基于精細化管理的土石方開挖全過程全方位時空動態控制的研究

張永濤，王少華，楊軍華，石 磊

（1.中國葛洲壩集團 國際工程有限公司，北京 100000；2.中國葛洲壩集團 第五工程有限公司，湖北 宜昌 443000）

基于精細化管理的土石方開挖全過程全方位時空動態控制的研究

張永濤1，王少華1，楊軍華2，石 磊2

（1.中國葛洲壩集團 國際工程有限公司，北京 100000；2.中國葛洲壩集團 第五工程有限公司，湖北 宜昌 443000）

主要根據卡塔爾大型供水E標項目4#水池開挖的經驗為例，充分考慮該地區復雜地基條件、大面積淺層明挖以及窄深溝槽開挖原因，綜合開挖質量與進度的關系，基于土石方開挖的精細化管理理念，提出了土石方開挖全過程全方位時空動態控制技術，并分別從前期準備、土石方開挖、移交工序進行詳細介紹。當前國家提出一帶一路戰略，中方各大施工企業逐漸走出國門承建國際工程項目，本論述可供中東沙漠地區水池開挖參考。

精細化管理；土石方開挖；施工技術

1 工程概況以及開挖施工特點

1.1 工程概況

卡塔爾是亞洲西南部的一個阿拉伯國家，位于波斯灣西南岸的卡塔爾半島上，與阿聯酋和沙特阿拉伯接壤，其海岸線長550 km，屬熱帶沙漠氣候。為應對卡塔爾日益增長的用水需求，卡塔爾水電總公司計劃修建儲水水池及其配套泵站，以保證水池的總儲水量可以滿足7 d的用水需求。本論述以卡塔爾E標項目4#水池開挖為例進行分析，其開挖面積為305×150m，主要開挖部位為：（1）底板基礎開挖：包含底板墊層、立柱及邊隔墻基礎開挖。開挖深度分別為75mm、375mm、675mm；（2）底板下排水溝開挖：在水池底板施工縫處均設置排水溝（盲溝）。排水溝處開挖深度為975 mm、寬度為700 mm；（3）閥室開挖：4#水池設置閥室3個。4#水池開挖平面圖（部分），以及剖面圖見圖1、圖2所示。

圖1 4#水池開挖平面圖（部分1～44軸*A～Z軸）

圖2 4#水池開挖剖面圖（部分）

1.2 開挖特點與難點

1.2.1 開挖特點

（1）地質不均勻，4#水池地址可分為松散土質、土石結合體、堅硬巖石三類，因此開挖過程中針對不同的地質條件采取不同的開挖控制技術。

（2）基巖堅硬，卡塔爾當地基巖彈模達到120MPa。

（3）開挖面積較大，其開挖面積達到墊層底板設計開挖厚度為75mm，開挖厚度較小，超挖現象較難控制。

（3）原始工作面高低不平，底板墊層超欠挖

度較大，最大超挖深度達到80 cm，最大欠挖深度達40 cm。

1.2.2 開挖難點

（1）開挖精度要求較高，墊層厚度必須控制在75mm以上，但超挖部分混凝土由承包商承擔。

（2）開挖進度較緊，要確保較高的開挖質量的前提下，加快開挖進度。

（3）設計復雜，水池基礎面有盲溝柱基邊墻中隔墻以及斜坡等。

（4）施工干擾多，開挖與澆筑以及設備干擾較大，因此需要綜合考慮各種相關因素。

2 全過程全方位時空動態控制的研究

精細化管理最早由1950年日本的豐田英二工程師所提出，精細化管理是以精、準、細、嚴為準則的管理理念[1-2]。在精細化管理過程，要做到重細節、重過程、重基礎、重具體、重落實、重質量、重效果，進一步把管理工作做細、做精，以全面提高管理水平和工作質量[3]。

本論述根據土石方開挖特點與難點，并基于精細化管理的理念，汲取1#水池、2#水池粗放式開挖的經驗，在工作實踐中提出全過程全方位時空動態控制的開挖方案。具體要求如下：

全過程：在開挖前、中、后，過程中開挖規劃、人機材管理、質量進度控制等全過程跟蹤。

全方位：注重開挖細節，做到盲溝、柱基、邊墻中隔墻、底板墊層面、斜坡等開挖控制到位。

時空：在時間上和空間上做到開挖順序以及進度控制，確保開挖與墊層澆筑順利進行。

動態控制要求：所有的開挖方案以及管理要綜合考慮現場實際為依據，實時地更改其開挖方案以及開挖順序。

本論述把水池開挖劃分為三個階段，即前期準備階段、開挖階段、移交階段，并根據每個階段進行詳細過程控制的討論[4]。

3 開挖具體階段控制

3.1 前期準備階段

前期準備階段主要包括，場地清理、地形圖測量、開挖規劃以及人機需求計劃等[5]。人員需求計劃主要包括：管理人員3名，勞務10名，測量隊1組以及設備操作人員；開挖過程中材料需求計劃較為簡單，主要為紅色噴漆、鋼筋樁、尼龍繩等開挖輔助材料。前期準備階段流程圖以及設備需求計劃見圖3、表1所示。

圖3 開挖前期流程圖

表1 機械設備需求計劃表

開挖規劃如下：

（1）個性化開挖方案：4#水池面積為45 750m2，底板墊層設計開挖深度7.5 cm。針對于此類大面積淺層明挖，要采取分區域開挖方案。通過地形圖測量數據可知，1-17軸、27-44軸地勢相對較為平坦，而18-26軸地勢高低不平且超挖區域范圍較多，因此，4#水池分成3個區域進行開挖。

其中1-17軸區域以及27-44區域采用Wirtgen采礦機設備進行7.5 cm底板墊層開挖，17-27直接進行盲溝柱基開挖，部分底板墊層欠挖區域采用水平旋切機開挖。

（2）切實履行三管三控一協調，即安全、合同、信息管理，進度、質量、成本控制和組織協調，對項目進行有效合理的計劃、組織、監督、控制、協調。

（3）4#水池設計開挖時間為90 d，開挖進度控制管理見圖4：

圖4 開挖進度控制圖

（4）超挖質量控制:水池開挖標準根本思想是小超挖，少欠挖[6]。

根據4#水池開挖經驗，超挖量控制在0～3 cm以內耗費巨大的管理精力，并且旋切機和窄斗式挖掘機需要多次修整清理，耗費時間較多，較為不經濟，并且超挖較小情況下，必然有小部分欠挖，因當地監理要求較高，不允許出現欠挖狀況，綜合考慮進度與質量，建議超挖嚴格控制在3～10 cm。其超挖控制標準見表2。

表2 超挖質量控制表

3.2 開挖階段

3.2.1 底板墊層以及邊墻中隔墻開挖

與破碎錘以及旋切機開挖速度較慢、開挖精度較低等原因相比，采礦機開挖主要有以下優點：

（1）開挖速度較快：采礦機運行速度可達5 m/s，單次開挖寬度為2.5 m。

（2）切削、破碎、裝載一次性完成的施工工藝，與傳統的施工工藝相比，降低了設備及人員成本，并節約了大量的時間。現場施工圖見圖5所示。

（3）開挖質量較好，精確的開挖深度控制，開挖精度可以控制在3～5 cm以內。

（4）開挖粒度較均勻，開采過程后得到穩定、平整的開采面，能夠在施工中直接通行車輛，而且不造成損壞，并且在后期清理澆筑墊層時較為方便。

（5）強大的復制功能，針對于1-17軸、27-44軸兩個區域內部再劃分有限個小單元，每個小單元高程相差較小，對每個劃分出來的小單元采用采礦機進行高程控制開挖，然后進行復制開挖。

圖5 采礦機切削破碎裝載施工圖

3.2.2 盲溝柱基開挖

盲溝開挖根據盲溝地基不同可分為巖基開挖、土基&土石結合體開挖。

卡塔爾當地巖基較為堅硬，彈模可達120 MPa。針對于此類巖基開挖，可采用流水化開挖工序，精細化開挖控制，具體開挖方案如下：

在時間上分為三步走：挖（破碎錘和旋切機開挖，盲溝柱基高程基本到位-60%～70%）、修（旋切機修整，修整偏挖、欠挖區域要求-95%～97%）、精修（風鎬精修，開挖線以上區域達到設計開挖要求-100%）。

在空間上進行分層開挖[7]，計劃采用3層開挖方案。首層開挖采用破碎錘進行30～40 cm開挖，二次開挖的深度應小于設計開挖深度15～20 cm，三次開挖應采取旋切機精細化開挖。在開挖過程中注意高程全過程控制，避免出現嚴重超挖現象的出現。在開挖中總結經驗，大部分嚴重超挖的區域都是破碎錘開挖過程中控制不到位產生的。

針對土基&土石結合體開挖：由于土基&土石結合體破碎錘極難控制其高程，因此，采用旋切機開挖，確保旋切機兩次開挖到位。避免大型機械設備多次在該區域作業對基礎產生較大破壞。

3.2.3 斜坡開挖

水池共計兩道中隔墻、四道邊墻，斜坡共計為8個。分別為6個305m的斜坡以及2個150m的斜坡。斜坡開挖相對較難控制，一旦欠挖，返工較為繁瑣麻煩。現實開挖過程中，通過肉眼觀察開挖角度以及開挖效果，并且為了避免再次返工會相應地多挖一點。筆者建議使用鋼筋焊接一個45°的三角形靠模，通過該三角形靠模可以有效地指導開挖并校核開挖成果，避免不必要的超挖以及欠挖情況，較為經濟實用。三角形靠模示意圖見圖6所示。

圖6 三角形靠模示意圖

3.3 移交階段

移交階段是開挖后的最后一階段，也是檢驗開挖質量與成果的最后一道程序。為了便于移交，要做到以下工作：

（1）清渣：底板墊層面上的渣子要用機械設備清除，便于移交前數據測量以及后期墊層混凝土澆筑。

（2）開挖線：通過測量放樣出盲溝中心的開挖線，檢驗并修改盲溝的欠挖、偏挖的區域。

（3）特征點高程：中隔墻、邊墻以及底板墊層面、柱基等全方位區域選擇特征點的點測量其高程，并標示出超挖欠挖數據。

通過以上工作，可以很容易看出超挖、欠挖、偏挖情況，并且有效的避免清倉后發現開挖不到位的現象。

（4）斜坡：采用三角形靠模進行驗證校核。

4 結束語

基于精細化管理思想，深化提煉出全過程全方位時空動態控制方案，并應用于現場開挖實際，得到了有效的驗證。本論述總結4#水池開挖的經驗，為即將開挖的3#水池提供較為有效的技術支持以及成熟的開挖經驗。

［1］ 徐成光.精細化管理在向家壩電站地下廠房巖壁梁開挖施工中的應用［J］.四川水利發電，2009，28（4）：14-16.

［2］ 王昶.高速公路改擴建工程精細化管理關鍵問題研究［J］.科學中國人，2016（2）：92-93.

［3］ 劉偉.論高速公路改擴建工程精細化管理關鍵問題研［J］.城市建設理論研究（電子版），2015（19）：7104-7105.

［4］ 李洋，李建立.談基坑的土石方開挖及質量控制［J］.黑龍江科技信息，2010（21）：289-289.

［5］ 張志杰.談路基土石方開挖施工［J］.山西建筑，2013，39（05）：141-143.

［6］ 魏勇.公路路基土石方開挖施工技術［J］.交通標準化，2008，27 （06）：62-67.

［7］ 彭永銘，曹輝，魏宏，等.高強度土石方開挖施工組織研究［J］.四川水利發電，2014（13）：89-91.

TU751

：A

DOI 10.3969/j.issn.1672-6375.2016.12.020

2016-8-31

張永濤（1988-），男，漢族，碩士，主要研究方向：大體積混凝土溫度應力與控制。