基于PDCA模式的客运专线灌注桩后压浆质量管理

鞠兴华，杨晓华，张莎莎

1)长安大学公路学院，陕西西安 710064；2)陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714021

PDCA循环又称为戴明环，是制定质量计划并组织实现的全过程，包括策划P(planing)、实施D(do)、检查C(check)和处置A(act)4部分[1]，通过这4个环节循环运行来解决实际问题，让产品质量呈现一种阶梯式上升的状态. 近年来，PDCA循环被广泛应用于我国的医疗系统、软件研发和企业管理等领域，但建筑行业仅在个别工程案例中应用.夏新瑞等[2]引入PDCA的循环理论对高温差地区混凝土预制块质量进行控制，并结合卡塔尔多哈新港的案例论证了这种管理模式的可行性；姚学健等[3]引入PDCA循环理念对如何提高水工混凝土耐久性的措施进行研究；熊国斌等[4-6]在公路工程建设中引入PDCA的管理模式，对路基压实质量、路面铺筑质量等方面进行动态控制；章勇武等[7-8]引入PDCA模式对公路隧道和地铁盾构隧道的施工进度进行柔性控制；王磊[9]引入PDCA循环对标准贯入试验进行过程控制，提高了工程地质勘察质量；孟宪魁等[10-11]引入PDCA循环对施工企业的风险和成本进行管理. 上述研究成果较好地推动了PDCA循环模式在建筑行业的应用，但到目前为止在客运专线等大型工程中，这种管理模式却未普及，相关研究论文更是鲜见. 本研究依托大西客运专线渭南北站钻孔灌注桩基础，针对如何利用PDCA循环对后压浆施工质量动态控制进行分析，最终实现管理目标，以期为类似大型工程的施工质量管理提供借鉴.

1 工程概况

大西客运专线渭南北车站高架桥全长1.969 km.位于一级阶地，地表水主要是农田灌溉用水，地下水为第4系孔隙潜水，水位埋深4.3～6.5 m，天然地基存在湿陷性黄土、松软土和饱和砂土等不良地质，主要土层分布及力学指标如表1.

表1 主要土层力学指标参数

采用钻孔灌注桩基础，桩径包括1.25 和1.5 m两种，桩长在36～53 m之间，平均桩长为41 m. 按照中国铁道部《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》，无砟轨道桥梁墩台基础工后沉降量不应超过20 mm，相邻墩台沉降差不应超过5 mm. 客运专线列车在高架车站内频繁的进站制动和出站起动，使车体通过无砟轨道对梁体产生极大的纵向动力作用. 通过车桥耦合振动理论的研究成果可知，这种列车与轨道间的动力作用最终转化为施加在桩基础上的动荷载. 同时，因高架车站内不同位置的轨道和梁体承受的这种动荷载力有很大的差别，易导致车站内桥梁桩基础产生不均匀沉降，影响结构的安全性和乘客的舒适度. 故高架车站桥梁相对区间桥梁对基础的承载力及沉降控制的要求更为严格.

为严格控制车站正线道岔区和咽喉道岔处的工后沉降量，依托工程桩基础设计采用后压浆. 现阶段，灌注桩后压浆技术研究成果丰富，邓祥辉等[12-15]通过室内试验、现场试验及数值分析等方法对后压浆钻孔灌注桩的承载力及沉降量进行了研究，结果表明，在相似条件下后压浆技术可大幅度提高单桩承载力和复合地基强度，降低工后沉降量；王文渊等[16-18]对钻孔灌注桩后注浆质量控制要点及有效注浆量的确定等方面进行了研究.上述研究成果为本工程中后压浆的具体实施提供了理论指导.

2 第1次PDCA循环的控制与管理

作为控制客运专线高架车站工后沉降的关键技术，灌注桩后压浆的施工质量控制的要求较高. 鉴于后注浆的施工效果受工、料、机、方法以及环境等多种因素影响的复杂情况，设立了后压浆质量控制小组，并引入PDCA循环的管理模式，以全面提高灌注桩后压浆的施工质量，减少不必要的返工处理，使经济效益最大化.

2.1 计划阶段

试验段钻孔灌注桩后压浆施工过程中， 按照施工顺序选择车站桥梁的前3个桥墩(1541#、1542#和1543#)，共计50根桩基250个注浆点(每根桩基底部有3个注浆点、侧面有2个注浆点)进行现场调查统计，共计有55个点出现压浆异常的现象.

压浆底阀优化前后对比见图1.由图1可知，试验段内后压浆正常的灌注桩仅占桩基总数的78%，后压浆异常比例为22%，施工效果很不理想.结合工程特点，将质量管理目标设定为：通过PDCA活动，后压浆施工的综合优良率由78%提高到100%.

图1 压浆底阀优化前后对比Fig.1 (Color online) The contrast pictures of bottom grouting valve before and after optimization

在计划阶段，对后压浆施工过程中涉及到的各方面的因素进行统计分析和逐项排查，以确定影响工程质量的主要原因，现场调查分析情况如表2.

表2 后压浆施工质量影响因素调查结果

由表2可知，影响灌注桩后压浆施工质量的主要因素包括：① 施工过程中，压力和压浆量双控差距较大；② 部分压浆阀不能正常工作，打不开或打开困难；③ 压浆管道老化，外露皮管破裂或接头脱离，导致承压不足. 导致55个注浆点出现异常的原因中，上述3个因素所占的比例分别为51%、38%和11%.

针对以上确定的主要因素，查找具体原因，结合工程的实际情况制定具体、可行的整改措施，有的放矢地解决问题，以提高后压浆质量.与上述3个主要因素相对应的具体整改措施为：① 根据压浆量与压力值动态调整水灰比. 当压浆量达到70%时，如压力未达到设计值(桩端为3.2 MPa，桩侧为2.5 MPa)，减小水灰比，相反则适当加大水灰比；② 优化压浆阀和管道布置. 在底阀外套装打孔钢丝皮管，重新布置压浆管道，压浆前冲开压浆阀；③ 将管道接头对接牢固. 改良压降泵电路控制系统，在压力表侧面钻孔加装压力开关加固接头更换新管道，使用钢丝皮管用三通阀门固定.

2.2 实施阶段

根据本次PDCA活动既定方案，在实施阶段将每个影响因素对应的整改措施具体落实，以确保在施工过程中每个环节都有理可依，有章可循.

结合工程实际情况，按照水灰比(质量比)0.60～0.75压浆至总量的70%左右后，根据现场的压浆压力适当调整水灰比.若压力值持续小于设定压力(桩端为3.2 MPa，桩侧为2.5 MPa)时，则将水灰比减小为0.5；继续压浆至80%时，若压力值仍偏小，则将水灰比调整为0.4；现场注浆压力值超过设定压力的10%时，压浆量完成70%后，将水灰比调整为0.8；压浆量完成80%后，注浆压力仍偏高，则将水灰比调整为0.9，以保证实际注浆量与设计注浆量一致.

针对压浆阀打不开或打开困难的现象，在压浆前使用清水或者水灰比为0.9的浆液冲开阀门. 同时优化底阀和侧阀. 压浆底阀的优化情况如图1.由图1可知，优化前压浆底阀仅在铁管上开设了5 mm的圆孔，直接用胶带缠封在铁管上，而胶带浸水后黏结效果降低，灌注混凝土时容易造成水泥浆堵塞孔道. 优化后的压浆底阀在原底阀的外部套装上波纹钢丝皮管，在管的凹槽处开设3 mm小孔，每圈4个，再用胶带缠封. 钢丝皮管保护了底阀铁管处的圆孔，防止在混凝土灌注过程中被水泥浆堵塞管道，改善了压浆底阀打不开或打开困难的现象.

压浆侧阀的优化情况如图2.由图2可知，优化前压浆管道侧阀紧贴钢筋笼布置，距离孔壁大约有7 cm， 压浆阀劈裂比较困难.优化后侧阀的钢丝皮管呈花形布置，比原来紧贴钢筋笼的圆形布置，改善了管道和孔壁间隔太大的问题，花形凸起紧贴孔壁，侧阀容易劈裂，增大了压浆过程中水泥浆与桩间土的接触面积，使后压浆质量得以保证.

图2 压浆侧阀优化前后对比图Fig.2 (Color online) The contrast pictures of side grouting valve before and after optimization

针对压浆管道破裂或接头脱离的问题，主要是从优化压浆泵电路控制系统和更换管道这两个方面来整改. 电路控制系统的优化情况如图3.由图3可知，优化后压浆泵的电路控制系统在原来压力表的位置增加1个三通，一头接压力表，一头接压力开关，电路连接后将压力开关的临界压力设置为7 MPa. 通过这种设计能更好地观察压浆过程中压力的变化情况，并通过压力开关控制压力大小，防止压力变化幅度大造成管道破裂和接头脱离. 同时，将原来老旧的压浆管更换为钢丝皮管.

图3 压降泵电路控制系统优化前后断面图Fig.3 The sectional drawings of circuit control system before and after optimization

2.3 检查阶段

对严格按照整改措施施工完成的250个(与第1次试验时数量相同)压浆点的实施效果进行现场检查，并将各检查点的情况进行分类统计分析，第1次PDCA循环压浆效果检查统计数据如表3.

由表3可知，检查已完成的250个注浆点，出现异常的压浆点共计22次，占总压浆点的8.8%. 压浆管道破裂或接头脱离的现象已经杜绝，影响压浆质量的主要因素集中在压力和压浆量双控差距大、压浆阀打不开或打开困难两个方面，后压浆的综合优良率由78.0%提高到91.2%，但效果仍不够理想，未达到本次活动设定的质量管理目标.

表3 第1次PDCA循环压浆效果检查统计结果

结合整改的实施情况，对第1次PDCA循环压浆效果进行统计可知：施工前严格按照要求进行技术交底；施工过程中注浆量、注浆压力和水灰比均控制在设计范围内；现场未出现冒浆现象，各项指标符合设计要求；施工过程中电机自动控制正常，压力表显示压力值均在瞬间变小(表示压浆阀被打开)；压浆装置实现了自动停止功能，能更好地控制注浆压力；所有注浆点均未发生爆管或接头脱落、喷浆的情况；出现压浆量与压力双控差距较大的11个压浆点均由压浆阀未开启或开启困难导致.

250个注浆点压浆阀开启情况统计如表4.由表4可知，在对压浆阀进行优化后，阀门开启异常的频次由原来的21次减少到了11次，且开启异常的情况全部集中在桩端阀门处，开启效果有所提升.

表4 压浆阀开启情况统计结果

2.4 处理阶段

通过第1个PDCA循环过程，调查分析了影响灌注桩后压浆施工质量的主要因素，通过采取根据压力值调整水灰比、优化底阀、侧阀设计、优化压降泵电路控制系统和更换管道等措施，结合具体实施过程，大幅提高了桩基后压浆的施工质量，将综合优良率由78.0%提升至91.2%，但局部测评未达到优良，未实现优良率100%的设定目标.

根据检查阶段结果分析可知，注浆管道爆裂或接头脱离的问题已经解决，但压浆阀开启异常、压浆量和压力双控差距大的问题仍然存在. 课题组对所有出现问题的注浆点再次摸底排查，逐一分析影响后压浆施工质量的因素后发现:① 发生压浆阀开启异常的部位均在桩端阀门处，桩侧阀门全部开启正常；② 出现压浆量与压力双控差距大的压浆点均存在阀门开启异常的问题，压浆量的大小主要是受阀门开启情况的影响.

为提高桩基础后压浆的施工质量，最终实现预定目标. 下一步，将继续通过PDCA循环的管理模式来解决影响压浆阀开启率的两个问题.

3 第2次PDCA循环的控制与管理

3.1 计划阶段

第2次PDCA循环的管理目标设定为后压浆的综合优良率由91.2%提高到100.0%.

针对后压浆底阀开启异常的所有注浆点进行现场调查，发现这部分桩基础在钻孔过程中均存在超钻现象. 当孔深超钻时，桩底混凝土厚度大，因压浆底阀的设计标高与桩底标高一致，桩端阀门周围混凝土较厚将会影响阀门开启. 例如，当孔深超出设计孔深20 cm后，灌注的混凝土就相应的超出20 cm，造成底部阀门在混凝土内劈裂困难.

3.2 实施阶段

在第2次PDCA循环中，对计划阶段的调查结果进行分析发现，压浆阀开启异常、压浆量和压力双控差距大的问题均是由桩底阀门处混凝土厚度大造成的. 在实施阶段，针对这一问题制定的具体措施为桩基础灌注混凝土前，在底部回填粒径为2～4 cm的石子，高度至桩底标高以上约20 cm. 桩底部回填石子后，桩端阀门周围材料结构松散，非常有利于阀门的开启. 而压浆后石子的空隙被浆体注满，将松散的石子黏结成整体，与桩基混凝土形成一体. 在充分征求设计单位意见，并将水泥浆与石子形成的结构进行室内力学试验后，确认此方案可行. 桩基回填石子后底部结构如图4.

图4 桩基回填石子后底部断面图Fig.4 The sectional drawing after pile bottom backfilled with gravel

后压浆施工过程中，要确保每项措施落实到位，特别是石子的回填厚度、管道的连接情况以及压浆量和压力的控制，以确保施工质量.

3.3 检查阶段

严格按照具体整改措施再次施工250个注浆点后，课题组成员对实施效果进行了现场检查，并将检查结果进行分类统计分析， 第2次PDCA循环压浆效果检查统计数据如表5.

表5 第2次PDCA循环压浆效果检查统计结果

由表5统计结果可知，通过第2次PDCA循环，桩基后压浆施工质量有很大幅度提高，出现异常的压浆点由第1次PDCA循环后的8.8%降至0，综合优良率由91.2%提升到100%，实现了本次PDCA循环管理的设定目标.

4 结 论

1) 目标效果方面，经过两次PDCA循环活动，后压浆的施工优良率由78%提高到100%，实现了活动预期目标.

2) 施工效果方面，通过PDCA循环管理，排查出所有影响客运专线灌注桩后压浆施工质量的因素，并通过调整工艺参数、改良压浆设备、优化压浆阀及管道布置和桩底回填石子等具体的措施，提高了施工质量和效率.

3) 质量效果方面，依托工程下部结构施工结束后，选择地质条件、桩径、上部荷载基本一致的桩基础，进行承载力以及沉降试验. 静载试验结果表明，后压浆灌注桩承载力较普通灌注桩高22%左右；3个月的沉降观测结果为压浆灌注桩沉降量较普通灌注桩降低26%左右.

4)PDCA管理方面，灌注桩后压浆施工是一个动态的过程，施工质量影响因素复杂. 采用PDCA 循环模式可全面排查施工漏洞，有的放矢制定整改措施，阶梯式提高工程质量，最终实现设定目标. 这种动态循环的管理模式符合后压浆技术的特点，在实践中切实可行.

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