拥有的资源，具备的能力与课题的难易程度；依据事实和数据，进行定量分析与判断）国家大剧院类似锚杆长度为16m，每台钻机每天可施工3根锚杆。本工程锚杆长度为23m，锚杆全长位于承压水头以下，施工工艺较国家大剧院工程锚杆更为复杂，预计每台钻机每天可施工2根锚杆。根据规范要求，同时施工的两台钻机间距不应小于20m，本工程锚杆施工区域长约50m，最多可两台钻机同时施工。若采用锚杆取代混凝土水平内支撑，根据锚杆设计规范要求及现场实际情况，共需施工锚杆110根。两台钻机同时施工，28天可完成施工任务。根据国家大剧院类似锚杆施工经验，锚杆施工可与其余土方开挖同时进行，不占用总工时，且锚杆施工占用场地较小，对土方施工及后期结构施工不产生降效问题。因此，经计算，采用水下锚杆取代混凝土水平内支撑理论最多可节约工期81天（510d-429d=81d），进而实现制定目标。图7原设计所需工期图8改善基坑支护方式后所需工期五、提出并确定方案（小组针对课题目标，提出方案应：提出可能达到预定目标的各种方案并对所有方案进行整理；方案包括总体方案与分级方案，总体方案应具有创新性和相对独立性，分级方案应具有可比性，以供比较和选择）1、研制难点全长在承压水头以下的锚杆研制难点有二：一、如何保证锚杆孔口封堵密实，确保无涌水涌砂现象；二：如何保证锚杆拉拔力在承压水头以下满足设计要求。图9研制难点为此，QC小组制定以下研制框架，并通过试验比选确定最终研制方案。图10方案研制框架（确定最佳方案小组对所有整理后的方案进行比较和评价，确定最佳方案：方案分解应逐层展开到可以实施的具体方案；方案评价应用事实和数据对经过整理的方案进行逐一分析和论证；方案确定方式包括现场测量、实验和调查分析。）2、通过锚杆试验进行方案比选2.1试验准备（1）编制《承压水下锚杆施工试验方案》并进行专家论证；（2）在施工现场6-6剖处进行局部土方开挖作为试验区域；图12试验区域示意图（3）试验锚杆施工前搭建排水系统。图13搭建排水系统2.2试验方法通过控制变量法进行试验，试验分四组，分别对地连墙上孔洞封堵材料、地连墙后土方塌陷封堵材料、注浆方法和注浆材料进行比选。在施工过程中记录试验数据、分析试验效果，为方案比选提供可靠依据。表2试验锚杆编号表试验组别比选内容锚杆编号试验一组地连墙上孔洞封堵堵材料SYMG-1SYMG-2SYMG-3SYMG-4试验二组地连墙后土方塌陷陷封堵方法SYMG-5SYMG-6试验三组注浆方法SYMG-7SYMG-8试验四组注浆材料SYMG-9SYMG-103、一级方案选择3.1成孔机械由于本工程所研制锚杆全长位于承压水头以下，因此成孔方法选择双套管清水循环钻进法。采用该方法进行锚杆成孔的钻机主要有三种型号：①JD180B履带式多功能钻机；②JD110B全液压履带式多功能钻机；③ZSY-70全液压履带式多功能钻机。各自性能参数如下表：表3钻机性能参数表JD180B履带带式多功能钻钻机JD110B全液液压履带式多多功能钻机ZSY-70全液液压履带式多多功能钻机外形尺（L×W×H）8350×22000×2900（大尺寸）6550×22000×2800（中尺寸）4550×18000×2200（小尺寸）液压系统压力20Mpa（满足足）20Mpa（满足足）15Mpa（满足足）推进力57000N（满满足）53000N（满满足）49000N（满满足）起拔力85000N（满满足）71000N（满满足）68000N（满满足）最大推进速度56m/min（满满足）38.33m/mmin（满足足）24m/min（满满足）最大起拔速度39.5m/miin（满足）28.75m/mmin（满足足）25.05m/mmin（满足足）夹持钻具直径65~225mmm（满足）60~273mmm（满足）40~125mmm（不满足）夹紧力157kN（满足足）190kN（满足足）170kN（满足足）由于现场施工场地狭小，锚杆施工、桩基施工与土方开挖同时进行，故应在满足钻孔要求的前提下尽量采用小尺寸钻机，即ZSY-70全液压履带式多功能钻机最佳，但由于该型号钻机夹持钻具直径为40～125mm，而本工程锚杆设计直径为150mm，该钻机无法满足要求，因此，选用JD110B全液压履带式多功能钻机作为承压水下锚杆施工机械。3.2孔口封堵工艺3.2.1地连墙上孔洞封堵地连墙上孔洞封堵材料备选方案共四种，分别为①油麻丝；②速凝堵漏型“水不漏”；③油麻丝+速凝堵漏型“水不漏”；④干海带+速凝堵漏型“水不漏”。2014年5月10日，QC小组于基坑6-6剖处进行锚杆试验一组施工，小组成员高春、刘杨、龚应波进行现场旁站指导，李辉负责数据记录。试验方法及比选依据详见下表：表4试验方法指导表试验锚杆编号地连墙上孔洞封堵堵材料操作方法比选依据依据量化SYMG-1油麻丝将油麻丝与黄油混混合后填充孔孔洞1、操作难易度2、2h内孔口封堵效效果3、成本1、操作完成时间（应应小于45mmin）2、2h内孔口封堵密密实率（%）3、单孔封堵成本（元元/孔）SYMG-2速凝堵漏型“水不不漏”按1：0.2的粉水质量量比揉捏成团团后填充孔洞洞SYMG-3油麻丝+速凝堵漏漏型“水不漏漏”孔口前1/3段塞塞入干海带，后后2/3段填充充“水不漏”SYMG-4干海带+速凝堵漏漏型“水不漏漏”孔口前1/3段塞塞入油麻丝，后后2/3段填充充“水不漏”其中，2h内能否100%封堵为比选重点。现场试验结果如下：表5试验结果记录表试验锚杆编号孔洞封堵材料封堵直观效果2h内孔口封堵密密实率单孔完成时间成本（元/孔）SYMG-1油麻丝地下水易将黄油冲冲淡，无法封封堵密实，且且污染环境73%18min90SYMG-2速凝堵漏型“水不不漏”孔洞深，深处位置置无法填充密密实，有地下下水及泥沙涌涌出88%30min100SYMG-3干海带+速凝堵漏漏型“水不漏漏”干海带遇水膨胀，孔孔洞封堵密实实，无涌水、涌涌砂100%26min130SYMG-4油麻丝+速凝堵漏漏型“水不漏漏”孔洞封堵较密实，有有少量地下水水流出94%26min130虽然干海带+速凝堵漏型“水不漏”封堵成本最高，单孔完成时间相对较长，但封堵效果最好，2h内孔口封堵密实率为100%，因此选用干海带+速凝堵漏型“水不漏”作为地连墙上孔洞封堵材料。图14地连墙钻孔图15孔洞封堵图16质量验收记录表图17干海带3.2.2地连墙后土方塌陷封堵锚杆施工过程中，当钻机外管拔出时，地连墙内侧孔口处会有少量土方塌陷，为保证孔口封堵密实，需对塌陷处进行注浆封堵。比选方法有两种，分别为：①先封口后注浆；②先注浆后封口。通过试验二组进行比选，比选方法如下：图18孔口塌陷示意图表6试验方法指导表试验锚杆编号SYMG-5SYMG-6地连墙上孔洞封堵堵材料干海带+速凝堵漏漏型“水不漏漏”地连墙后土方塌陷陷封堵方式先封口后注浆先注浆后封口操作方法先从孔外直接向孔孔内注浆，直直至浆液溢出出孔口，然后后采用干海带带+速凝型“水水不漏”封口口先采用干海带+速速凝型“水不不漏”封堵孔孔口，过程中中插入注浆管管，封堵密实实后，通过注注浆管进行孔孔内注浆比选依据1、操作难易度；2、孔口最最终封堵效果果依据量化1、操作完成时间（应应大于45mmin，且小小于120mmin）；2、孔口封堵堵密实率（%%）同样，孔口能否100%封堵为比选重点。2014年5月11日，QC小组于基坑6-6剖处进行锚杆试验二组施工，小组成员高春、白清江、谢亨山进行现场旁站指导，邵洋负责数据记录。现场试验结果如下：表7试验结果记录表试验锚杆编号比选方案封堵直观效果孔洞封堵密实率单孔完成时间SYMG-5先注浆后封口孔口初期无涌水涌涌砂，后期有有少量涌水70%68minSYMG-6先封口后注浆孔口无涌水涌砂100%92min图19先封口后注浆图20先注浆后封口以孔口封堵效果为第一关注点，其中，采用先注浆后封口方式封堵的孔口初期无涌水涌砂，但后期有少量涌水发生，而采用先封口后注浆方式封堵的孔口封堵效果较好，孔口无涌水涌砂现象，孔口封堵密实率为100%，因此选用先封口后注浆方式作为地连墙后土方塌陷部分封堵方法。3.2.3注浆方法根据文献查阅结果，借鉴国家大剧院水下锚杆施工经验，水下锚杆注浆通常分为两次注浆，即”一次注浆+二次高压劈裂注浆”，由于本工程锚杆全长在承压水头以下，无先例可供参考，对承压水对锚杆拉拔力影响无法估计，因此试验三组比选选项增加“一次注浆+二次微压注浆+三次高压劈裂注浆”。比选方法如下：表8试验方法指导表试验锚杆编号SYMG-7SYMG-8注浆方法一次注浆+二次高高压劈裂注浆浆一次注浆+二次微微压注浆+三次高压劈劈裂注浆操作方法通过一次注浆管进进行灌浆，当当水泥浆液从从孔口溢出时时停止注浆，一一次注浆完成成24小时后进进行二次劈裂裂注浆，以22～5MPa压力力能稳压3分钟为终止止条件通过一次注浆管进进行灌浆，当当水泥浆液从从孔口溢出时时停止注浆，随随后每拔出一一段外管，顺顺着一次注浆浆管进行二次次微压注浆一一次，二次注注浆完成244小时后进行行三次劈裂注注浆，以2～5MPa压力力能稳压3分钟为终止止条件注浆材料P.O42.5普普通硅酸盐水水泥砂浆比选依据是否满足锚杆轴力力设计要求依据量化试验锚杆平均轴力力值＞10880kN2014年5月12日上午，QC小组于基坑6-6剖处进行锚杆试验三组施工，小组成员高春、白清江、龚应波进行现场旁站指导，李辉负责数据记录。2014年5月20日，QC小组委托筑之杰建筑工程检测有限责任公司对试验锚杆进行张拉检测。现场试验结果如下：表9试验结果记录表试验锚杆编号注浆方法平均净操作时间锚杆轴力设计值第一组试验平均轴轴力值第二组试验平均轴轴力值第三组试验平均轴轴力值SYMG-7一次注浆+二次高高压劈裂注浆浆32min1080kN959kN（不满足）854kN（不满足）913kN（不满足）SYMG-8一次注浆+二次微微压注浆+三次高压劈劈裂注浆56min1193kN（满足）1193kN（满足）1326kN（满足）结果显示，采用两次注浆的水下锚杆平均轴力值均小于1080kN，不满足设计要求，而采用三次注浆的水下锚杆拉拔至1193kN、1326kN时锚杆均未出现规范要求终止加载的情况，即锚杆平均轴力值可达到1193kN、1326kN，大于1080kN，满足设计要求。因此选择一次注浆+二次微压注浆+三次高压劈裂注浆作为承压水下锚杆的注浆方法。图21检测报告原因分析：承压水下锚杆一次注浆体被承压水挤压，导致注浆体不饱满，一次注浆后增加二次微压注浆可确保注浆体饱满，进而保证锚杆拉拔力满足基坑支护要求。由此，一级方案全部确定。图22一级方案比选结果4、二级方案选择根据其他工程类似锚杆施工经验，锚杆注浆材料通常为水泥砂浆，且试验三组注浆方法比选中锚杆注浆材料也为水泥砂浆，锚杆平均轴力值大于1080kN，满足设计要求。但由于水泥砂浆需要现场进行水泥与砂石拌制，增加现场施工工序，且砂石中含泥量与含水量难以控制进而影响锚杆质量，因此能否采用水泥净浆作为注浆材料为试验四组比选内容。SYMG-9、SYMG-10以“一次注浆+二次微压注浆+三次高压劈裂注浆”方法进行注浆，注浆材料分别为水泥净浆与水泥砂浆。QC小组委托筑之杰建筑工程检测有限责任公司对试验锚杆进行张拉检测，试验结果如下：表10试验结果记录表试验编号注浆材料制备难度砂石含泥量影响砂石含水量影响平均轴力值轴力设计值SYMG-9水泥净浆易无影响无影响1326kN（满足）1080kNSYMG-10水泥砂浆现场增加工序较难保证较难保证1326kN（满足）结果显示，两根锚杆在张拉至1326kN时，锚杆均未出现规范要求终止加载的情况，即锚杆平均轴力值均可达到1326kN，大于1080kN，满足设计要求。因此此组试验比选结果为采用水泥净浆作为锚杆注浆材料。通过以上四组试验、10根试验锚杆施工、两级方案比选本工程全长在承压水头以下的锚杆施工方案全部确定。图23全部方案比选结果六、制定对策针对所确定的方案制定相关对策、目标与措施，具体内容详见下表：表11方案对策表方案对策(what)目标(why)措施(how)责任人(who)地点(wheree)完成时间(when)JD110B全液液压履带式多多功能钻机采用JD110BB全液压履带带式多功能钻钻机进行锚杆杆成孔锚杆一次成孔率1100%1、预定钻机厂家，提提前进场两台台锚杆钻机。高春施工现场2014年8月113日2、正式锚杆施工前前完成排水系系统搭建3、锚杆钻机跳打成成孔干海带+速凝堵漏漏型“水不漏漏”制定采用干海带++速凝堵漏型型“水不漏”进进行地连墙上上孔洞封堵施施工工艺锚杆孔口封堵密实实率100%%1、采用干海带填充充孔口里2//3孔深刘杨施工现场2014年8月113日2、采用“水不漏”按按1：0.2粉水质质量比混合填填塞剩余1//3孔深先封口后注浆制定采用先封口后后注浆方式进进行地连墙后后土方塌陷封封堵施工工艺艺1、在孔口封堵同时时插入一根孔孔口注浆管与与一根排水、排排气管2、一次注浆完成55小时后进行行孔口封堵注注浆3、注浆压力维持00.5～0.8MPPa，水泥浆浆水灰比为11:0.5一次注浆+二次微微压注浆+三次高压劈劈裂注浆制定采用水泥净浆浆进行一次注注浆+二次微压注注浆+三次高压劈劈裂注浆施工工工艺锚杆抗拔承载力满满足设计要求求，验收合格格率为1000%1、水泥采用P.OO42,5普普通硅酸盐水水泥，水泥浆浆水灰比为11:0.5白清江施工现场2014年8月220日2、每拔出一段钻机机外管进行二二次微压注浆浆一次，注浆浆压力为0..5～0.8MPPa，稳压1miin水泥净浆3、二次注浆完成224小时后进进行三次劈裂裂注浆，注浆浆压力为2～5MPa，稳稳压3minn，水：水泥泥：压浆剂==3:10::14、锚杆验收试验培训考核课件培训试卷考核考试通过率1000%1、形成培训课件对对组员进行培培训龚应波项目会议室2014年5月220日2、将承压水下锚杆杆施工重点及及注意事项形形成试卷3、考核施工技术人人员八、效果考核8.1承压水下锚杆施工由于全长在承压水头以下的锚杆施工技术研制成功，项目采用1排承压水下锚杆取代混凝土水平内支撑，110根锚杆顺利施工完成，锚杆轴力值均满足设计要求，验收合格率100%。由于锚杆施工与土方开挖同时进行，不单独占用关键线路工期，因此节约原混凝土水平内支撑所占关键线路工期58天。且锚杆施工占用场地较小，施工完成后不占用建筑红线内区域，因此对土方施工、主体结构施工不造成降效问题，达到节约工期的效果。8.2土方开挖施工本工程土方量约为121000m3，北京白天禁止出土，项目充分利用夜间施工，每天出土约1000m3，现场出土完成情况如下：表16土方开挖施工记录表出土进度计划完成时间实际完成时间完成率是否完成对策目标标原因分析25%2014.8.2282014.8.22996.9%是开工初期磨合降效效50%2014.9.2282014.9.225105.1%是/75%2014.10..282014.11..1385.2%否APEC会议停工工14天100%2014.11..282014.12..495.3%是开展土方抢工由于开工初期磨合降效，土方出土25%进度节点滞后1天完成，完成率96.9%，即地下室主体结构延迟1天插入施工。8.3地下室主体结构施工地下室主体结构施工期间，由于受天气、雾霾、政府政策停工等多方面影响，过程节点工期完成情况变数较大，通过项目合理组织、积极抢工保证最终节点工期顺利完成。地下室主体结构施工进度如下：图40地下室主体结构施工进度图最终，B1M层结构完成时间为2015年6月19日，完成率为106.6%。8.4目标完成情况活动前，如采用基坑支护原设计进行施工，预计地下室结构封顶时间为2015年8月31日。活动后，由于承压水下锚杆研制成功，节约原混凝土水平内支撑施工预计占用的关键线路工期，同时通过项目合理组织、积极抢工，最终地下室结构封底时间为2015年6月19日，顺利完成节点工期目标（2015年6月30日）。与活动前相比，节约工期73天，超额完成节约工期62天的目标。8.5其他效果（1）承压水下锚杆成功取代混凝土水平内支撑在为项目节约一定工期的同时也节约了较大的经济成本，