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【土建圈】一种全长在承压水头以下的锚杆新施工技术,可节约工期、降低成本!

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豆丁施工编辑整理


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”。

图1 基坑支护体系效果图

图2 基坑支护体系剖面图

二、选择课题

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?

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:研制一种全长在承压水头以下的锚杆施工技术。

三、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

四、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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

五、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

六、效果考核

6.1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。

6.2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

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。

6.3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%。

6.4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。

6.5其他效果

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:


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