锦屏引水洞水胀式锚杆QC成果.docx
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锦屏引水洞水胀式锚杆QC成果
四川省雅砻江锦屏水电站
水胀式锚杆在西端引水洞岩爆段的治理运用
组长：
侯永和
小组所在单位：
中铁二局锦屏水电站项目经理部
小组名称：
水胀式锚杆在西端引水隧洞岩爆段的治理运用QC小组
撰稿人：
唐剑
二００九年十月
发表程序
一、概况
二、选题理由
三、现状调查
四、活动目标
五、原因分析
六、要因确认
七、制定对策
八、实施方案
九、检查效果
十、巩固成果
十一、结论与建议
十二、结束语
水胀式锚杆在西端引水洞岩爆段的治理运用
一、概况
1、QC小组类型：
现场型。
QC小组组建及人员基本情况如下表：
小组名称
组建时间
小组
人数
课题名称
课题登记时间
活动时间
水胀式锚杆在西端引水洞岩爆段的治理运用QC小组
2009年8月10日
12
锦屏西端引水洞高地应力隧道的岩爆控制
2009年9月5日
2009年8月～2009年10月
序号
姓名
性别
年龄
文化程度
职务及职称
组内分工
接受TQC教育时间
1
侯永和
男
44
本科
项目经理（高工）
组长
72
2
杨家松
男
43
本科
项目总工（高工）
副组长
72
3
刘士恩
男
32
本科
项目土木副总工（高工）
施工技术总体负责
72
4
唐剑
男
32
大专
安质总监
安全质量环保控制
72
5
沙宗天
男
30
本科
现场生产副经理
现场生产管理
48
6
刘元东
男
31
本科
质量部部长
施工质量管理
48
7
陈木林
男
24
大专
专业质检员
现场质量管理
48
8
赵剑平
男
23
本科
专业工程师
引水洞现场技术实施
48
9
贺光荣
男
37
高中
项目生产班长
引水洞现场生产实施
48
10
张清泉
男
25
本科
专业工程师
引水洞现场技术实施
48
11
冯维
男
25
本科
专业工程师
引水洞现场技术实施
48
12
周双
男
22
本科
专业工程师
引水洞安全技术实施
48
本小组成员平均年龄30.7岁，文化程度包括本科、大专、中专、高中三个层次，职务有项目经理、公司副总工程师（兼项目总工）、经理部副总工、施工技术主管、工班长及相关人员，人平均接受TQM教育时间为64小时，经测验成绩优良。
小组组建以来，共进行了五次活动，出勤率98%，人均发言率98%。
历次活动情况如下：
第一次：
成立水胀式锚杆在西端引水洞岩爆段的治理运用QC小组。
第二次：
对引水洞岩爆发生情况及特点进行分析讨论，确定水胀式锚杆在及时治理岩爆段的主导作用。
第三次：
分析水胀式锚杆在控制处理岩爆过程中影响安全快速施工的几大关键因素，研究相应的处理措施。
第四次：
研究水胀式锚杆在岩爆段的处理方式，取得支护参数。
第五次：
分析QC小组活动的效益（含社会效益、经济效益等）情况、总结水胀式锚杆在岩爆段的治理经验。
2、工程概况
锦屏水电站西端引水洞进口位于雅砻江的二级电站闸址上游约1000m处，全长约16.67km，地处青藏高原向四川盆地过渡的斜坡地带，地形、地质条件极为复杂。
隧洞沿线由白山组大理岩为主分水岭，地形起伏，山峦重叠，沟谷深切，主体山峰在4000m以上，一般埋深为1500~2000m，最大埋深达2525m，由二条平行、中心距为60m、净宽13m、高为13m的过水隧道组成，断面呈“马蹄型”形状，我部施工的两洞进口段桩号为0+128，1#洞里程至1+842.875后为0.365%的逆坡，2#洞里程至1+827.67后为0.365%的逆坡。
工程区为典型的高山峡谷地貌。
西端进口1000米后为杂谷脑组大理岩，局部富水，岩溶发育，在完整、无水地段存在弱至中等岩爆。
围岩分类以Ⅲ类为主，局部为Ⅱ、Ⅳ类围岩，成洞条件一般。
除Ⅳ、Ⅴ类围岩段需要进行钢拱架支护外，隧洞均为锚杆加喷射CF30硅粉钢纤维砼作隧道的永久支护。
二、选题理由
1、锦屏水电站工程是国家重点工程项目，是西部大开发中重点开发的水电项目之一，引水洞是二级水电站的主体工程之一，其作用是作为梯级开发的重点项目，能够确保锦屏二级水电站顺利达到预期的发电目标，解决国家的供电紧缺问题。
项目难度（包括隧道高埋深、高压涌突水、高地应力、岩爆等）在国内前所未有，独头掘进居国内第二；隧道断面大，采用无轨方式运输，属国内第一；进度压力大。
2、在2009年上半年度的施工过程中，当有岩爆发生时，一度采用传统的砂浆锚杆作为控制岩爆的主要手段，因砂浆锚杆施工时间长，不能及时对围岩应力产生有效控制，导致砸毁施工机具、阻挠施工正常进行的事，对施工安全及快速掘进产生极大的影响。
因此，确定“水胀式锚杆在西端引水洞隧岩爆段的治理运用”作为QC小组的攻关课题。
三、现状调查
人：
1#、2#隧洞分别由两个钻爆班施工，初期锚杆支护由钻爆班完成，部分员工责任心不强，专业技能较差，对岩爆普遍有害怕心理，锚杆施工支护质量不能保证。
机：
隧道开挖、初期锚杆钻孔采用手风钻。
料：
锚杆采用带垫板砂浆锚杆。
锚杆材质为螺纹钢，锚杆和锚垫板均为自行加工；钢筋和注浆工艺符合相关技术规范文件的要求。
法：
砂浆锚杆施工采用台车钻孔，人工灌注。
环：
锦屏引水洞全长16.6Km，连续12.875Km洞段埋深都在1500m以上，高埋深、高地应力伴随着岩爆的发生，砂浆锚杆施工支护费时长，严重影响施工安全和工期。
根据调查，我们进行了岩爆段砂浆锚杆施工支护缺陷统计，见下表
岩爆段砂浆锚杆施工影响缺陷统计表
序号
缺陷项目
缺陷数
频率（%）
累积频率（%）
1
员工心理害怕
20
26.87
26.87
2
锚杆支护采用砂浆锚杆支护时间长
20
26.87
53.74
3
台车钻孔不能有效地紧跟
12
17.91
71.65
4
开挖成形差岩爆易发生
8
12.54
80.10
5
工人专业处理技能差
4
5.97
86.07
6
注浆工人操作过程不合格
3
4.28
90.35
7
注浆工艺参数未随开挖面环境调整
2
3.27
93.62
8
高埋深、高应力岩爆易发生
1
1.49
100.00
根据影响岩爆段砂浆锚杆施工缺陷调查表，我们绘制了影响岩爆段砂浆锚杆施工缺陷排列图：
四、活动目标
1、通过QC小组活动，录求在岩爆地段的快速支护手段-水胀式锚杆支护，保证安全。
2、课题的目标就是掌握水胀式锚杆在岩爆地段的快速支护应用、缩短处理时间。
五、原因分析
小组成员围绕课题目标，各自发挥自己的主观能动性，围绕岩爆段治理情况进行分析讨论，不断进行探索。
项目QC小组通过对我公司已完成的辅助洞工程中影响隧道岩爆段支护效果情况进一步了解，并对参加工程建设的有关人员进行系统调查，在保证数据客观性和与锦屏引水洞施工具备可比性的前提下，对数据进行整理分析，调查统计结果情况如下表：
影响高地应力情况下隧道岩爆段支护的原因统计表
序号
项目
频数
累计数
累积（%）
1
开挖洞段围岩为大理岩或肉红色大理岩，岩爆时常发生，应力释放较快
13
13
40.6
2
支护班组安装砂浆锚杆的工艺没有严格按照技术交底执行
7
20
21.9
3
操作人员责任心不够、奖惩力度不足
5
25
15.6
4
机械设备时常坏，修理时间较多（如注浆机、吊车等）
4
26
12.5
5
未能及时针对岩爆区进行有效的防护和准备（安全处理措施不完全到位）
4
30
12.5
合计
32
32
100
从上表可见出，影响隧洞的支护效果的主要原因分为两部分，一是客观原因，如上表中序号1，客观原因是无法改变的；二是人为原因，如上表中序号2~5，
根据对相关资料及人员提供的影响洞室开挖进度及支护滞后的原因进行分析和讨论，主要有以下几方面的原因（如图）：
其影响隧洞岩爆段支护的上述五大要素进行分析，共得出如下11个末端原因：
人员：
①操作技能培训不足，技术交底不详细
②施工班组及机械操作人员水平不定、责任心不够
机械：
①注浆机设备陈旧、吊车时常坏
材料：
①锚杆和水泥品种选择不合理
方法：
①锚杆安装部位和间距不合理
②注浆的多少和安装的力度控制不合理
③不能针对不同的大理岩及时调整锚杆长度和型号
环境：
①工期压力大
②拱顶渗水，造成施工难度较大
③有构造节理面发育影响
六、要因确认
QC小组全体成员确认影响隧洞岩爆段支护的主要原因有：
序号
原因
确认方法
确认情况
负责人
完成时间
要因
确认
1
操作技能培训不足，技术交底不详细
现场验证
对台车司机和锚杆支护工人培训不够
杨家松
刘士恩
2009.8.15
是
2
锚杆安装的操作顺序存在问题
现场验证
班组是全部注浆完毕才安装锚杆
杨家松
2009.8.15
否
3
浆液的稀释浓度没有按照技术交底执行
现场验证
调查分析
在施工技术交底中锚杆安装浆液的水：
水泥：
砂=0.45：
1：
1.28，现场调查施工情况基本符合
陈木林
段启伟
2009.8.15
否
4
砂浆锚杆支护体现的效果较慢，达到的锚固力不够
现场验证
调查分析
砂浆锚杆自身缺陷，难以达到设计规范要求
刘元东
刘士恩
2009.8.15
是
5
洞内地下水发育，排水不畅，积水过深，湿度过大
现场验证调查分析
该隧道属于富水隧道，地下水发育，不仅对机械设备造成很大损害，而且对打孔过程中的位置控制和安装过程也影响较大
沙宗天
贺光荣
2009.8.15
是
七、制定对策
针对影响隧洞岩爆段支护的主要原因，QC小组成员集思广益，研究制定了具体的对策和措施，见下表：
序号
要因
对策
措施
地点
完成时间
负责人
1
操作技能培训不足，技术交底不详细
组织员工培训
由杨家松主持对支护工人进行了两次培训，重点进行引进水胀式锚杆后的施工安全技术的培训。
工地会议室
2009.8.20
杨家松
候永和
刘士恩
2
砂浆锚杆支护体现的效果较慢，达到的锚固力不够
选用更先进的锚杆支护形式，即水胀式锚杆支护
将杆体装上托盘，送入孔底，注浆器与注浆嘴连接，注入高压水（压力15~20MPa），杆体与围岩密贴即完成
施工现场
全过程
沙宗天
刘士恩
贺光荣
3
洞内地下水发育，排水不畅，积水过深，湿度过大
改善环境
对地下不进行引排，定期清理沟，保障排水畅通。
在掌子面运用到水泵，保证掌子面作业的时候无积水。
施工现场
全过程
贺光荣
沙宗天
唐剑
八、方案实施
锦屏引水隧洞现场施工时，QC小组成员根据施工实际进展情况严格按照制定的对策实施，小组成员按照分工对水胀式锚杆的施工进行全方位全天候的质量跟踪和控制，并根据PDCA不断进行学习、分析、总结和修正，对影响质量的重点、难点进行解决，使工程的工期的质量得到了保证。
实施一：
教育、培训、交底
2009年8月15日，在引水隧洞开挖进入T2b白山组大理岩后，连续三天利用工余时间，由QC小组组长、项目项目经理候永和主持了由全体12名QC小组主要成员和台车司机和挖机司机及支护工人参加的培训班。
由QC小组主要成员候永和、杨家松、刘士恩、唐剑等分别授课，对支护班组进行施工规范、技术要求和质量标准的培训，并由项目总工杨家松根据针对引水隧洞具体地质和现场情况编写的《锦屏引水洞西端水胀式锚杆施工手册》向主要操作手们作了详细的交底，技术主管邓迪对安装流程的操作重点进行了讲解和示范。
培训时强调指出，针对引水洞的特殊情况，要改变以前隧道洞施工中一些不正确的施工方法，为提高隧洞支护的速度和效果，采用水胀式锚杆，施工时要掌握以下原理和措施：
1、构成和安装程序
水胀式锚杆是一种由外径大于锚孔直径的A3无缝钢管加工成小于锚孔直径的双层凹型管状杆体,它由端套、挡圈、注液端、托盘等配件组成；施工程序为:
钻孔→将杆体装上托盘,送入孔底→注液器与注液嘴连接→注入高压水（压力15～20MPa）→杆体与围岩密贴→完成。
2、工作原理
水胀式锚杆在高压水作用下,锚杆管壁随锚孔形状膨胀,产生永久变形,使其对围岩产生挤压,获得锚固力,从而起到加固作用。
水胀式锚杆有三种作用:
第一是托锚作用,在加压膨胀过程中,杆体沿轴线收缩1～4mm,使托盘对锚孔附近围岩产生挤压力;第二是锚杆对围岩的轴向变形的限制作用,它随着围岩变形增加而增强;第三是沿锚杆全长对锚孔围岩挤压产生的径向压力作用,径向压力随着水压力增大而增大,当水压为25MPa时,锚固力可达20kN/m,而且比较稳定。
3、技术参数
初始锚固力
安装时间
杆体破坏力
工作水压
锚杆长度
岩孔直径
注液器
额定压力
高压泵
功率和电压
80kN
2min
980kN
25MPa
<6m
Φ36～Φ100mm
30MPa
3kW
380V/660V
4、性能试验
（1）所试验的技术指标
锚杆长度:
4.0m；锚杆直径:
25～30mm；充液压力:
25MPa；高压泵额定压力:
31.5MPa。
（2）试验情况
①自由膨胀:
使锚杆无约束自由膨胀,所得结果表明,锚杆长度由4.0m变为3.995m,直径由28mm变为43mm。
②锚固试验:
在2#洞2+756段进行钻孔锚固试验,采用长4.0m的锚杆共试验3根。
在泥质砂岩中,用<45钻头钻孔后,安装锚杆,然后用锚杆拉拔仪进行拉拔试验,测得抗拔力达到100kN时,锚杆仍未破坏。
5、技术人员随时跟班作业，对待施工中出现的特殊情况的变化，在第一时间对相关参数作出调整；
6、对每次支护后现场技术人员及时检查安装效果，对支护进行总结，找出得失，不断获取依据和施工工艺及技术方案。
7、不定时招集锚杆支护人员（支护班组、台车、挖机司机、领工员、开挖技术人员及相关领导）开会积极听取各方面意见，对水胀式锚杆施工方案补充完善；
培训完成后，技术人员及时进行技术交底，并将交底结果（记录）形成质量责任状，各方签字保存，在施工中认真贯彻执行。
实施二：
施工过程质量控制
自培训结束后，根据确定的要因的制定的对策，QC小组对现场监督指导贯穿施工的全过程，并于2009年8月10~20日、8月21~30日、8月31日~9月5日、10月27进行六次活动。
其中，8月15日是召集相关人员强调水胀式锚杆安装的效果，能否达到预期目的，以便节约支护时间。
在钻孔、注浆、安装和系统效果上要求大家献计献策，在保证质量安全的前提下加快下一循环的时间。
8月30日，因为隧道洞掘进到节理裂隙十分发育的强富水洞段，出现了很多不利情况：
如测量放线的台车钻孔位油漆标记被水冲掉，台车自身受潮湿影响经常出故障，开挖爆破后岩爆严重，影响支护工人心理等。
对此在候永和和杨家松带头下，迅速对安装工艺做出调整：
放炮进尺缩短，提前打探水孔；出渣积极，以便水胀式锚杆支护的紧跟，能喷砼的地方及时作喷砼支护；加强洞内引排水措施，每天派挖机疏通排水沟，并在掌子面安设水泵抽水；测工采用防水油漆定出锚杆钻孔孔位。
通过采取以上措施，安全稳定的渡过了破碎及富水区段。
9月4~5日，针对隧道内岩体开始变完整，岩爆强度出现中等情况，及时作出如下施工措施：
安装隧洞周边收敛和拱顶下沉检测器，严格开挖质量，减少应力集中；每循环打5~10个应力释放孔；每循环作超前锚杆支护；及时作锚喷支护，防止二次岩爆；支护后观测数据，收敛位移和拱顶下沉均未超出规范规定。
爆破后对岩石进行喷水减压处理。
通过以上措施，安全的渡过了岩爆多发地段，并且支护效果明显。
九、检查效果
由于细化施工过程的质量控制，认真执行施工方案，不断提高作业班组的质量意识和操作水平，各个施工环节均满足技术及设计要求。
最终，本段自采用该支护形式后，历经五个多月，未出现松落掉块现象，并且从观测数据看，收敛位移和拱顶下沉均未超出规范规定。
使用水胀式锚杆进行常规布置的锚杆支护具有安装后能马上提供支护的优点，不象水泥砂浆锚杆那样水泥锚固剂需要时间凝固。
水胀式锚秆一般情况下是可靠的，还可以在含水岩层中使用。
开挖面爆破后这种锚杆只是外端被炸掉，而在工作面前方岩石中仍留有三分之二的长度。
岩爆大为减少，不再影响隧道施工进度。
图1现场施工水胀式锚杆
图2现场支护效果图
十、主要成果
我部本QC小组虽组建不久，但在活动期间，继续加强对支护班组作业人员进行知识、施工工艺进行学习，加强对QC小组人员进行质量意识教育，加强现场监督，及时听取个方面意见，及时归纳总结、不断思考，不断逐类旁通，推及发扬，并引进和吸吮了许多国内外的施工工艺，全面运用TQM原理，针对影响岩爆段支护的各项主要因素，如台车钻孔的缺陷性、支护工人的安装水平不足性、砂浆锚杆支护本身的弊病等环节深入开展TQM活动，利用PDCA循环，认真解决存在的问题并制定各项对策。
有效地解决支护时带来的恐惧心理，以及台车钻孔设备的保护等问题，为施工的水胀式锚杆提供了良好的环境，主要是提高了支护施工进度并取得良好的技术效益、社会和经济效益。
技术效益：
经过PDCA循环，现场生产管理人员改变了认识，使他们充分认识到科学组织和实践结合的重要性，避免了在岩爆洞段支护的盲目性，提供了单位综合支护水平，大大缩短了岩爆处理控制时间，减少了人员受伤、砸坏机械的事故发生，为开挖节约了时间，保证了快速掘进，无形中降低了成本，为快速掘进提供了可靠的技术保障。
社会效益：
在国内隧道施工中，水胀式锚杆在施工中实施时间短，一般隧道支护施工均用砂浆锚杆和中空注浆锚杆两种，我部在水胀式锚杆的施工过程中，不断的通过试验数据以及现场观测等多种预报手段，使各项支护参数和成果能相互应证，能快速、有效地对岩爆洞段进行控制，通过PDCA循环，大大缩短了岩爆处理控制时间，提高了日、月进度，为公司赢得了荣誉。
并为国内以后类似工程的岩爆段支护工作指明了技术背景和方向。
经济效益：
通过成立QC小组进行课题攻关，大大提高了引水隧洞的支护速度，从而更为有效地提高了施工进度，同时，在准确的、有效的支护成果下，避免了岩爆段地质对施工生产人员和施工设备的安全威胁，降低了施工的安全成本，取得了明显的经济效益。
在开展TQM活动以前，曾多次出现岩爆使人员受伤和设备受损的现象，给项目造成巨大的经济损失和工期损失，同时开展TQM活动以前，设备损失就超过200万元。
通过TQM活动，取得了良好的经济效益，根据技术室及成本部分析可以看出，在进行TQM活动后，增加了对岩爆段支护的认知程度，在施工组织上，做到了预防排险在先，大大的减少了安全事故的发生，增加了月开挖进度，使沿米开挖固定成本探销降低，较TQM活动前每延米节约成本335.6元。
十一、结论与建议
与传统的砂浆或药包锚杆支护相比,砂浆锚杆、药卷锚杆有比较大的缺陷,如在全长范围内砂浆或水泥药卷很难保持均匀、满孔,从而不能充分起到设计要求的作用。
水力膨胀式（简称“水胀式”）锚杆恰好能克服目前大量使用的普通锚杆的不足，在快速处理岩爆时具有以下显著特点:
（1）节省时间、保证安全
由于水胀式锚杆安装快捷，约2分钟左右，水胀式钢管锚杆胀开后对工作面岩爆体产生约束力，由此进一步稳定岩石。
锚杆的这种约束力阻止了工作面上岩石碎片抛落的进一步发生。
具有即刻提供支护作用，起到立杆见影的效果，而且不需要任何专门的设备。
所以现场施工特别省时、安全。
隧道开挖进度不允许延迟。
工作面上的作业循环必须尽快衔接。
水胀式锚杆使用简便，能适用于新开挖工作面有岩爆的围岩体的快速支护。
（2）在软弱围岩段同样适用
由于水胀式锚杆安装后立即能提供较大的锚固力,沿全长锚固均匀,性能稳定。
所以对开挖自稳能力差、初期变形大、易坍易垮的软弱围岩（锚杆能成孔的）,效果特别明显。
（3）不污染环保
由于水胀式锚杆易于施工和管理,支护很干净，不会有水泥浆或树脂污染工作环境，不存在浪费、变质、损耗等现象,所以施工中不会产生环境污染。
（4）缺点
①与其它锚杆相比,水胀式现场加工较困难,一般只能从厂家订货，锚杆抗弯能力较差,不适合用于超前支护。
②水胀式锚杆的耐久性（耐腐蚀性及松动性）不易解决。
（5）经济效益
水胀式锚杆就直接费用来说要高于普通水泥砂桨锚杆和水泥药卷锚杆,但这种锚杆的操作人员相对普通锚杆可减少1～2人,锚杆胀管用的水泵可安装在台车上，以随时能进行锚杆支护而不需要做准备工作，且安装快,可为其它工序节省时间。
对工期压力大的本项目，工期效益非常明显！
（6）改进建议
①水力膨胀式锚杆优点不少,但从目前市场经济来看不易受到推广,要想广泛应用,还需加大力度降低成本。
②如果这种锚杆的锚头端有一小段（10cm左右）为锥形实体,尾端加设顶套,可更利于在破碎地带和易坍孔地段的安装。
十二、结束语
经过2009年8至10月的岩爆段用水胀式锚杆处理的实际情况，证明采用水胀式锚杆能对工作面岩爆体产生约束力，由此进一步稳定岩石。
锚杆的这种约束力阻止了工作面上岩石碎片抛落的进一步发生。
具有即刻提供支护作用且能大大缩短支护时间，保障安全、快速掘进，得到了业主的肯定。
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