1、1软软土区超深土区超深桩桩基沼气探排放施工方法研究基沼气探排放施工方法研究创创新新软软土区超深土区超深桩桩基沼气探排放施工方法研究基沼气探排放施工方法研究创创新新一、工程概况一、工程概况甬台温高速公路复线平苍段工程某标段起讫桩号K338+226K343+951，双向六车道标准，设计速度为100km/h，特大桥2座，桥梁宽度为33.0m，桥梁基础均采用桩基础，上部结构均为预应力砼组合箱梁。桥址处于软土地基，在规划设计研究院进行地质勘察过程中，孔深在5075m左右揭露到沼气，分别位于粘性土层中，初始喷发高度超过10m，喷发中无砂、砾石等，喷发40分钟左右，钻机有下沉的情况。经过一天时间，仍有沼气喷2、发，但压力与气量明显降低；另外位于第二层卵石层中上部，初始喷发高度超过6-7m，喷发中发现砂、砾石等，喷发10分钟左右，导致钻机下陷，下陷约10m左右。项目桩基采用旋挖钻施工，地下沼气揭露时将严重影响桩基的施工质量、安全。二、小组简介二、小组简介表1 QC小组成员概况课题名称软土区超深桩基沼气探排放施工方法研究创新课题注册号小组注册号小组名称课题类型创新型注册日期2016年5月活动频率每月3次，每次不少于3h活动次数18活动时间2016.62016.12小 组 成 员序号姓 名性别年龄文化程度职 称组内职务组内分工TQC教育1男49本科高级工程师组 长全面负责3男35本科高级工程师副组长组织策3、划4男33本科高级工程师组 员质量控制5男36本科高级工程师组 员方案实施2男52本科高级工程师副组长组织策划6男28本科工程师组 员现场操作7男31本科工程师组 员现场操作8男27本科助理工程师组 员加工控制9男34本科工程师组 员测 量10男24本科助理工程师组 员现场操作人均学时50h制表：廖飞顺 制表日期：2016年6月5日三、选题理由1、地质勘探中沼气的大量喷发导致地表下陷，极易造成钻机的倾覆，严重危害作业人员的安全。2、项目桩基施工在即，而深层大量沼气的存在将导致地基土层产生变形，加大桩的负摩阻力，更会危害钻孔桩的施工质量，如造成塌孔、断桩等。3、软土区超深桩基沼气排放方法在我公司4、尚属首次，无现成技术资料及施工经验可查，必须研发整套工艺方法，满足项目施工质量、安全及进度要求。综综上所述，我上所述，我们选们选定定“软软土区超深土区超深桩桩基沼气探排放施工方法研究基沼气探排放施工方法研究创创新新”作作为为本小本小组组活活动课动课题题。四、设定目标1、确定目标业主单位组织相关专家对项目沼气埋深情况进行研究讨论并形成了如下意见：由于在地质钻探过程中采用泥浆循环，泥浆的护壁作用掩盖了含气层的真正位置，一旦揭露承压含水层，当承压水稀释孔内泥浆后，泥浆护壁作用消失，气体随即就会喷出，因此，真实含气层埋深相比揭露埋深要浅；气体赋存于卵石层中可能性不大，因为卵石层中不存在产生气源的条件，5、且卵石层富含承压水，即使有气体，也会随着承压水排泄。项目桩基长度在76.594m，根据专家意见试打3根100m的钻孔以验证，经现场试打钻孔表明：沼气含量在60m左右孔深位置基本排放完毕，深部的卵石层探排并未发现有沼气喷出现象。综综上分析，主要上分析，主要针对针对60m60m深度范深度范围围内内进进行沼气探排放，沼气行沼气探排放，沼气浓浓度及度及压压力降低至确保力降低至确保桩桩基施基施工工质质量与安全的范量与安全的范围围之内。之内。2、确定目标值沼气气压：经QC小组成员查阅相关论文等文献资料，在软土地区非饱和性土层中，土层内气体气压对土层的扰动变形作用范围在0.05MPa以上，故确定土层沼气气压6、安全压力为0.05MPa以下。沼气浓度：由于针对土层内沼气的安全浓度没有相对应的规范标准，故QC小组参照要求更高的煤矿行业的相关标准煤矿建设安全规范（AQ1083-2011），根据规定得知甲烷检测报警仪的报警浓度为1%，故确定土层内沼气的安全浓度为1%。综综上所述，确定目上所述，确定目标值为标值为：60m以上土以上土层层里沼气排放里沼气排放压压力力释释放至放至0.05MPa以下，并且以下，并且浓浓度度降低至降低至1%（甲（甲烷检测仪烷检测仪无无报报警警现现象）。象）。3、目标值分析（1）参与此次沼气探排放的协作单位为丽水市地质勘探局，并派出了曾为项目做设计阶段初步勘探的技术人员到施工现场全天候7、从旁协助，有利于目标的实现。（2）软土地区超深桩基沼气探排放在我公司及温州地区尚属首例，对此业主单位沈海公司及我公司领导高度重视，并且严格要求，在人力、物力、财力上给予很大支持，业主单位邀请相关技术专家对本项目进行对口指导。（3）QC小组成员具有较强的事业心和责任感，参加过多次QC小组技术攻关，取得了较好的成绩。五、提出方案并确定最佳方案 1、方案的提出2016年7月6日，QC小组成员围绕课题和预定目标，集思广益，运用“头脑风暴法”，提出了三个具体实施方案并逐个进行实地验证。方案一：采用潜孔方案一：采用潜孔钻钻机机钻进钻进成孔、下成孔、下导导气管气管压风压风循循环释环释放沼气。放沼气。实实施施8、时时间间2016.7.107.17实实施地点施地点现场现场实实施人施人员员周周陈陈忠忠制表人制表人周周陈陈忠忠实施方法及图示（1）测量放样；（2）潜孔钻机就位，选择合适的钻头按正常钻进方式快速钻进至60m左右土层，形成一个直径为42mm的钻孔；（3）随即采用人工拼接的方式，将导气管下放至孔底；（4）连接检测设备，检查是否有沼气气体迹象；（5）如果有气，则将含气层及以上土层中的沼气进行控制性排放；（6）检验是否排气完毕，如果还有气，则往孔内送风、压风，继续排放沼气直到放气完毕；（7）拔管，封孔。图1 钻孔示意图 图2 现场钻孔装置样板图制表：周陈忠 制表日期：2016年7月17日方案二：采用岩心9、方案二：采用岩心钻钻机下外机下外护护管、套管，管、套管，压压入探杆入探杆压风压风循循环释环释放沼气。放沼气。实实施施时时间间2016.7.197.29实实施地点施地点现场现场实实施人施人员员周周陈陈忠忠制表人制表人周周陈陈忠忠实施方法（1）测量放样；（2）下146mm孔口护管，按正常钻探方式跟管钻进至55m左右土层；（3）下89mm套管并跟管钻进至土层12m；（4）下42mm探杆至孔深（探杆底部为专门设计的压风放气探头），当钻机压力表指针明显弹起时，表明进入储气层顶板，然后加压进入1m左右，之后慢慢将探杆上提3050cm，将含气层及以上土层中的沼气进行控制性排放；（5）检验是否排气完毕，如果还10、有气，则往孔内送风、压风，继续排放沼气直到放气完毕；（6）拔管，封孔。图示 图3 钻孔装置示意图 图4 现场钻孔装置样板图制表：傅程辉 制表日期：2016年7月29日方案三：采用静力触探方案三：采用静力触探仪仪静静压压探杆成孔，探杆成孔，压风压风循循环释环释放沼气。放沼气。实实施施时时间间2016.8.58.11实实施地点施地点现场现场实实施人施人员员李少波李少波制表人制表人李少波李少波实施方法及图示（1）测量定位；（2）静力触探仪就位，设置好地锚反力，并调整机器底盘水平；（3）将42mm探杆静压至60m左右的土层，然后慢慢将探杆向上提起3050cm使得探头与探杆自动脱开；（4）查看是否有气体11、溢出，如果有气，则将含气层及以上土层中的沼气进行控制性排放；（5）检验是否排气完毕，如果还有气，则往孔内送风、压风，继续排放沼气直到放气完毕；（6）拔管，封孔。图5 静压装置示意图 图6 现场静压装置样板图制表：李少波 制表日期：2016年8月11日2、选定方案针对以上三种方案，QC小组成员从多方面、多角度考虑，并按每循环次施工方法及要求进行分析和比对，具体见表3：表3 对比分析表项项目目技技术术特点特点经济经济合理性（合理性（单单孔）孔）工期工期结论结论方案一1、在土质条件下钻进速度快；2、适用范围广泛，基本不受地质条件的约束；3、工艺简单，施工步骤简便；4、先成孔再下导管，会存在漏气现象。12、材料材料费费（42mm导管：200元/m*60m=12000元）+机械机械费费（31600=4800元)+人工人工费费（2*300=600元）=17400元元因受土层中沼气量不确定的影响，具体循环一个施工工期亦无法确定。能实现目标，但孔内可能会存在漏气现象从而导致不能准确反映沼气检测结果。方案二1、钻孔机械设备笨重，不便于移动；2、工艺复杂，施工难度较大；3、钻孔孔径较大，在地质条件差时容易出现塌孔等现象；4、需3人配合，劳动力投入相对较大。材料材料费费（146mm钢管：60元/m*55m=3300元，89mm钢管：45元/m*60m=2700元，42mm导管：200元/m*60m=1200013、元）+机械机械费费（31000+600=3600元)+人工人工费费（3*300=900元）=22500元元同方案一能实现目标，但施工操作要求高，难度大，成本费用略高。方案方案三三1、移动方便，静力触探仪自带履带，可由工人操作自由行走；2、采用静压贯入装置，施工简便；3、静压孔径较小，下管拔管受地质条件影响较小；4、2人即可，劳动投入相对较小。材料材料费费（42mm导管：200元/根*1m/根*60根=12000元）+机械机械费费31000=3000元)+人工人工费费（2*300=600元）=15600元元同方案一能实现目标，施工难度相对较小，成本费用相对较低。故采用故采用注：人工费是300元/14、1人.d，机械费是潜孔钻机使用费1600元/台/d，岩心钻机、静力触探仪使用费是1000元/台/d，吊机租赁费600元/h。制表：李少波 审核人：袁定辉 制表日期：2016年8月16 日3、经过小组成员的讨论，将方案三建立展开分析系统图（控制方案控制方案），），见图7，并逐一进行对比分析 一级方案 二级方案 三级方案静压法形成排气孔沼气控制性释放检查沼气排放结果导气管的连接循环送风、压风使用法兰式连接使用直螺纹连接使用鼓风机使用空气压缩机直接在导气管上口测定沼气排放压力及浓度连接气水分离器后再测定沼气排放压力及浓度软土区超深桩基沼气探排放施工方法研究创新图7 展开分析系统图（控制方案）制图：廖15、飞顺 校核人：洪祥水 制图日期：2016年8月20 日（1）导气管的连接方案选定，见表4。表4 导气管的连接方案对比分析表项项目目方案特点方案特点优优点点缺点缺点分析分析结论结论使用法兰式连接1、将垫片放入一对固定在两个管口上的法兰的中间，用螺栓拉紧使其紧密结合。1、有较好的强度和紧密性。2、使用的尺寸范围较广。1、竖向连接时，工人操作相对较困难。2、制造成本较高。该方案可以进行导气管连接，但操作较慢，装卸较不便，且制作成本较高。使用使用直螺直螺纹连纹连接接1、提前加工导气管螺纹，现场竖向连接时运用普通式铰扳直接进行导管对接。1、连接可靠，通用性较好2、使用方便，工人操作简单。3、使用零件少，16、制造成本较低。1、不适用于管径较大的钢管。2、对螺纹的加工要求较高。该方案可以进行导气管连接，且安装方便，施工速度快，投入费用少。故采用。故采用。制表：章国艺 制表日期：2016年8月25日（2）循环送风、压风方案选定，见表5。表5 循环送风、压风方案对比分析表项项目目方案特点方案特点优优点点缺点缺点分析分析结论结论使用鼓风机1、鼓风机由于叶轮在机体内运转无摩擦，不需要润滑，使排出的气体不含油。2、流量的选择可通过选择转速而达到需要。结构简单，噪声较低。气压一般比较小(通常不会超过1kg/cm2)。该方案送风压力达不到要求。使用使用空气空气压缩压缩机机1、可以看成是大型的自动打气筒，可以产生高17、压空气。2、工地上使用较多，工人对此类工具的用途和使用比较熟悉。整机效率高、气量足、产生的气压高。运行噪音相对较大。该方案操作简单，能满足产生高压气体的要求。故采用故采用制表：廖飞顺 制表日期：2016年8月30 日（3）检查沼气排放结果方案选定，见表6。表6 检查沼气排放结果方案对比分析表项项目目方案特点方案特点优优点点缺点缺点分析分析结论结论直接在导气管上口测定沼气排放压力及浓度1、可在导管上口安装压力表及阀门，读取压力表读数，用便捷式甲烷检测报警仪检测沼气浓度。1、操作简单，无需额外设备。2、投入成本低。1、只能进行纯气体排放测定，当气体夹杂水或泥砂时则不适合。2、有一定的安全隐患。该方18、案测定范围小，且存在安全隐患。项项目目方案特点方案特点优优点点缺点缺点分析分析结论结论连连接气接气水分离水分离器后再器后再测测定沼定沼气排放气排放压压力及力及浓浓度度1、结合深层沼气喷发特点，采用气体分离器对沼气排放时夹杂的水或泥砂进行分离，再通过分离器上的压力表、流量计测定沼气排放量，通过阀门测定沼气浓度。1、考虑全面，安全性较好。2、可以多方面测定沼气释放情况。1、必须加强过程控制，2、对工人整体素质要求高。该方案费用投入相对多一点，但能综合考虑沼气排放情况，实用性较好。故采用故采用制表：陈杨进 制表日期：2016年9月09日经QC小组分析、讨论，我们决定采用气水分离器对沼气综合处理后再进19、行测定的施工方案。5、确定最佳方案经QC小组分析、比对，制定了最佳方案框架图，见图8。软土区超深桩基沼气探排放施工方案创新 静压法形成排气孔 检查沼气排放结果 沼气控制性释放 使用直螺纹连接 使用空气压缩机进行循环送风、压风 连接气水分离器后再测定沼气排放压力及浓度 图8 最佳方案框架图制图：李少波 制图日期：2016年9月12日六、制定对策表根据最终确定的方案，小组成员对方案中影响施工质量、技术可行性等因素进行分析，分别制定相应对策并做了具体分工和安排，详见表7表7 对策措施表序序号号项项目目对对 策策目目 标标措措 施施地点地点负责负责人人完成完成时间时间1静压法形成排气孔使用静力触探仪将20、导管下压成孔。将导气管顺利下压至60m左右的土层中。1、在使用前，现场检验导气管螺纹连接的可靠性。2、采用静压贯入装置，一边下压一边进行螺纹连接，直至下压到规定深度。施工现场章浙棋李 钦2016.9.252沼气控制性释放使用空气压缩机往导管内循环送风、压风，。将含气层中的沼气利用送风压风的导气原理，释放土层中的沼气。用空气压缩机沿着导管向探杆内压入0.7MPa压力的空气，十分钟后关闭空压机，反复送风和压风，以疏通放气探头出气口及疏通含气地层导气通施工现场李少波廖飞顺2016.9.26道为原则，使得沼气排放完全。3检查沼气排放结果使用气水分离器测定纯净气体浓度及压力。使沼气释放后压力降至0.0521、MPa以下、浓度下降至检测仪不报警为止。在沼气喷发过程中，连接气水分离器、流量计，同时让气体充分喷发，测定分离器上口阀门处的沼气浓度，以及观测压力表、流量计读数并记录。施工现场周陈忠李 盼2016.9.27制表：于 乔 制表日期：2016年9月27日七、按对策表实施实实施一：静施一：静压压法形成排气孔法形成排气孔实实施施时时间间2016.10.09实实施地点施地点芦浦高架芦浦高架1号号桥桥左幅左幅77#墩墩负责负责人人章浙棋、李章浙棋、李 钦钦实实施目施目标标使用静使用静压设备压设备，将，将连连接可靠的接可靠的导导气管气管顺顺利下利下压压至至60m左右的土左右的土层层中。中。实施步骤及图示1、22、根据桥墩桩位图按拟定的排气孔设置位置进行放样（见图9）。图9 施工人员测量放样2、准备和检查探杆探头、压力表、阀门、气水分离器、流量计、防护设备等是否正常（见图10-图11）。图10 静压探杆 图11 气水分离器3、静压设备施工前首先需平整场地，静压设备采用SYW-15型静力触探仪，探杆（导管）外径42mm，壁厚5mm。然后加设地锚反力，调整静力触探仪的水平（见图12-图14）。图12 静力触探仪 图13 加设地反力图14 调整仪器水平4、将探杆加入静压贯入装置进行下压（见图15）。图15 静压探杆导管效果效果验验证证在下在下压过压过程中一程中一边对边对照照设计设计地地层层情况，一情况，一边记23、录导边记录导管（探杆）下管（探杆）下压压深度，均能深度，均能顺顺利下利下压压至至60mm左右的土左右的土层层之中，符合要求。之中，符合要求。制表：章浙棋 制表日期：2016年10月15日实实施二：沼气控制性施二：沼气控制性释释放放实实施施时间时间2016.10.16实实施地点施地点芦浦高架芦浦高架1号号桥桥左幅左幅77#墩墩负责负责人人李少波、廖李少波、廖飞顺飞顺实实施目施目标标将含气将含气层层中的沼气利用送中的沼气利用送风风、压风压风的的导导气原理，气原理，释释放土放土层层中的沼气。中的沼气。实施步骤及图示1、在探杆静压至各个阶段预定深度位置后，检查气水分离器的连接情况（见图16）。图16 24、检查气水分离器的连接情况2、当气水分离器的流量计中的小球有上浮迹象时，表明有气体从探杆中溢出，并记录储气层的位置深度（见图17）。图17 流量计中的小球有上浮现象3、使用空气压缩机对探杆用0.7MPa压缩空气进行吹气3分钟，停止后检查出气口是否导通，通过探杆进行沼气释放（见图18）。图18 软管连接空压机与导管，进行送风、压风效果效果验证验证沼气沼气释释放放过过程程现现象象较较明明显显，达到了，达到了预预期效果。期效果。制表：李少波 制表日期：2016年10月17日实实施三：施三：检查检查沼气排放沼气排放结结果果实实施施时间时间2016.10.18实实施地点施地点芦浦高架芦浦高架1号号桥桥左幅25、左幅77#墩墩负责负责人人周周陈陈忠、李忠、李 盼盼实实施目施目标标使沼气使沼气释释放后的放后的压压力下降至力下降至0.05MPa以下、以下、浓浓度下降至度下降至检测仪检测仪不不报报警警为为止（甲止（甲烷浓烷浓度在度在1%以下）。以下）。实施步骤及图示1、打开气体分离器中的气体阀门，用便携式甲烷检测报警仪进行浓度检测，并记录最高读数，同时读取压力表中的压力读数并记录（见图19）。2、在气体释放一段时间过后，重复重复上一步操作，直至检测仪器不再报警（甲烷浓度在1%以下），压力表读数下降至0.05MPa以下，方可缓慢向上提起探杆，每个行程1m。若在提起过程中发现沼气气体迹象，则应对相应的行程进行沼26、气控制性排放（见图20）。图19 检测甲烷浓度图20 读取压力表读数效果效果验证验证在在经过经过循循环环送送风风、压风压风，并，并进进行控制性行控制性释释放沼气之后，土放沼气之后，土层层内的沼气内的沼气压压力可下力可下降至降至0.05MPa以下，沼气以下，沼气浓浓度可排放至度可排放至检测仪检测仪不不报报警警为为止，达到了止，达到了预预期效果。期效果。制表：周陈忠 制表日期：2016年10月18日八、效果检查1、本次QC小组活动会同监理工程师对桩位附近的沼气排放压力及浓度进行检查，共查了60处，其中有5处土层中有较大量的沼气存在，在经过此施工方法排放之后，沼气排放压力释放至0.05MPa以下，并27、且甲烷检测仪无报警现象，具体见表8。表8 检查结果汇总表沼气排放前的数据沼气排放前的数据沼气排放后的数据沼气排放后的数据序序号号检查检查部位部位浓浓度（度（%CH4）压压力（力（MPa）浓浓度（度（%CH4）压压力（力（MPa）1芦浦1号桥左幅65#墩2.120.180.050.012芦浦1号桥右幅35#墩4.110.540.140.033芦浦1号桥左幅33#墩2.550.300.110.024芦浦1号桥左幅73#墩2.240.320.090.025芦浦1号桥左幅77#墩1.870.200.060.01平均平均值值2.580.310.090.018制表：廖飞顺 制表日期：2016年12月28日28、2、活动效果沼气浓度及压力排放效果如图2122所示，活动效果对比图如图23所示。图21 沼气排放后浓度检测低于报警值1%图22 沼气排放后压力表读数低于0.05MPa图23 活动效果对比图制图：廖飞顺 制图日期：2016年12月29日3、通过QC小组活动，为公司及项目部培养了一批敢于创新的技术骨干，同时培养了一支技术力量过硬的施工班组，为确保本工程的质量和安全奠定了基础。九、巩固措施及标准化1、巩固措施该施工方法的探索和实施，使我们对深层土中沼气处理施工有了更深更全面的了解，从而为安全、经济地做好类似施工提供了宝贵的经验，同时也填补了我公司在超深桩基沼气探排放施工领域的一项空白，为了巩固此次成29、果，我们将QC小组活动成果中的各条对策，制定为质量控制标准，形成技术交底，传达至每一位技术人员以供学习与参考。2、标准化将本次活动取得的成果，编制成沼气处理技术、安全专项施工方案，并上报公司工程部备案，以便此施工技术进行推广应用。3、标准实施在桩基施工之前，项目按照标准化的施工方法提前对桩基施工区域内土层中进行沼气探排放，截至目前，本线路已经施工近500根桩基（桩基总数达2000根），未发生过一起桩基施工塌孔、沉降等质量或安全事故，初步完成了业主单位交给我们的任务，得到了他们的好评。十、总结与今后打算通过本次QC小组活动，小组成员们经历了一段研究创新的历程，并最终完成了课题活动的预定目标。为使30、小组成员综合素质更加显著提高，我们将持之以恒的参与项目实践和创新，为企业发展注入科技活力和提高市场竞争力，为创造精品科研项目做好技术保障。QC小组成员对开展活动前后的综合能力进行自我评分，见表9。表9 活动前后综合素质评价表序号序号项项目目活活动动前前活活动动后后结论结论1创新意识8095较大提高2工作热情8598提高3团队精神7585提高4质量意识8092提高5解决问题能力7594较大提高6QC知识7088较大提高制表：章浙棋 制表日期：2016年12月30日图24 自我评价雷达图制图：章浙棋 制图日期：2016年12月30日通过本次QC小组活动，使得项目人员对QC活动有了更全面的认识，也为今后将继续开展各类QC小组活动打下了坚实的基础，从而在工作中不断创新施工工艺，提高施工质量，增强员工质量意识。我们接下来计划对高架桥墩柱混凝土表面气泡问题开展QC攻关活动，确保墩柱施工质量。