基于PDCA模式的客運專線灌注樁后壓漿質(zhì)量管理

鞠興華，楊曉華，張莎莎

1)長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064；2)陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714021

PDCA循環(huán)又稱為戴明環(huán)，是制定質(zhì)量計劃并組織實現(xiàn)的全過程，包括策劃P(planing)、實施D(do)、檢查C(check)和處置A(act)4部分[1]，通過這4個環(huán)節(jié)循環(huán)運行來解決實際問題，讓產(chǎn)品質(zhì)量呈現(xiàn)一種階梯式上升的狀態(tài). 近年來，PDCA循環(huán)被廣泛應(yīng)用于我國的醫(yī)療系統(tǒng)、軟件研發(fā)和企業(yè)管理等領(lǐng)域，但建筑行業(yè)僅在個別工程案例中應(yīng)用.夏新瑞等[2]引入PDCA的循環(huán)理論對高溫差地區(qū)混凝土預(yù)制塊質(zhì)量進行控制，并結(jié)合卡塔爾多哈新港的案例論證了這種管理模式的可行性；姚學(xué)健等[3]引入PDCA循環(huán)理念對如何提高水工混凝土耐久性的措施進行研究；熊國斌等[4-6]在公路工程建設(shè)中引入PDCA的管理模式，對路基壓實質(zhì)量、路面鋪筑質(zhì)量等方面進行動態(tài)控制；章勇武等[7-8]引入PDCA模式對公路隧道和地鐵盾構(gòu)隧道的施工進度進行柔性控制；王磊[9]引入PDCA循環(huán)對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗進行過程控制，提高了工程地質(zhì)勘察質(zhì)量；孟憲魁等[10-11]引入PDCA循環(huán)對施工企業(yè)的風(fēng)險和成本進行管理. 上述研究成果較好地推動了PDCA循環(huán)模式在建筑行業(yè)的應(yīng)用，但到目前為止在客運專線等大型工程中，這種管理模式卻未普及，相關(guān)研究論文更是鮮見. 本研究依托大西客運專線渭南北站鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，針對如何利用PDCA循環(huán)對后壓漿施工質(zhì)量動態(tài)控制進行分析，最終實現(xiàn)管理目標(biāo)，以期為類似大型工程的施工質(zhì)量管理提供借鑒.

1 工程概況

大西客運專線渭南北車站高架橋全長1.969 km.位于一級階地，地表水主要是農(nóng)田灌溉用水，地下水為第4系孔隙潛水，水位埋深4.3～6.5 m，天然地基存在濕陷性黃土、松軟土和飽和砂土等不良地質(zhì)，主要土層分布及力學(xué)指標(biāo)如表1.

表1 主要土層力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑包括1.25 和1.5 m兩種，樁長在36～53 m之間，平均樁長為41 m. 按照中國鐵道部《新建時速300～350 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》，無砟軌道橋梁墩臺基礎(chǔ)工后沉降量不應(yīng)超過20 mm，相鄰墩臺沉降差不應(yīng)超過5 mm. 客運專線列車在高架車站內(nèi)頻繁的進站制動和出站起動，使車體通過無砟軌道對梁體產(chǎn)生極大的縱向動力作用. 通過車橋耦合振動理論的研究成果可知，這種列車與軌道間的動力作用最終轉(zhuǎn)化為施加在樁基礎(chǔ)上的動荷載. 同時，因高架車站內(nèi)不同位置的軌道和梁體承受的這種動荷載力有很大的差別，易導(dǎo)致車站內(nèi)橋梁樁基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，影響結(jié)構(gòu)的安全性和乘客的舒適度. 故高架車站橋梁相對區(qū)間橋梁對基礎(chǔ)的承載力及沉降控制的要求更為嚴(yán)格.

為嚴(yán)格控制車站正線道岔區(qū)和咽喉道岔處的工后沉降量，依托工程樁基礎(chǔ)設(shè)計采用后壓漿. 現(xiàn)階段，灌注樁后壓漿技術(shù)研究成果豐富，鄧祥輝等[12-15]通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗及數(shù)值分析等方法對后壓漿鉆孔灌注樁的承載力及沉降量進行了研究，結(jié)果表明，在相似條件下后壓漿技術(shù)可大幅度提高單樁承載力和復(fù)合地基強度，降低工后沉降量；王文淵等[16-18]對鉆孔灌注樁后注漿質(zhì)量控制要點及有效注漿量的確定等方面進行了研究.上述研究成果為本工程中后壓漿的具體實施提供了理論指導(dǎo).

2 第1次PDCA循環(huán)的控制與管理

作為控制客運專線高架車站工后沉降的關(guān)鍵技術(shù)，灌注樁后壓漿的施工質(zhì)量控制的要求較高. 鑒于后注漿的施工效果受工、料、機、方法以及環(huán)境等多種因素影響的復(fù)雜情況，設(shè)立了后壓漿質(zhì)量控制小組，并引入PDCA循環(huán)的管理模式，以全面提高灌注樁后壓漿的施工質(zhì)量，減少不必要的返工處理，使經(jīng)濟效益最大化.

2.1 計劃階段

試驗段鉆孔灌注樁后壓漿施工過程中， 按照施工順序選擇車站橋梁的前3個橋墩(1541#、1542#和1543#)，共計50根樁基250個注漿點(每根樁基底部有3個注漿點、側(cè)面有2個注漿點)進行現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，共計有55個點出現(xiàn)壓漿異常的現(xiàn)象.

壓漿底閥優(yōu)化前后對比見圖1.由圖1可知，試驗段內(nèi)后壓漿正常的灌注樁僅占樁基總數(shù)的78%，后壓漿異常比例為22%，施工效果很不理想.結(jié)合工程特點，將質(zhì)量管理目標(biāo)設(shè)定為：通過PDCA活動，后壓漿施工的綜合優(yōu)良率由78%提高到100%.

圖1 壓漿底閥優(yōu)化前后對比Fig.1 (Color online) The contrast pictures of bottom grouting valve before and after optimization

在計劃階段，對后壓漿施工過程中涉及到的各方面的因素進行統(tǒng)計分析和逐項排查，以確定影響工程質(zhì)量的主要原因，現(xiàn)場調(diào)查分析情況如表2.

表2 后壓漿施工質(zhì)量影響因素調(diào)查結(jié)果

由表2可知，影響灌注樁后壓漿施工質(zhì)量的主要因素包括：① 施工過程中，壓力和壓漿量雙控差距較大；② 部分壓漿閥不能正常工作，打不開或打開困難；③ 壓漿管道老化，外露皮管破裂或接頭脫離，導(dǎo)致承壓不足. 導(dǎo)致55個注漿點出現(xiàn)異常的原因中，上述3個因素所占的比例分別為51%、38%和11%.

針對以上確定的主要因素，查找具體原因，結(jié)合工程的實際情況制定具體、可行的整改措施，有的放矢地解決問題，以提高后壓漿質(zhì)量.與上述3個主要因素相對應(yīng)的具體整改措施為：① 根據(jù)壓漿量與壓力值動態(tài)調(diào)整水灰比. 當(dāng)壓漿量達到70%時，如壓力未達到設(shè)計值(樁端為3.2 MPa，樁側(cè)為2.5 MPa)，減小水灰比，相反則適當(dāng)加大水灰比；② 優(yōu)化壓漿閥和管道布置. 在底閥外套裝打孔鋼絲皮管，重新布置壓漿管道，壓漿前沖開壓漿閥；③ 將管道接頭對接牢固. 改良壓降泵電路控制系統(tǒng)，在壓力表側(cè)面鉆孔加裝壓力開關(guān)加固接頭更換新管道，使用鋼絲皮管用三通閥門固定.

2.2 實施階段

根據(jù)本次PDCA活動既定方案，在實施階段將每個影響因素對應(yīng)的整改措施具體落實，以確保在施工過程中每個環(huán)節(jié)都有理可依，有章可循.

結(jié)合工程實際情況，按照水灰比(質(zhì)量比)0.60～0.75壓漿至總量的70%左右后，根據(jù)現(xiàn)場的壓漿壓力適當(dāng)調(diào)整水灰比.若壓力值持續(xù)小于設(shè)定壓力(樁端為3.2 MPa，樁側(cè)為2.5 MPa)時，則將水灰比減小為0.5；繼續(xù)壓漿至80%時，若壓力值仍偏小，則將水灰比調(diào)整為0.4；現(xiàn)場注漿壓力值超過設(shè)定壓力的10%時，壓漿量完成70%后，將水灰比調(diào)整為0.8；壓漿量完成80%后，注漿壓力仍偏高，則將水灰比調(diào)整為0.9，以保證實際注漿量與設(shè)計注漿量一致.

針對壓漿閥打不開或打開困難的現(xiàn)象，在壓漿前使用清水或者水灰比為0.9的漿液沖開閥門. 同時優(yōu)化底閥和側(cè)閥. 壓漿底閥的優(yōu)化情況如圖1.由圖1可知，優(yōu)化前壓漿底閥僅在鐵管上開設(shè)了5 mm的圓孔，直接用膠帶纏封在鐵管上，而膠帶浸水后黏結(jié)效果降低，灌注混凝土?xí)r容易造成水泥漿堵塞孔道. 優(yōu)化后的壓漿底閥在原底閥的外部套裝上波紋鋼絲皮管，在管的凹槽處開設(shè)3 mm小孔，每圈4個，再用膠帶纏封. 鋼絲皮管保護了底閥鐵管處的圓孔，防止在混凝土灌注過程中被水泥漿堵塞管道，改善了壓漿底閥打不開或打開困難的現(xiàn)象.

壓漿側(cè)閥的優(yōu)化情況如圖2.由圖2可知，優(yōu)化前壓漿管道側(cè)閥緊貼鋼筋籠布置，距離孔壁大約有7 cm， 壓漿閥劈裂比較困難.優(yōu)化后側(cè)閥的鋼絲皮管呈花形布置，比原來緊貼鋼筋籠的圓形布置，改善了管道和孔壁間隔太大的問題，花形凸起緊貼孔壁，側(cè)閥容易劈裂，增大了壓漿過程中水泥漿與樁間土的接觸面積，使后壓漿質(zhì)量得以保證.

圖2 壓漿側(cè)閥優(yōu)化前后對比圖Fig.2 (Color online) The contrast pictures of side grouting valve before and after optimization

針對壓漿管道破裂或接頭脫離的問題，主要是從優(yōu)化壓漿泵電路控制系統(tǒng)和更換管道這兩個方面來整改. 電路控制系統(tǒng)的優(yōu)化情況如圖3.由圖3可知，優(yōu)化后壓漿泵的電路控制系統(tǒng)在原來壓力表的位置增加1個三通，一頭接壓力表，一頭接壓力開關(guān)，電路連接后將壓力開關(guān)的臨界壓力設(shè)置為7 MPa. 通過這種設(shè)計能更好地觀察壓漿過程中壓力的變化情況，并通過壓力開關(guān)控制壓力大小，防止壓力變化幅度大造成管道破裂和接頭脫離. 同時，將原來老舊的壓漿管更換為鋼絲皮管.

圖3 壓降泵電路控制系統(tǒng)優(yōu)化前后斷面圖Fig.3 The sectional drawings of circuit control system before and after optimization

2.3 檢查階段

對嚴(yán)格按照整改措施施工完成的250個(與第1次試驗時數(shù)量相同)壓漿點的實施效果進行現(xiàn)場檢查，并將各檢查點的情況進行分類統(tǒng)計分析，第1次PDCA循環(huán)壓漿效果檢查統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3.

由表3可知，檢查已完成的250個注漿點，出現(xiàn)異常的壓漿點共計22次，占總壓漿點的8.8%. 壓漿管道破裂或接頭脫離的現(xiàn)象已經(jīng)杜絕，影響壓漿質(zhì)量的主要因素集中在壓力和壓漿量雙控差距大、壓漿閥打不開或打開困難兩個方面，后壓漿的綜合優(yōu)良率由78.0%提高到91.2%，但效果仍不夠理想，未達到本次活動設(shè)定的質(zhì)量管理目標(biāo).

表3 第1次PDCA循環(huán)壓漿效果檢查統(tǒng)計結(jié)果

結(jié)合整改的實施情況，對第1次PDCA循環(huán)壓漿效果進行統(tǒng)計可知：施工前嚴(yán)格按照要求進行技術(shù)交底；施工過程中注漿量、注漿壓力和水灰比均控制在設(shè)計范圍內(nèi)；現(xiàn)場未出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，各項指標(biāo)符合設(shè)計要求；施工過程中電機自動控制正常，壓力表顯示壓力值均在瞬間變小(表示壓漿閥被打開)；壓漿裝置實現(xiàn)了自動停止功能，能更好地控制注漿壓力；所有注漿點均未發(fā)生爆管或接頭脫落、噴漿的情況；出現(xiàn)壓漿量與壓力雙控差距較大的11個壓漿點均由壓漿閥未開啟或開啟困難導(dǎo)致.

250個注漿點壓漿閥開啟情況統(tǒng)計如表4.由表4可知，在對壓漿閥進行優(yōu)化后，閥門開啟異常的頻次由原來的21次減少到了11次，且開啟異常的情況全部集中在樁端閥門處，開啟效果有所提升.

表4 壓漿閥開啟情況統(tǒng)計結(jié)果

2.4 處理階段

通過第1個PDCA循環(huán)過程，調(diào)查分析了影響灌注樁后壓漿施工質(zhì)量的主要因素，通過采取根據(jù)壓力值調(diào)整水灰比、優(yōu)化底閥、側(cè)閥設(shè)計、優(yōu)化壓降泵電路控制系統(tǒng)和更換管道等措施，結(jié)合具體實施過程，大幅提高了樁基后壓漿的施工質(zhì)量，將綜合優(yōu)良率由78.0%提升至91.2%，但局部測評未達到優(yōu)良，未實現(xiàn)優(yōu)良率100%的設(shè)定目標(biāo).

根據(jù)檢查階段結(jié)果分析可知，注漿管道爆裂或接頭脫離的問題已經(jīng)解決，但壓漿閥開啟異常、壓漿量和壓力雙控差距大的問題仍然存在. 課題組對所有出現(xiàn)問題的注漿點再次摸底排查，逐一分析影響后壓漿施工質(zhì)量的因素后發(fā)現(xiàn):① 發(fā)生壓漿閥開啟異常的部位均在樁端閥門處，樁側(cè)閥門全部開啟正常；② 出現(xiàn)壓漿量與壓力雙控差距大的壓漿點均存在閥門開啟異常的問題，壓漿量的大小主要是受閥門開啟情況的影響.

為提高樁基礎(chǔ)后壓漿的施工質(zhì)量，最終實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo). 下一步，將繼續(xù)通過PDCA循環(huán)的管理模式來解決影響壓漿閥開啟率的兩個問題.

3 第2次PDCA循環(huán)的控制與管理

3.1 計劃階段

第2次PDCA循環(huán)的管理目標(biāo)設(shè)定為后壓漿的綜合優(yōu)良率由91.2%提高到100.0%.

針對后壓漿底閥開啟異常的所有注漿點進行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這部分樁基礎(chǔ)在鉆孔過程中均存在超鉆現(xiàn)象. 當(dāng)孔深超鉆時，樁底混凝土厚度大，因壓漿底閥的設(shè)計標(biāo)高與樁底標(biāo)高一致，樁端閥門周圍混凝土較厚將會影響閥門開啟. 例如，當(dāng)孔深超出設(shè)計孔深20 cm后，灌注的混凝土就相應(yīng)的超出20 cm，造成底部閥門在混凝土內(nèi)劈裂困難.

3.2 實施階段

在第2次PDCA循環(huán)中，對計劃階段的調(diào)查結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，壓漿閥開啟異常、壓漿量和壓力雙控差距大的問題均是由樁底閥門處混凝土厚度大造成的. 在實施階段，針對這一問題制定的具體措施為樁基礎(chǔ)灌注混凝土前，在底部回填粒徑為2～4 cm的石子，高度至樁底標(biāo)高以上約20 cm. 樁底部回填石子后，樁端閥門周圍材料結(jié)構(gòu)松散，非常有利于閥門的開啟. 而壓漿后石子的空隙被漿體注滿，將松散的石子黏結(jié)成整體，與樁基混凝土形成一體. 在充分征求設(shè)計單位意見，并將水泥漿與石子形成的結(jié)構(gòu)進行室內(nèi)力學(xué)試驗后，確認(rèn)此方案可行. 樁基回填石子后底部結(jié)構(gòu)如圖4.

圖4 樁基回填石子后底部斷面圖Fig.4 The sectional drawing after pile bottom backfilled with gravel

后壓漿施工過程中，要確保每項措施落實到位，特別是石子的回填厚度、管道的連接情況以及壓漿量和壓力的控制，以確保施工質(zhì)量.

3.3 檢查階段

嚴(yán)格按照具體整改措施再次施工250個注漿點后，課題組成員對實施效果進行了現(xiàn)場檢查，并將檢查結(jié)果進行分類統(tǒng)計分析， 第2次PDCA循環(huán)壓漿效果檢查統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5.

表5 第2次PDCA循環(huán)壓漿效果檢查統(tǒng)計結(jié)果

由表5統(tǒng)計結(jié)果可知，通過第2次PDCA循環(huán)，樁基后壓漿施工質(zhì)量有很大幅度提高，出現(xiàn)異常的壓漿點由第1次PDCA循環(huán)后的8.8%降至0，綜合優(yōu)良率由91.2%提升到100%，實現(xiàn)了本次PDCA循環(huán)管理的設(shè)定目標(biāo).

4 結(jié) 論

1) 目標(biāo)效果方面，經(jīng)過兩次PDCA循環(huán)活動，后壓漿的施工優(yōu)良率由78%提高到100%，實現(xiàn)了活動預(yù)期目標(biāo).

2) 施工效果方面，通過PDCA循環(huán)管理，排查出所有影響客運專線灌注樁后壓漿施工質(zhì)量的因素，并通過調(diào)整工藝參數(shù)、改良壓漿設(shè)備、優(yōu)化壓漿閥及管道布置和樁底回填石子等具體的措施，提高了施工質(zhì)量和效率.

3) 質(zhì)量效果方面，依托工程下部結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，選擇地質(zhì)條件、樁徑、上部荷載基本一致的樁基礎(chǔ)，進行承載力以及沉降試驗. 靜載試驗結(jié)果表明，后壓漿灌注樁承載力較普通灌注樁高22%左右；3個月的沉降觀測結(jié)果為壓漿灌注樁沉降量較普通灌注樁降低26%左右.

4)PDCA管理方面，灌注樁后壓漿施工是一個動態(tài)的過程，施工質(zhì)量影響因素復(fù)雜. 采用PDCA 循環(huán)模式可全面排查施工漏洞，有的放矢制定整改措施，階梯式提高工程質(zhì)量，最終實現(xiàn)設(shè)定目標(biāo). 這種動態(tài)循環(huán)的管理模式符合后壓漿技術(shù)的特點，在實踐中切實可行.

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