超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法研究

创新型QC超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法研究发布单位：中国建筑第八工程局有限公司总承包公司小组名称：杭州奥体中心项目QC小组超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法研究杭州奥体中心项目QC小组中国建筑第八工程局有限公司目录第页超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法研究中国建筑第八工程局有限公司总承包公司杭州奥体中心项目QC小组一、工程概况1.1项目概况杭州奥体中心体育游泳馆位于奥体中心北侧，西、南面临七甲河、东南临地铁奥体站地块，东北至青年路，西北临滨江大道。总建筑面积396950㎡，基坑面积1549000㎡。地上主要包括体育馆、游泳馆、配套服务设施三大部分内容，建筑地下主要包括地下配套服务设施、机房及地下停车库，体育馆总建筑面积76107㎡，地上5层，建筑高度45m，体育馆总坐席数17348席；游泳馆总建筑面积55111㎡，地上3层，建筑高度35m，游泳馆总坐席数6484座。表1-1项目概况表工程名称杭州奥体中心主体育馆、游泳馆、综合训练馆工程地址浙江省杭州市萧山区钱江世纪城建设单位杭州萧山亚运场馆投资建设有限公司（股东：杭州奥体博览中心萧山建设投资有限公司、中国建筑第八工程局有限公司、浙江东南网架股份有限公司、华润深圳湾发展有限公司）设计单位北京市建筑设计研究院围护设计单位杭州浙大福世德岩土工程有限公司勘察单位浙江省工程勘察院监理单位土建工程浙江工程建设管理有限公司机电安装工程浙江明康工程咨询有限公司施工单位中国建筑第八工程局有限公司制表人：XXX时间2022年3月1日图1-1项目效果图制图人：XXX时间2022年3月3日1.2超远距离土方泵送概况本工程因场地大、工期紧、土方开挖量大（200万m³）、场地组织难度大、环境要求高、土方车辆道路行驶受限制，传统土方开挖道路运输较难满足本项目工期及施工要求的难题，项目部及时分析基坑地质、围护设计、土方外运各项影响因素。根据地质勘探报告可知场地地貌属钱塘江冲海积平原区，基坑开挖深度内土层以砂质粉土、粉质黏土为主，因此采用绿色环保无扬尘污染的新工艺——超远距离泥浆泵送土方外运技术，克服传统土方开挖、道路运输遇到的客观限制条件以及环境污染问题。其主要方法如下：项目现场基坑外布置一处蓄水池，蓄水池通过泵体加压打入现场待挖区土方，土体遇水制配成泥浆，待挖区泥浆坑放置抽浆泵，对泥浆进行增压，基坑外铺设泥浆管至卸土点，泥浆通过铺设管道输送至卸土点，完成场内土方外运工作。考虑卸土点距离项目距离较远，为保证泥浆增压稳定，每3公里位置设置1台增压泵。每组泥浆泵送系统的泥浆输送量可达到145.8~218.7m³/h，每日24小时施工，配备三套泥浆泵送系统日出土量可达10497~15746m³，保证了土方外运，同时无扬尘产生，符合绿色环保要求。图1-2泥浆泵送施工示意图制图人：XXX时间2022年3月5日图1-3泥浆泵送技术流程图制图人：XXX时间2022年3月5日二、QC小组简介表2-1QC小组职责分工表课题名称超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法研究单位中国建筑第八工程局有限公司总承包公司小组名称杭州奥体中心项目QC小组课题类型创新型成立时间2022年3月小组成员人数10人活动时间2022.3—2022.10活动频次4次/月QC教育时间人均60小时小组注册号2022XZ-ZCB-021课题注册号2022QC-ZCB-008小组成员序号类别姓名职务职称组内分工1组长项目经理高级工程师总体协调、指挥2副组长项目副经理高级工程师全面负责、牵头实施3副组长项目总工高级工程师技术负责、牵头实施4副组长地块经理高级工程师现场负责、牵头实施5组员地块经理中级工程师方案编制、现场实施6组员技术经理中级工程师方案编制、现场实施7组员技术经理中级工程师方案编制、现场实施8组员设计经理高级工程师设计指导9组员技术员助理工程师活动实施10组员技术员助理工程师活动实施制表人：XXX时间2022年3月10日本小组有一定的QC活动经验和技术、质量管理和创新能力，曾荣获“2019年上海市工程建设优秀QC成果一等奖”称号。图2-12019年上海市工程建设优秀QC成果证书制图人：XXX时间2019年5月5日

表2-2活动计划与实施进度计划表制表人：XXX时间2022年3月10日三、课题选择3.1选题理由（一）绿色施工的要求工程为亚运项目，对场地扬尘，周边道路保洁要求高，传统土方开挖方法难以满足绿色施工要求。（二）工期的要求（1）为满足工期要求，日出土量≥1万m3；（2现场只有一个出土口，出土组织难度大；（3）车辆运载量、出行道路及出行时间受限，出土速度慢。（三）成本的要求土方为项目投标时的亏损项，且为总价包干项。因此采用传统方法无法满足工期要求，必需采用新的出土工艺。3.2可行性分析（1）基坑开挖深度范围内均为粉土或砂质粉土，易于冲成泥浆；（2）周边河道密集具备铺设输运管道、进行远程泵送运输的条件；（3）与政府各部门沟通良好，各项手续可办理畅通；（4）QC小组成员具有类似工程经验。四、目标设定研制“超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法”，比传统方法节约成本约15%，节约工期约15%，降低场地与道路扬尘，有效提高基坑施工的文明安全性，实现更大的社会效益。图4-1活动目标设定制图人：王庚庚时间2022年3月18日五、方案选定5.1提出方案方案一：传统土方机械开挖方法采用“环岛式”开挖，配备20台挖机，161辆土方车，总工期11个月，距离10Km的大江东作为弃土点，平均单程耗时约80分钟。图5-1土方开挖施工部署制图人：顾卫时间2022年3月25日图5-2土方开挖示意图制图人：顾卫时间2022年3月25日方案二：单一水力机械开挖方法项目现场基坑外布置一处蓄水池，蓄水池通过泵体加压打入现场待挖区土方，土体遇水制配成泥浆，待挖区泥浆坑放置抽浆泵，对泥浆进行增压，基坑外铺设泥浆管至卸土点，泥浆通过铺设管道输送至卸土点，完成场内土方外运工作。图5-3水利机械开挖方法示意图制图人：XXX时间2022年3月25日方案三：土方机械配合水力机械开挖方法在方案二的基础上，配合使用挖机进行翻土，使得土体遇水形成泥浆进而泵送外运。图5-4土方机械配合水力机械开挖方法示意图制图人：XXX时间2022年3月25日5.2选定方案QC小组成员从多角度、多方位考虑，对以上3种方案进行对比分析，具体见下表：表5-1方案对比分析表项目技术特点与工程适应性优点缺点方案一传统土方机械开挖方法工艺成熟，简单；1.运输距离远，需要大量的运输车辆；2.扬尘不受控制，不绿色、污染环境；3.受天气、周边交通影响大，雨季、早晚交通高峰及管制时间无法运输。不符合项目工期、成本、绿色施工要求方案二单一水力机械开挖方法1.不受天气、周边交通运输影响，可24小时连续施工；2.绿色环保、节能；1.泥浆比重小，出土效率低；2.无法保证基坑周边土开挖安全及基底土开挖质量。不符合项目工期要求，局部冲土有安全及质量隐患。方案三土方机械配合水力机械开挖方法1.具有方案二的优点；2.大幅提高泥浆比重，保证出土效率；3.施工组织灵活，可保证整个基坑开挖的质量与安全；4.适用于超大面积深基坑工程；需加强现场组织管理力度。符合工期、成本、绿色施工要求，可实现超大面积深基坑开挖目标。制表人：XXX时间2022年3月25日方案三：土方机械配合水力机械泵开挖方法，在技术可行性、操作难易程度、经济合理性等方面具有优势，可以有效保证施工安全、大幅度节约施工工期，实现绿色建造，可以充分实现既定目标。5.3方案实施的关键问题通过上述论证，实施“超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法研究”还需解决如下问题：（一）开挖方法确定适用于本工程的土方机械配合水力机械开挖方法，包括冲土施工组织，冲土方法等问题（二）开挖方式明确土方机械与水力机械配合的原因所在，确定两者如何配合，土方机械如何布置，水力机械如何布置，基坑边坡如何进行开挖，预留多厚的土体，冲土的标高怎么控制等问题。（三）场地内水力机械配置1）泥浆比重测定及泥浆泵功率选择；2）水枪与水泵配置；（四）场地外水力机械配置研究1）泵管防渗防爆；2）泵管线路布置；3）围堰布置；（五）其他工序流水施工开挖完成后，其他工序如何施工，如何进行施工组织，降水施工、桩头破除、基底清理等工作如何进行施工。六、制定对策针对确定的原因，小组召开成员会议，进行分项研究，逐个制定对策，并由专人负责落实，具体安排如下：表6-1对策实施表序号关键问题采取措施负责人完成地点完成时间1土方机械配合水力机械开挖方法研究1）结合工程施工组织设计，确定冲土方向及冲土组织；2）选择“一点到底，一线到端，以线带面”的“汇流式”开挖方法。杨鸿玉施工现场2022年3月2土方机械配合水力机械开挖方式研究1）在场地不同位置、开挖深度上布置推土机、挖机与水力机械，在整个现场形成土方短驳、待冲土区翻土与松土、冲土区冲土与泵送泥浆等工序立体连续工作面，加快整个现场出土效率。2）冲土达到的标高控制在槽底标高以上0.5m；距离边坡20m的范围采用短驳至冲土点，随即修整边坡。3）桩身涂刷控制线，粘贴用反光带，每间隔20m，在桩身设置标识牌，注明区域位置、轴线、标高。王庚庚施工现场2022年3月3场地内水力机械配置研究1）测定冲刷泥浆比重，计算出土效率；2）根据日出土量要求选择泥浆泵功率，配置电柜、机房，进行布置；3）选择清水泵功率，计算选择水枪水压，配置相应管路及数量；4）在泥浆流经的道路上设置过滤铁栏栅，使用带过滤网的浮箱水泵，并及时清理垃圾。XXXXXX施工现场2022年4月4场地外水力机械配置研究1）检测泵管质量，计算泥浆泵管内的最大压强、连接构件可靠性能；2）调查周边河道特点，布置管道，计算沿途水头损失，选定增压泵型号及数量；3）调查研究沉淀后粉砂处理速度，根据泥浆日输送量确定围堰规模大小。顾卫施工现场2022年4月5其他工序流水施工1）冲土范围向前推进约40m后即可进行降水施工，同时可进行桩头破除施工，一般5天左右即可进行承台基底清理施工，其他工序亦可依次推进。杨鸿玉施工现场2022年5月制表人：XXX时间2022年4月18日七、对策实施7.1土方机械配合水力机械开挖方法研究创新性的提出了“一点到底，一线到端，以线带面”的土方机械配合水力机械“汇流式”开挖施工方法。1）“一点到底”是指基坑开挖时在开挖的起始点就直接挖到基坑底标高，而不是传统的分层开挖；2）“一线到端”是指在基坑开挖的过程中以最大开挖深度沿着一条直线开挖槽从基坑的一端直接开挖到另一端，而不是传统的分块开挖；3）“汇流式”开挖是指在基坑开挖的过程中，以若干条直线开挖槽为主干，直线开挖槽周边土以土方车短驳的形式汇入直线主干槽中，形成“以线带面”的总体开挖布局。图7-1开挖方法示意图制图人：XXX时间2022年4月22日图7-2开挖方法现场航拍图制图人：XXX时间2022年4月22日7.2土方机械配合水力机械开挖方式研究（一）开挖方式深基坑土体一般为没有挠动过的固结土，若只单纯使用高压水枪冲土则效果差，往往一冲一个孔，泥浆很稀，出土效率低。图7-3水利机械冲土照片制图人：XXX时间2022年4月24日图7-4土方机械配合水力机械开挖方式照片制图人：XXX时间2022年4月24日（二）冲土边线及预留土体规定为防止冲土破坏槽底标高基层土，以及为防止冲土对边坡稳定造成不利影响，对冲土的范围进行规定；预留土体规定：1）距离边坡20m的范围及槽底标高以上0.5m的土为预留土；2）预留土采用常规挖机配合土方车短驳形式开挖，短驳至冲土主干槽内，边出土边修理成为设计的边坡。（三）冲土标高控制冲土过程中，为防止土方超冲超挖破坏槽底基层、增加额外成本、延缓施工进度，必需严格控制冲土的标高。具体作法是：1）每个承台的选一根桩，桩身用红油漆涂刷控制线；2）涂刷完油漆后，桩身用反光带缠绕并固定；3）每间隔20m，在桩身设置标识牌，注明区域位置、轴线、标高。图7-5冲土标高控制现场照片制图人：XXX时间2022年4月24日7.3场地内水力机械配置研究（一）泥浆比重测定及泥浆泵功率选择为确定泵送冲土的出土效率，需确定本工程地质条件及开挖工况下，砂土与粉质砂土在高压水枪冲刷作用下形成冲刷泥浆比重，用于计算泵出泥浆的水与土比例，从而确定泵送冲土的施工效率。图7-6泥浆比重测定制图人：XXX时间2022年5月5日经测定，在现场与泵送出管口泥浆比重均为1.25～1.35，即在本工程地质条件及开挖工况下，砂土与粉质砂土在高压水枪冲刷作用下形成的每立方米泥浆中含有0.3～0.45m3的土。根据日出土1万m3的要求，选择选择流量为486m3/h的泥浆大泵三台，理论一天出土量为10497m3/d，根据泥浆泵功率要求设置配电柜与机房确保泥浆泵正常运转，根据水与土的比例选择清水泵流量，一般清水泵流量为泥浆大泵流量的一半，清水泵用于泵送清水到高压水枪或清水池。图7-7泥浆泵功率牌图7-8泥浆泵机房图7-9现场泥浆泵管道制图人：XXX时间2022年5月5日（二）水枪与水泵配置方法一：1台清水泵可接6～9个水枪，3个水枪为一组在一个冲土地点进行冲土施工；每个冲土点配1台泥浆小泵，再抽至与泥浆大泵相连的泵管中，1台泥浆大泵配3台泥浆小泵。图7-10清水泵管上接出的高压水枪（带阀门）图7-11泥浆小泵接入泥浆大泵泵管接头（不带阀门）制图人：XXX时间2022年5月5日方法二：高压水枪也可通过水泵从清水池中取水进行冲土，现场泥浆小泵也可把泥浆先抽至一个泥浆池中，再使用泥浆大泵从泥浆池中抽走泥浆，只要做到清水池、高压水压、泥浆小泵、泥浆池、泥浆大泵间的流量平衡即可。图7-12清水泵管、清水池与高压水枪泵管图7-13三个水枪现场冲土图7-14泥水池与泥水池中的三个泥浆小泵制图人：XXX时间2022年5月5日7.4场地外水力机械配置（一）泵管防渗防爆设计泵管采用聚乙烯压力管，经检测在20℃时14Mpa静液压强作用100h可不裂不渗，而泥浆泵在管内产生的最大压强为1.08Mpa，泵管本身具有较大安全系数，法兰采用10个φ16mm高强螺丝相连，可保证在14Mpa静液压强作用下接头不漏不渗。图7-17泵管材料与接头图7-18泵管材料检测制图人：顾卫时间2022年5月12日（二）泵管线路布置为方便布管及减小对地面交通的阻碍，根据现场周边河道密集的特点，把运输管道全部布置在河道中。为把泥浆泵送到10Km以外的区域去，需考虑泥浆的沿途输运压力损失，根据分析计算与试验可得泥浆在管道内沿途水头损失为0.012m/m～0.016m/m，根据选定泵56m扬程,10Km的运输管道需要沿途增设两次增加泵。图7-19河道中的运输管图7-20沿途增加泵制图人：顾卫时间2022年5月18日（三）围堰布置泥浆运到指定地点后需修建围堰集中处理，让泥浆沉淀，沉淀后的粉砂做其它相关用途，清水则重新打回到现场再次利用，围堰的容量根据泥浆日输送量及沉淀后粉砂处理速度确定为6万m3。图7-21泥浆处理围堰图7-22泥浆运至围堰制图人：顾卫时间2022年5月18日7.5其它工序流水施工以泵送泥浆工序为中心，合理有序穿插降水、破桩、清底、防水与地下室结构施工等各道工序，形成流水施工。冲土范围向前推进约40m后即可进行降水施工，同时可进行桩头破除施工，一般5天左右即可进行承台基底清理施工，其他工序亦可依次推进。图7-23各工序流水施工照片制图人：XXX时间2022年5月20日八、效果检查1、目标完成情况成功研制“超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法”，比“传统挖机配合土方车出土方法”节约成本37.5%，节约工期20%，取得经济效益2712万元。降低场地与道路扬尘，有效提高基坑施工的文明安全性，实现更大的社会效益。2、技术效益受理发明专利2项，实用新型专利1项，录用论文1篇。3、质量效益1）QC小组严格执行对策措施表中的各项措施，实现了“超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法”研究，达到了小组活动目标。2）该研究意义巨大，保证了工期，节约了成本，受到业主的一致好评。3）管理人员与施工班组人员对该研究有了更深入地了解。4、社会效益本项目为亚运三馆项目，其社会关注度高，先后被中央电视台、浙江卫视等多家媒体报道，提升了企业形象，展现了公司实力，赢得了社会认可。超大面积深基坑土方机械配合水力机械开挖方法的成功运用，使得在日后同类工程的施工管理及质量控制有了借鉴经验。图8-1国家住建部、浙江省建设厅领导携韩国建筑业考察团莅临参观制图人：王庚庚时间2022年11月16