QC课题中建三局北京公司创新型案例.docx

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

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
地连墙上孔洞封堵材料
SYMG-1
SYMG-2
SYMG-3
SYMG-4
试验二组
地连墙后土方塌陷封堵方法
SYMG-5
SYMG-6
试验三组
注浆方法
SYMG-7
SYMG-8
试验四组
注浆材料
SYMG-9
SYMG-10
3、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履带式多功能钻机
JD110B全液压履带式多功能钻机
ZSY-70全液压履带式多功能钻机
外形尺
（L×W×H）
8350×2200×2900
（大尺寸）
6550×2200×2800
（中尺寸）
4550×1800×2200
（小尺寸）
液压系统压力
20Mpa（满足）
20Mpa（满足）
15Mpa（满足）
推进力
57000N（满足）
53000N（满足）
49000N（满足）
起拔力
85000N（满足）
71000N（满足）
68000N（满足）
最大推进速度
56m/min（满足）
38.33m/min（满足）
24m/min（满足）
最大起拔速度
39.5m/min（满足）
28.75m/min（满足）
25.05m/min（满足）
夹持钻具直径
65~225mm（满足）
60~273mm（满足）
40~125mm（不满足）
夹紧力
157kN（满足）
190kN（满足）
170kN（满足）
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
将油麻丝与黄油混合后填充孔洞
1、操作难易度
2、2h内孔口封堵效果
3、成本
1、操作完成时间（应小于45min）
2、2h内孔口封堵密实率（%）
3、单孔封堵成本（元/孔）
SYMG-2
速凝堵漏型“水不漏”
按1：0.2的粉水质量比揉捏成团后填充孔洞
SYMG-3
油麻丝+速凝堵漏型“水不漏”
孔口前1/3段塞入干海带，后2/3段填充“水不漏”
SYMG-4
干海带+速凝堵漏型“水不漏”
孔口前1/3段塞入油麻丝，后2/3段填充“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
地下水易将黄油冲淡，无法封堵密实，且污染环境
73%
18min
90
SYMG-2
速凝堵漏型“水不漏”
孔洞深，深处位置无法填充密实，有地下水及泥沙涌出
88%
30min
100
SYMG-3
干海带+速凝堵漏型“水不漏”
干海带遇水膨胀，孔洞封堵密实，无涌水、涌砂
100%
26min
130
SYMG-4
油麻丝+速凝堵漏型“水不漏”
孔洞封堵较密实，有少量地下水流出
94%
26min
130
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-5
SYMG-6
地连墙上孔洞封堵材料
干海带+速凝堵漏型“水不漏”
地连墙后土方塌陷封堵方式
先封口后注浆
先注浆后封口
操作方法
先从孔外直接向孔内注浆，直至浆液溢出孔口，然后采用干海带+速凝型“水不漏”封口
先采用干海带+速凝型“水不漏”封堵孔口，过程中插入注浆管，封堵密实后，通过注浆管进行孔内注浆
比选依据
1、操作难易度； 2、孔口最终封堵效果
依据量化
1、操作完成时间（应大于45min，且小于120min）；2、孔口封堵密实率（%）
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
孔口初期无涌水涌砂，后期有少量涌水
70%
68min
SYMG-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-7
SYMG-8
注浆方法
一次注浆+二次高压劈裂注浆
一次注浆+二次微压注浆+三次高压劈裂注浆
操作方法
通过一次注浆管进行灌浆，当水泥浆液从孔口溢出时停止注浆，一次注浆完成24小时后进行二次劈裂注浆，以2～5MPa压力能稳压3分钟为终止条件
通过一次注浆管进行灌浆，当水泥浆液从孔口溢出时停止注浆，随后每拔出一段外管，顺着一次注浆管进行二次微压注浆一次，二次注浆完成24小时后进行三次劈裂注浆，以2～5MPa压力能稳压3分钟为终止条件
注浆材料
P.O42.5普通硅酸盐水泥砂浆
比选依据
是否满足锚杆轴力设计要求
依据量化
试验锚杆平均轴力值＞1080kN
2014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
第一组试验平均轴力值
第二组试验平均轴力值
第三组试验平均轴力值
SYMG-7
一次注浆+二次高压劈裂注浆
32min
1080kN
959kN
（不满足）
854kN
（不满足）
913kN
（不满足）
SYMG-8
一次注浆+二次微压注浆+三次高压劈裂注浆
56min
1193kN
（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）
1080kN
SYMG-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(where)
完成时间
(when)
JD110B全液压履带式多功能钻机
采用JD110B全液压履带式多功能钻机进行锚杆成孔
锚杆一次成孔率100%
1、预定钻机厂家，提前进场两台锚杆钻机。
高春
施工现场
2014年8月13日
2、正式锚杆施工前完成排水系统搭建
3、锚杆钻机跳打成孔
干海带+速凝堵漏型“水不漏”
制定采用干海带+速凝堵漏型“水不漏”进行地连墙上孔洞封堵施工工艺
锚杆孔口封堵密实率100%
1、采用干海带填充孔口里2/3孔深
刘杨
施工现场
2014年8月13日
2、采用“水不漏”按1：0.2粉水质量比混合填塞剩余1/3孔深
先封口后注浆
制定采用先封口后注浆方式进行地连墙后土方塌陷封堵施工工艺
1、在孔口封堵同时插入一根孔口注浆管与一根排水、排气管
2、一次注浆完成5小时后进行孔口封堵注浆
3、注浆压力维持0.5～0.8MPa，水泥浆水灰比为1:0.5
一次注浆+二次微压注浆+三次高压劈裂注浆
制定采用水泥净浆进行一次注浆+二次微压注浆+三次高压劈裂注浆施工工艺
锚杆抗拔承载力满足设计要求，验收合格率为100%
1、水泥采用P.O42,5普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为1:0.5
白清江
施工现场
2014年8月20日
2、每拔出一段钻机外管进行二次微压注浆一次，注浆压力为0.5～0.8MPa，稳压1min
水泥净浆
3、二次注浆完成24小时后进行三次劈裂注浆，注浆压力为2～5MPa，稳压3min，水：水泥：压浆剂=3:10:1
4、锚杆验收试验
培训考核
课件培训
试卷考核
考试通过率100%
1、形成培训课件对组员进行培训
龚应波
项目会议室
2014年5月20日
2、将承压水下锚杆施工重点及注意事项形成试卷
3、考核施工技术人员
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
原因分析
25%
2014.8.28
2014.8.29
96.9%
是
开工初期磨合降效
50%
2014.9.28
2014.9.25
105.1%
是
/
75%
2014.10.28
2014.11.13
85.2%
否
APEC会议停工14天
100%
2014.11.28
2014.12.4
95.3%
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，如下：
经济列项
混凝土水平内支撑
承压水下锚杆
人、机、料成本
297万元
205万元
节约人、机、料成本
92万元
节约工期
73天
节约工期成本
131.8万元
合计节约成本
223.8万元
（2）全长在承压水头以下的锚杆施工技术在《施工技术》杂质发表论文两篇《某超高层建筑深基坑支护设计优化》、《某超高层建筑深基坑支护承压水下锚杆施工技术》。

图41 发表论文
（3）经过科技查新，本工程承压水下锚杆施工技术在国内检索范围内未见与本查新项目特点完全相同的相关文献报道，未见相同国家级工法的报道。

图42 科技查新报告
（4）获得国家实用新型专利《一种全长在承压水头以下的锚杆支护体系》专利号为ZL 2015 2 0201807.1。发明专利已获受理，申请号为201510158262.5。

图43 国家专利
九、标准化小组应对创新成果的推广意义和价值进行评价：对有推广价值、经实践证明有效的创新成果进行标准化，形成相应的技术标准、图纸、工艺文件、作业指导书或管理制度等；对专项或一次性的创新成果，将创新过程相关材料存档备案）

（1）承压水下锚杆技术形成局级工法《全长在承压水头以下的锚杆施工工法》，并存档于局科技部；
（2）公司方案库录入该技术施工方案《承压水下锚杆施工方案》，并指导公司相似工程基坑支护结构施工。

图44 局级工法
十、总结与今后打算
10.1总结
通过QC小组的活动，使项目施工管理水平得到了提高，施工管理更加系统化、数据化和科学化，增强了项目管理的内涵。QC小组在总结中对小组全体人员的综合素质进行的自我评价。
表17 自我评价表
序号
评价内容
活动前(分)
活动后(分)
1
团队精神
65
85
2
质量意识
70
95
3
进取精神
90
90
4
创新意识
75
95
5
工作热情干劲
75
85
6
QC工具运用技巧
65
80

图45 自我评价雷达图
从雷达图可以看出：
（1）QC小组进取精神一直很好，现在已保持下来。
（2）在创新意识上有了明显提高。
（3）在团队精神、质量意识、QC工具运用技巧和工作热情干劲上比活动前有所进步。但在QC工具运用技巧上只得80分，说明我QC小组在这方面还有差距，今后应在此上有所突破。
10.2今后打算
下一步计划：“提高超长桩基桩身垂直度”将成为我QC小组下次活动的研究课题。