-31-研制一種全長在承壓水頭以下的錨桿施工技術一、工程概況北京市CBD核心區Z14地塊商業金融項目位于北京市朝陽區，建筑面積316000㎡，地上45層，地下6層，建筑高度238m。該工程基坑占地面積約16400㎡，開挖深度32.5m，基坑支護體系原設計為“地下連續墻+預應力錨桿+混凝土水平內支撐”。地連墻錨桿混凝土水平撐地連墻錨桿混凝土水平撐圖1基坑支護體系效果圖圖2基坑支護體系剖面圖三、選擇課題(小組針對現有的技術、工藝、技能、方法等無法實現或滿足工作任務的實際需求，運用新思維選擇的創新課題)根據總承包工程合同文件，本工程開工日期為2014年4月8日，地下室主體結構封頂日期為2015年6月30日，節點工期為448天。如按基坑支護體系原設計施工，當樁基施工60%時插入混凝土內支撐施工，完成后進行土方開挖施工，并在土方開挖25%時插入地下室主體結構施工。由于混凝土內支撐的存在對土方開挖與地下室主體結構施工造成一定降效，因此預計施工工期為510天，節點工期目標無法實現。圖3基坑支護原設計工期進度圖通常情況下，深基坑的支護體系多為地下連續墻（咬合樁）+預應力錨桿，如基坑底標高位于承壓水頭以下，在承壓水的作用下錨桿無法施工，則需加設混凝土水平內支撐。本工程底板標高為-32.50m，第二層承壓水含水層標高為-27.61m，-27.61m～-32.50m之間無法施工錨桿，故原基坑支護體系設計在地下連續墻+預應力錨桿的基礎上于-28.50m標高處增加一道混凝土水平內支撐。QC小組通過討論提出構想：能否通過創新施工工藝克服承壓水對錨桿施工的影響，從而采用承壓水下錨桿取代混凝土水平內支撐，進而節約工期？為此，QC小組通過國家科技圖書文獻中心、國家科技成果網、維普資訊、萬方數據、中國學術期刊網、中國知網進行相關文獻檢索，檢索詞為：承壓水下、錨桿、施工，并檢索出四篇類似文獻，分別為《國家大劇院工程高承壓水巨厚卵石層中錨桿施工》（施工技術，2004,33（1））；《錨桿在砂土地層或承壓水地層中注漿施工的研究》（施工技術，2009年S1期）；《工后錨桿施工技術在承壓水沙層中的應用》（城市建筑。2013，（20））；《錨桿支護及在高承壓水土層基坑中的應用》（地質科技情報，2005,24（zl））。其中已完工程國家大劇院對本次QC活動參考意義較大。QC小組通過進一步查閱國家大劇院基坑工程資料并咨詢國家大劇院項目施工技術人員得知，國家大劇院基礎埋深大部分面積為-28.5m，局部臺倉埋深-32.5m，基坑支護形式為“地下連續墻+錨桿”。圖4國家大劇院效果圖圖5國家大劇院基坑支護剖面圖國家大劇院工程地下承壓水頭標高為-16.92m，第三排錨桿錨頭標高為-14.50m，錨桿部分位于承壓水頭以下，而本工程錨桿全長位于承壓水頭以下，國內目前尚無施工先例。圖6地下承壓水與錨桿位置關系圖因此，QC小組確定課題：研制一種全長在承壓水頭以下的錨桿施工技術。四、制定目標小組圍繞課題目的設定目標，目標設定應滿足以下要求：與課題所達到的目的保持一致；將課題的目的轉化為可測量的課題目標；目標設定不宜多）1、活動目標如按基坑支護原設計進行施工，預計地下室結構封頂時間為2015年8月31日，而根據總承包工程合同要求，地下室結構封頂時間為2015年6月30日，因此需通過改善基坑支護方式節約工期62天方可滿足合同節點要求，即此次活動目標為節約工期62天。2、目標可行性分析（小組應對設定的課題目標，進行目標可行性分析；將借鑒的相關數據與設定目標值進行對比和分析；分析小組擁有的資源，具備的能力與課題的難易程度；依據事實和數據，進行定量分析與判斷）國家大劇院類似錨桿長度為16m，每臺鉆機每天可施工3根錨桿。本工程錨桿長度為23m，錨桿全長位于承壓水頭以下，施工工藝較國家大劇院工程錨桿更為復雜，預計每臺鉆機每天可施工2根錨桿。根據規范要求，同時施工的兩臺鉆機間距不應小于20m，本工程錨桿施工區域長約50m，最多可兩臺鉆機同時施工。若采用錨桿取代混凝土水平內支撐，根據錨桿設計規范要求及現場實際情況，共需施工錨桿110根。兩臺鉆機同時施工，28天可完成施工任務。根據國家大劇院類似錨桿施工經驗，錨桿施工可與其余土方開挖同時進行，不占用總工時，且錨桿施工占用場地較小，對土方施工及后期結構施工不產生降效問題。因此，經計算，采用水下錨桿取代混凝土水平內支撐理論最多可節約工期81天（510d-429d=81d），進而實現制定目標。圖7原設計所需工期圖8改善基坑支護方式后所需工期五、提出并確定方案（小組針對課題目標，提出方案應：提出可能達到預定目標的各種方案并對所有方案進行整理；方案包括總體方案與分級方案，總體方案應具有創新性和相對獨立性，分級方案應具有可比性，以供比較和選擇）1、研制難點全長在承壓水頭以下的錨桿研制難點有二：一、如何保證錨桿孔口封堵密實，確保無涌水涌砂現象；二：如何保證錨桿拉拔力在承壓水頭以下滿足設計要求。圖9研制難點為此，QC小組制定以下研制框架，并通過試驗比選確定最終研制方案。圖10方案研制框架（確定最佳方案小組對所有整理后的方案進行比較和評價，確定最佳方案：方案分解應逐層展開到可以實施的具體方案；方案評價應用事實和數據對經過整理的方案進行逐一分析和論證；方案確定方式包括現場測量、實驗和調查分析。）2、通過錨桿試驗進行方案比選2.1試驗準備（1）編制《承壓水下錨桿施工試驗方案》并進行專家論證；（2）在施工現場6-6剖處進行局部土方開挖作為試驗區域；圖12試驗區域示意圖（3）試驗錨桿施工前搭建排水系統。圖13搭建排水系統2.2試驗方法通過控制變量法進行試驗，試驗分四組，分別對地連墻上孔洞封堵材料、地連墻后土方塌陷封堵材料、注漿方法和注漿材料進行比選。在施工過程中記錄試驗數據、分析試驗效果，為方案比選提供可靠依據。表2試驗錨桿編號表試驗組別比選內容錨桿編號試驗一組地連墻上孔洞封堵堵材料SYMG-1SYMG-2SYMG-3SYMG-4試驗二組地連墻后土方塌陷陷封堵方法SYMG-5SYMG-6試驗三組注漿方法SYMG-7SYMG-8試驗四組注漿材料SYMG-9SYMG-103、一級方案選擇3.1成孔機械由于本工程所研制錨桿全長位于承壓水頭以下，因此成孔方法選擇雙套管清水循環鉆進法。采用該方法進行錨桿成孔的鉆機主要有三種型號：①JD180B履帶式多功能鉆機；②JD110B全液壓履帶式多功能鉆機；③ZSY-70全液壓履帶式多功能鉆機。各自性能參數如下表：表3鉆機性能參數表JD180B履帶帶式多功能鉆鉆機JD110B全液液壓履帶式多多功能鉆機ZSY-70全液液壓履帶式多多功能鉆機外形尺（L×W×H）8350×22000×2900（大尺寸）6550×22000×2800（中尺寸）4550×18000×2200（小尺寸）液壓系統壓力20Mpa（滿足足）20Mpa（滿足足）15Mpa（滿足足）推進力57000N（滿滿足）53000N（滿滿足）49000N（滿滿足）起拔力85000N（滿滿足）71000N（滿滿足）68000N（滿滿足）最大推進速度56m/min（滿滿足）38.33m/mmin（滿足足）24m/min（滿滿足）最大起拔速度39.5m/miin（滿足）28.75m/mmin（滿足足）25.05m/mmin（滿足足）夾持鉆具直徑65~225mmm（滿足）60~273mmm（滿足）40~125mmm（不滿足）夾緊力157kN（滿足足）190kN（滿足足）170kN（滿足足）由于現場施工場地狹小，錨桿施工、樁基施工與土方開挖同時進行，故應在滿足鉆孔要求的前提下盡量采用小尺寸鉆機，即ZSY-70全液壓履帶式多功能鉆機最佳，但由于該型號鉆機夾持鉆具直徑為40～125mm，而本工程錨桿設計直徑為150mm，該鉆機無法滿足要求，因此，選用JD110B全液壓履帶式多功能鉆機作為承壓水下錨桿施工機械。3.2孔口封堵工藝3.2.1地連墻上孔洞封堵地連墻上孔洞封堵材料備選方案共四種，分別為①油麻絲；②速凝堵漏型“水不漏”；③油麻絲+速凝堵漏型“水不漏”；④干海帶+速凝堵漏型“水不漏”。2014年5月10日，QC小組于基坑6-6剖處進行錨桿試驗一組施工，小組成員高春、劉楊、龔應波進行現場旁站指導，李輝負責數據記錄。試驗方法及比選依據詳見下表：表4試驗方法指導表試驗錨桿編號地連墻上孔洞封堵堵材料操作方法比選依據依據量化SYMG-1油麻絲將油麻絲與黃油混混合后填充孔孔洞1、操作難易度2、2h內孔口封堵效效果3、成本1、操作完成時間（應應小于45mmin）2、2h內孔口封堵密密實率（%）3、單孔封堵成本（元元/孔）SYMG-2速凝堵漏型“水不不漏”按1：0.2的粉水質量量比揉捏成團團后填充孔洞洞SYMG-3油麻絲+速凝堵漏漏型“水不漏漏”孔口前1/3段塞塞入干海帶，后后2/3段填充充“水不漏”SYMG-4干海帶+速凝堵漏漏型“水不漏漏”孔口前1/3段塞塞入油麻絲，后后2/3段填充充“水不漏”其中，2h內能否100%封堵為比選重點。現場試驗結果如下：表5試驗結果記錄表試驗錨桿編號孔洞封堵材料封堵直觀效果2h內孔口封堵密密實率單孔完成時間成本（元/孔）SYMG-1油麻絲地下水易將黃油沖沖淡，無法封封堵密實，且且污染環境73%18min90SYMG-2速凝堵漏型“水不不漏”孔洞深，深處位置置無法填充密密實，有地下下水及泥沙涌涌出88%30min100SYMG-3干海帶+速凝堵漏漏型“水不漏漏”干海帶遇水膨脹，孔孔洞封堵密實實，無涌水、涌涌砂100%26min130SYMG-4油麻絲+速凝堵漏漏型“水不漏漏”孔洞封堵較密實，有有少量地下水水流出94%26min130雖然干海帶+速凝堵漏型“水不漏”封堵成本最高，單孔完成時間相對較長，但封堵效果最好，2h內孔口封堵密實率為100%，因此選用干海帶+速凝堵漏型“水不漏”作為地連墻上孔洞封堵材料。圖14地連墻鉆孔圖15孔洞封堵圖16質量驗收記錄表圖17干海帶3.2.2地連墻后土方塌陷封堵錨桿施工過程中，當鉆機外管拔出時，地連墻內側孔口處會有少量土方塌陷，為保證孔口封堵密實，需對塌陷處進行注漿封堵。比選方法有兩種，分別為：①先封口后注漿；②先注漿后封口。通過試驗二組進行比選，比選方法如下：圖18孔口塌陷示意圖表6試驗方法指導表試驗錨桿編號SYMG-5SYMG-6地連墻上孔洞封堵堵材料干海帶+速凝堵漏漏型“水不漏漏”地連墻后土方塌陷陷封堵方式先封口后注漿先注漿后封口操作方法先從孔外直接向孔孔內注漿，直直至漿液溢出出孔口，然后后采用干海帶帶+速凝型“水水不漏”封口口先采用干海帶+速速凝型“水不不漏”封堵孔孔口，過程中中插入注漿管管，封堵密實實后，通過注注漿管進行孔孔內注漿比選依據1、操作難易度；2、孔口最最終封堵效果果依據量化1、操作完成時間（應應大于45mmin，且小小于120mmin）；2、孔口封堵堵密實率（%%）同樣，孔口能否100%封堵為比選重點。2014年5月11日，QC小組于基坑6-6剖處進行錨桿試驗二組施工，小組成員高春、白清江、謝亨山進行現場旁站指導，邵洋負責數據記錄。現場試驗結果如下：表7試驗結果記錄表試驗錨桿編號比選方案封堵直觀效果孔洞封堵密實率單孔完成時間SYMG-5先注漿后封口孔口初期無涌水涌涌砂，后期有有少量涌水70%68minSYMG-6先封口后注漿孔口無涌水涌砂100%92min圖19先封口后注漿圖20先注漿后封口以孔口封堵效果為第一關注點，其中，采用先注漿后封口方式封堵的孔口初期無涌水涌砂，但后期有少量涌水發生，而采用先封口后注漿方式封堵的孔口封堵效果較好，孔口無涌水涌砂現象，孔口封堵密實率為100%，因此選用先封口后注漿方式作為地連墻后土方塌陷部分封堵方法。3.2.3注漿方法根據文獻查閱結果，借鑒國家大劇院水下錨桿施工經驗，水下錨桿注漿通常分為兩次注漿，即”一次注漿+二次高壓劈裂注漿”，由于本工程錨桿全長在承壓水頭以下，無先例可供參考，對承壓水對錨桿拉拔力影響無法估計，因此試驗三組比選選項增加“一次注漿+二次微壓注漿+三次高壓劈裂注漿”。比選方法如下：表8試驗方法指導表試驗錨桿編號SYMG-7SYMG-8注漿方法一次注漿+二次高高壓劈裂注漿漿一次注漿+二次微微壓注漿+三次高壓劈劈裂注漿操作方法通過一次注漿管進進行灌漿，當當水泥漿液從從孔口溢出時時停止注漿，一一次注漿完成成24小時后進進行二次劈裂裂注漿，以22～5MPa壓力力能穩壓3分鐘為終止止條件通過一次注漿管進進行灌漿，當當水泥漿液從從孔口溢出時時停止注漿，隨隨后每拔出一一段外管，順順著一次注漿漿管進行二次次微壓注漿一一次，二次注注漿完成244小時后進行行三次劈裂注注漿，以2～5MPa壓力力能穩壓3分鐘為終止止條件注漿材料P.O42.5普普通硅酸鹽水水泥砂漿比選依據是否滿足錨桿軸力力設計要求依據量化試驗錨桿平均軸力力值＞10880kN2014年5月12日上午，QC小組于基坑6-6剖處進行錨桿試驗三組施工，小組成員高春、白清江、龔應波進行現場旁站指導，李輝負責數據記錄。2014年5月20日，QC小組委托筑之杰建筑工程檢測有限責任公司對試驗錨桿進行張拉檢測。現場試驗結果如下：表9試驗結果記錄表試驗錨桿編號注漿方法平均凈操作時間錨桿軸力設計值第一組試驗平均軸軸力值第二組試驗平均軸軸力值第三組試驗平均軸軸力值SYMG-7一次注漿+二次高高壓劈裂注漿漿32min1080kN959kN（不滿足）854kN（不滿足）913kN（不滿足）SYMG-8一次注漿+二次微微壓注漿+三次高壓劈劈裂注漿56min1193kN（滿足）1193kN（滿足）1326kN（滿足）結果顯示，采用兩次注漿的水下錨桿平均軸力值均小于1080kN，不滿足設計要求，而采用三次注漿的水下錨桿拉拔至1193kN、1326kN時錨桿均未出現規范要求終止加載的情況，即錨桿平均軸力值可達到1193kN、1326kN，大于1080kN，滿足設計要求。因此選擇一次注漿+二次微壓注漿+三次高壓劈裂注漿作為承壓水下錨桿的注漿方法。圖21檢測報告原因分析：承壓水下錨桿一次注漿體被承壓水擠壓，導致注漿體不飽滿，一次注漿后增加二次微壓注漿可確保注漿體飽滿，進而保證錨桿拉拔力滿足基坑支護要求。由此，一級方案全部確定。圖22一級方案比選結果4、二級方案選擇根據其他工程類似錨桿施工經驗，錨桿注漿材料通常為水泥砂漿，且試驗三組注漿方法比選中錨桿注漿材料也為水泥砂漿，錨桿平均軸力值大于1080kN，滿足設計要求。但由于水泥砂漿需要現場進行水泥與砂石拌制，增加現場施工工序，且砂石中含泥量與含水量難以控制進而影響錨桿質量，因此能否采用水泥凈漿作為注漿材料為試驗四組比選內容。SYMG-9、SYMG-10以“一次注漿+二次微壓注漿+三次高壓劈裂注漿”方法進行注漿，注漿材料分別為水泥凈漿與水泥砂漿。QC小組委托筑之杰建筑工程檢測有限責任公司對試驗錨桿進行張拉檢測，試驗結果如下：表10試驗結果記錄表試驗編號注漿材料制備難度砂石含泥量影響砂石含水量影響平均軸力值軸力設計值SYMG-9水泥凈漿易無影響無影響1326kN（滿足）1080kNSYMG-10水泥砂漿現場增加工序較難保證較難保證1326kN（滿足）結果顯示，兩根錨桿在張拉至1326kN時，錨桿均未出現規范要求終止加載的情況，即錨桿平均軸力值均可達到1326kN，大于1080kN，滿足設計要求。因此此組試驗比選結果為采用水泥凈漿作為錨桿注漿材料。通過以上四組試驗、10根試驗錨桿施工、兩級方案比選本工程全長在承壓水頭以下的錨桿施工方案全部確定。圖23全部方案比選結果六、制定對策針對所確定的方案制定相關對策、目標與措施，具體內容詳見下表：表11方案對策表方案對策(what)目標(why)措施(how)責任人(who)地點(wheree)完成時間(when)JD110B全液液壓履帶式多多功能鉆機采用JD110BB全液壓履帶帶式多功能鉆鉆機進行錨桿桿成孔錨桿一次成孔率1100%1、預定鉆機廠家，提提前進場兩臺臺錨桿鉆機。高春施工現場2014年8月113日2、正式錨桿施工前前完成排水系系統搭建3、錨桿鉆機跳打成成孔干海帶+速凝堵漏漏型“水不漏漏”制定采用干海帶++速凝堵漏型型“水不漏”進進行地連墻上上孔洞封堵施施工工藝錨桿孔口封堵密實實率100%%1、采用干海帶填充充孔口里2//3孔深劉楊施工現場2014年8月113日2、采用“水不漏”按按1：0.2粉水質質量比混合填填塞剩余1//3孔深先封口后注漿制定采用先封口后后注漿方式進進行地連墻后后土方塌陷封封堵施工工藝藝1、在孔口封堵同時時插入一根孔孔口注漿管與與一根排水、排排氣管2、一次注漿完成55小時后進行行孔口封堵注注漿3、注漿壓力維持00.5～0.8MPPa，水泥漿漿水灰比為11:0.5一次注漿+二次微微壓注漿+三次高壓劈劈裂注漿制定采用水泥凈漿漿進行一次注注漿+二次微壓注注漿+三次高壓劈劈裂注漿施工工工藝錨桿抗拔承載力滿滿足設計要求求，驗收合格格率為1000%1、水泥采用P.OO42,5普普通硅酸鹽水水泥，水泥漿漿水灰比為11:0.5白清江施工現場2014年8月220日2、每拔出一段鉆機機外管進行二二次微壓注漿漿一次，注漿漿壓力為0..5～0.8MPPa，穩壓1miin水泥凈漿3、二次注漿完成224小時后進進行三次劈裂裂注漿，注漿漿壓力為2～5MPa，穩穩壓3minn，水：水泥泥：壓漿劑==3:10::14、錨桿驗收試驗培訓考核課件培訓試卷考核考試通過率1000%1、形成培訓課件對對組員進行培培訓龔應波項目會議室2014年5月220日2、將承壓水下錨桿桿施工重點及及注意事項形形成試卷3、考核施工技術人人員八、效果考核8.1承壓水下錨桿施工由于全長在承壓水頭以下的錨桿施工技術研制成功，項目采用1排承壓水下錨桿取代混凝土水平內支撐，110根錨桿順利施工完成，錨桿軸力值均滿足設計要求，驗收合格率100%。由于錨桿施工與土方開挖同時進行，不單獨占用關鍵線路工期，因此節約原混凝土水平內支撐所占關鍵線路工期58天。且錨桿施工占用場地較小，施工完成后不占用建筑紅線內區域，因此對土方施工、主體結構施工不造成降效問題，達到節約工期的效果。8.2土方開挖施工本工程土方量約為121000m3，北京白天禁止出土，項目充分利用夜間施工，每天出土約1000m3，現場出土完成情況如下：表16土方開挖施工記錄表出土進度計劃完成時間實際完成時間完成率是否完成對策目標標原因分析25%2014.8.2282014.8.22996.9%是開工初期磨合降效效50%2014.9.2282014.9.225105.1%是/75%2014.10..282014.11..1385.2%否APEC會議停工工14天100%2014.11..282014.12..495.3%是開展土方搶工由于開工初期磨合降效，土方出土25%進度節點滯后1天完成，完成率96.9%，即地下室主體結構延遲1天插入施工。8.3地下室主體結構施工地下室主體結構施工期間，由于受天氣、霧霾、政府政策停工等多方面影響，過程節點工期完成情況變數較大，通過項目合理組織、積極搶工保證最終節點工期順利完成。地下室主體結構施工進度如下：圖40地下室主體結構施工進度圖最終，B1M層結構完成時間為2015年6月19日，完成率為106.6%。8.4目標完成情況活動前，如采用基坑支護原設計進行施工，預計地下室結構封頂時間為2015年8月31日。活動后，由于承壓水下錨桿研制成功，節約原混凝土水平內支撐施工預計占用的關鍵線路工期，同時通過項目合理組織、積極搶工，最終地下室結構封底時間為2015年6月19日，順利完成節點工期目標（2015年6月30日）。與活動前相比，節約工期73天，超額完成節約工期62天的目標。8.5其他效果（1）承壓水下錨桿成功取代混凝土水平內支撐在為項目節約一定工期的同時也節約了較大的經濟成本，