2014年度优秀质量管理小组
申报材料
课题名称：缩短路基桩板结构数值模拟的设计周期小组名称：成都地铁路基桩板结构QC小组
活动时间：2011年9月－2013年6月
中铁第五勘察设计院集团有限公司
二〇一四年五月
目录
一、工程概况 (1)
二、小组概况 (2)
三、选题理由 (3)
四、现状调查 (4)
五、设定目标 (7)
六、原因分析 (8)
七、要因确定 (9)
八、制定对策 (22)
九、实施对策 (23)
十、效果检查 (36)
十一、巩固措施 (39)
十二、总结及今后打算 (40)
一、工程概况
本工程位于成都地铁2号线一期工程正线终点与二期工程林家大堰站间路基区间部分（图1）。路基段右正线里程YDK44+350.00～YDK45+212.60，线路长862.60m；左正线里程ZDK44+400.00～ZDK45+207.606，线路长807.606m。
图1 成都地铁2号线二期工程经干院站～林家大堰站区间地理位置示意图如图2右正线YDK44+350～+696、左正线ZDK44+400～+696与既有一期工程出入段线并行，右正线YDK44+696～+770上跨既有一期工程出入段线。一期工程终点段为出入段线，由独立墩柱式桩板结构、U型槽结构、明挖段围护结构及隧道结构等不同类型结构构成，且地层较差，导致二期工程起始区间段路基工程设计条件复杂困难。为实现2号线二期工程软弱段路基在与既有结构物良好衔接前提下的纵横向稳定性、刚度均匀性、耐久性和减振性，控制路基的不均匀沉降、工后沉降等问题，采用桩板结构路基是比较可靠的选择。为满足现场施工图纸需求，在保证桩板结构路基设计质量的前提下提高出图速度显得尤为重要。
图2 成都地铁2号线二期东延线起始区间平面示意图
二、小组概况
1. 小组简介
成都地铁路基桩板结构QC小组成立于2011年4月，主要为提高成都地铁2号线二期东延线困难条件下与既有结构物衔接的桩板结构路基设计效率，而进行的小组活动。小组自成立以后，小组各成员在QC小组活动中，能相互启发、深入思考、共同提高；该小组的成立和活动，对激发各小组成员的工作积极性、创造性，提高技术水平，控制工程质量起到了重要作用。QC小组成员情况见表1。
表1 QC小组成员情况表
2. 活动时间（2011.9～201
3.6）
图3 QC小组活动甘特图
制图：刘婷日期：2013年6月30日
三、选题理由
图4 选题理由评价图
制图：时洪斌日期： 2011年9月10日
四、现状调查
1.桩板结构是一种新型轨下基础结构，兼有桩基工程与梁板结构的优点，具有能有效控制基础沉降、加快施工进度等优势，目前已在国内外得到了一定的工程应用，但没有对应的详细专项设计规范。目前的桩板结构设计主要依据桥梁设计的相关规范及《铁路工程地基处理规范》进行。
2.桩板结构路基不同与一般土质路基，对专业接口要求较高，互提资料直接影响桩基和承载板的设计。而相关专业的接口资料又需要较长的确认时间，涉及地质、线路、轨道、桥涵、限界、接触网、通信等专业。
3.进行桩板结构设计时对结构的数值模拟不确定因素较多，既无经验参考也无成熟
专项数值模拟软件可用，导致数值模拟时间较长。配筋检算、CAD制图等后续设计程序及内外审流程也会占用较多的设计时间，影响设计周期。
4.2011年4月1日路基桩板结构开始进行初步设计，初步设计实际用时150天完成，虽然滞后了计划周期，但最终按业主要求周期完成了设计任务。下一阶段施工图设计由于工期较紧业主要求周期确定为120天。从图5所示初步设计和施工图设计周期对比图可以看出，施工图实际设计周期要控制在120天内才能完成设计任务。
图5 初步设计和施工图设计周期对比图
制图：张贵财日期：2011年9月16日
初步设计各设计环节周期统计如表2所示。
根据统计表画出饼图见图6，可以看出数值模拟占据了总设计周期的43.3%。
依据业主对下一阶段施工图设计120天的要求，原150天的设计周期会滞后30天，严重影响现场施工供图需求，完不成设计任务，必须缩短桩板结构设计周期。
图6 桩板结构初步设计周期饼图
制图：张贵财日期：2011年9月17日
5.QC小组再对桩板结构各设计环节滞后时间进行统计分析，得到影响因素调查统计表（表3）。
根据统计表画出排列图见图7，可以看出总滞后时间的70%是数值模拟阶段产生的，所以缩短桩板结构设计周期的关键在于缩短数值模拟阶段的设计周期。
图7 影响桩板结构设计周期因素的调查统计排列图
制图：张贵财日期：2011年9月22日
五、设定目标
1.目标设定
依据现状调查可以看出：不论桩板结构实际设计过程中的各阶段周期调查统计，还影响桩板结构设计周期因素的调查统计，都反映出在QC小组可控的范围内数值模拟阶段是影响设计周期的症结所在。在其他阶段周期水平保持不变的情况下，如图8所示，如果数值模拟阶段能够缩短30天就能满足桩板结构总的设计周期控制在120天，满足业主要求。所以设定目标为：桩板结构路基设计数值模拟阶段周期缩短30天。
图8 数值模拟周期目标设定柱状图
制图：时洪斌日期：2011.10.15
2.目标设定依据
（1）路基桩板结构的设计得到了各级领导、院总工、集团总工的高度重视，各项技术条件可以得到最大的满足。设计过程中准备邀请院内外桥梁、路基专家参与指导及咨询工作，为桩板结构的选型设计及结构检算提供坚实的技术保障。
（2）依据既有的桥梁、桩基及混凝土结构设计规范，借助有限元分析软件可以建立合理的桩板结构模型进行多工况分析计算。
（3）桩板结构数值模拟周期与人员、软件、数据、计算方法、技术支持等各方面相关，通过对各环节的优化，加上初步设计的经验积累，在现有65工天的基础上缩短到35天，达到周期缩短30天的目标是可以实现的。
综上所述, 成都地铁路基桩板结构QC小组能达到预期目的。
六、原因分析
针对影响桩板结构数值模拟周期的因素，小组采用头脑风暴法进行了多次讨论，广泛收集设计人员、设计专册、各级工程技术专家的意见，集思广益、畅所欲言、相互启发、相互补充。同时对资料进行整理分析，绘制了因果图（图9），利用因果图从人、机、料、法、环五个方面进行原因分析，并找出末端因素14个。
图9 影响桩板结构数值模拟周期因素分析因果图
制图：时洪斌日期：2011年11月15日
七、要因确定
根据“因果图”分析的末端因素，运用要因验证计划表，针对末端因素逐一确定验证标准及制定验证方法，进行要因确认。要因确定见表4。
表4 要因验证计划表
制表：时洪斌制表日期：2011.11.16
确认过程：
初步设计后对8名设计人员进行数值软件主要功能掌握程度测试，统计分析测试结果如下表：
注：不及格（＜60），及格（60~69分），良好（70~89分），优秀（90~100分）
制表：时洪斌制表日期：2011.11.16
确认过程：
经过调查分析，数值模拟前有详细的结构设计技术要求。如下：
成都地铁路基桩板结构应满足一期独立墩柱式桩板结构、U型槽结构、明挖段围护结构及地下隧道结构等不同类型结构的限界要求，与既有结构物良好衔接。另外还应满足如下量化目标要求：
技术要求书如图10所示。另外，还有项目设计事前指导书和设计原则（图11）。
图10 初步设计技术要求
图11 初步设计事前指导书和设计原则
确认过程：
由于设计人员对桩板结构路基现场没有太多概念，现场调查发现，已向设计人员提供了带有工程实例的相关书籍（图12）、施工现场位置的图片（图13）及参考模型（图14）。
参考书籍：
图12 参考书籍
现场照片：
图13 现场照片
工程位置
参考模型图：
图14 桩板结构Midas Civil
计算模型
确认过程：
桩板结构数值模拟可采用三种计算方法：① 基于平面应力条件的力矩传递法；② 基于平面应力条件的结构力学求解器计算法（SM solver ）；③ 基于桥梁结构计算有限元软件Ansys 分析法 。
现场从有效性、实用性、误差大小、可操作性四个方面来评价基于上述三种方法的三种模拟软件如表7所示。
表7 模拟软件分析评价表
*备注：◎5分，○3分，△1分
制表：黄微 制表时间：2011.11.30
通过对三种模拟分析软件进行评价，之前采用的Ansys得分最高为14分，力矩传递法和SM solver都为10分。无论哪种软件综合得分都小于15分，说明目前用到的软件在进行桩板结构数值模拟方面都不是最优的。模拟软件的选择，影响设计效率和周期。目前使用的Ansys软件在前处理和边界条件设置上不容易上手，设计人员不容易掌握，易导致数值模型的错误，影响后续设计计算。
确认过程：
数值模拟所用电脑都为奔腾双核E5800联想扬天系列商用电脑，计算和图形显示性能优良，在处理桩板结构模型上配置足够。后期处理较大数值模型时，对显示较慢的电脑还可以通过增加内存、升级显卡得到解决。设计人员使用的两款电脑联想扬天M6600N和联想扬天A4600K详细配置如图15和图16。
图15 联想扬天M6600N配置图16 联想扬天A4600K配置
确认过程：
现场测试发现，不论Ansys还是Midas Civil软件，都有强大的图形和数据接口（图17和图18），可以与其他主流前后处理软件对接；即便是非主流小软件处理的数据格式，也可以通过编写程序进行数据提取及格式转换，为数值模拟直接提供输入数据。
图17 Ansys图形和数据接口菜单
图18 Midas Civil图形和数据接口菜单
确认过程：
调查分析地勘资料发现，大部分关键桩基位置都有钻孔图。结合一期工程的地勘资料，可以保证水文地质情况的可靠性。地勘资料满足设计要求。地勘报告如图19所示，设计质量评定如图20所示，总平均分为94.6分>90分，地勘资料评定为优秀。
图19 桩板结构段路基地勘报告
图20 设计质量评定卡
确认过程：
调查分析发现，总体院开放的线路平纵表达方式容易引起误解，且没有提供线间距资料。在多方协调下，线路专业提供了线间距表，认为是可以解决线路数据问题的。线路和轨道专业联系单如图21所示，线路资料问题容易解决不构成控制性因素，不影响结构受力条件的输入。
图21 线路和轨道专业联系单
确认过程：
调查分析发现，如路基桩板结构现场位置图所示（图22），限界资料涉及既有一期结构物、新增疏散平台、漏缆护墩和接触网基础等，限界资料直接影响了路基面的设计宽度，及结构的受力分析。设计过程中各专业限界资料不完整，部分预留结构及既有结构具体位置没有实测具体值，只能估算，不满足《地铁限界标准》规范要求。不能够清晰标示结构物周边已有或已规划的结构物的限界条件，影响建模，对数值模拟起控制作用。
图22 路基桩板结构现场位置图
确认过程：
经调查分析，桩板结构设计参考规范主要有《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5-2005 J464-2005）、《铁路工程地基处理技术规程》（TB10106-2010 J1078-2010）、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005 J462-2005）、《混凝土