高原凍土區輸電鐵塔基礎施工關鍵技術

靳義奎，梁來先，劉軍，高鵬飛

(1.青海送變電工程公司，西寧市 810001;2.葛洲壩集團電力有限責任公司，湖北省 宜昌市 443002)

0 引言

格爾木—拉薩±400 kV直流輸電線路位于青海和西藏境內，工程線路全長1 038 km，線路平均海拔為4 650 m，最高點海拔為5 300 m;海拔4 000 m以上地區的線路長度超過900 km，占總長的87%。該線路穿越565 km多年凍土區，是世界上穿越凍土區最長的直流輸電線路。全線共用鐵塔2 361基，其中多年凍土區共有鐵塔1 207基。采用的凍土基礎型式有錐柱基礎、掏挖(樁)基礎、預制裝配式基礎和灌注樁基礎等 4 種［1］。

多年凍土是凍結狀態持續2年或2年以上的凍土，它是一種對溫度極為敏感且性質不穩定的土體。施工活動對多年凍土易產生較大的擾動，引起多年凍土上限下移，多年凍土層溫度升高、地下冰融化，從而導致凍土工程性質變化，造成凍土區地基變形和破壞，影響基礎工程的穩定性，給送電線路施工和運維帶來一定的困難。為確保工程在建和投運后的安全，在工程施工過程中必須采取各種措施，減少或消除施工對凍土的擾動，解決多年凍土的融沉、凍脹等現象對桿塔基礎造成的影響［2］。

1 凍土基礎開挖技術

1.1 錐柱基礎基坑開挖關鍵技術

(1)一般錐柱基礎開挖采用機械作業，可提高工作效率，降低施工人員勞動強度，縮短凍土暴露時間，保持凍土穩定。利用青藏高原特有的晝夜溫差來調節施工時間，在凌晨2點左右進行開挖，凌晨4點左右基坑開挖完成，立即吊裝鋼筋籠和安裝模板，進行混凝土澆制，待凍土層融化時基礎澆制已完畢。

(2)對于滲水量大且坑壁易坍塌的大開挖基坑，開挖時必須使用擋土板加以支撐。開挖時先開口挖下0.3～0.5 m，然后在坑壁四周設水平橫撐木，將擋板由橫撐木及坑壁間插下，橫撐木間距視土質而定，一般為0.8～1.0 m。擋板頂端要有防止打裂的措施，若使用鋼板擋土板則效果更好。挖掘過程中邊挖邊下插擋土板，注意觀察擋板有無變形及斷裂。若發現異常應及時更換或者在橫撐木上加水平頂杠，增強擋土板骨架的剛度，確保坑深度達到設計要求［3］。

(3)基坑開挖接近設計深度時，如果無法及時施工，應預留500 mm以上保溫層，待澆筑前基坑操平時再挖至設計深度。基坑開挖后采取如圖1所示遮陽降溫措施，避免氣溫上升凍土解凍后造成基坑積水和坑壁滑塌。

圖1 基坑覆蓋遮陽網效果圖Fig.1 Effect drawing of pit cover shade net

1.2 灌注樁基坑開挖關鍵技術

灌注樁基礎施工采納青藏鐵路格拉段施工的成功經驗，采用旋挖鉆機干法快速成孔。大功率旋挖鉆機鉆孔速度快，功效為普通沖擊鉆機的數倍，另外由于是鉆機自出碴，不用泥漿浮碴，避免了泥漿的熱量帶入，對凍土層擾動更小。采用干式旋挖成孔技術關鍵是要因地制宜選擇鉆頭，鉆頭選擇合適可大大提高鉆孔速度及成孔質量。對于下部嵌巖深度深，表層風化覆蓋層厚的情況，上部風化層采用旋挖鉆機成孔，進入微風化巖層后再改用普通沖擊鉆成孔，這樣可以大大加快整根樁的施工速度［4］。

1.3 掏挖式基坑開挖關鍵技術

掏挖(樁)基礎均采用人工風鎬開挖的方式。為避免基坑開挖過程中凍土融化造成坑壁滑塌，威脅孔底施工人員安全，基坑在開挖過程中嚴格按每500 mm護壁1次，開挖至擴大頭部分時采用鋼筒護壁。護壁后的坑壁穩固，凍土不易融化，坑內也未見大量出水，如圖2所示。護壁主要有鋼筒護壁、預制混凝土護壁和現澆混凝土護壁等類型，根據現場實際情況正確選擇護壁類型，對提高施工進度和節約施工成本都有很大的作用。

2 負溫條件下早強混凝土澆筑技術

圖2 同一基坑護壁前、后比較Fig.2 Comparison diagram of before and after pit wall comparison

根據工程特點，充分考慮混凝土在負溫下強度發展速率與水化熱對周邊凍土穩定性影響的關系，負溫混凝土配合比不宜過分追求早期強度快速發展。配制負溫早強耐腐蝕性混凝土的關鍵技術措施就是通過配合比試驗，確定摻用具有多種功效的復合混凝土外加劑及其用量，并采取切實可行的保溫養護措施［5-8］。

(1)摻防凍劑混凝土的配合比，砂率比普通混凝土可降低2% ～3%，水灰比宜采用0.5～0.6，水泥用量不宜低于300 kg/m3，防凍劑的用量為水泥用量的4%。

(2)摻防凍劑混凝土用的原材料，當氣溫低于-5℃時，可用熱水拌和;水溫高于65℃時，熱水應先與骨料拌和，再加入水泥。氣溫低于-10℃時，骨料可移入暖棚或采取加熱措施。骨料凍結成塊時需加熱，加熱溫度不得高于65℃，并應避免灼燒。用蒸汽直接加熱骨料，其帶入的水分應從拌和水中扣除。

(3)摻防凍劑混凝土在負溫條件下不得澆水養護，外露表面必須覆蓋。初期養護溫度不得低于防凍劑的規定溫度，否則應采取保溫措施。當混凝土溫度降至規定溫度以下時，混凝土強度必須達到3.5 MPa，拆模后混凝土的表面溫度與環境溫度之差大于15℃時，應采用保溫材料覆蓋養護。

(4)負溫條件下澆筑混凝土后72 h內必須采用升溫養護以保證混凝土質量，主要采取暖棚升溫養護和電熱毯升溫養護。

3 預制裝配式基礎吊裝施工關鍵技術

預制裝配式基礎主要由圓柱形立柱、2塊對稱鋼筋混凝土底板和錨固用條形地梁組成。立柱與底板采用法蘭盤螺栓連接，底板間通過地梁預埋錨栓采用槽鋼連接。預制裝配式基礎吊裝關鍵技術是專用吊具的研制以及地梁的找正，地梁和立柱專用吊具如圖3 所示［9-10］。

(1)地梁吊裝前基坑必須操平，吊具使用時底板穿芯螺桿必須配帶雙帽螺栓。地梁找正采用井字樁找正方法，找正時將基坑中心、軸線與連接地梁中心、軸線重合即可。測量和調整橫梁4個角的高差在3 mm以內，并以第1個吊裝的地梁為基準，4個地梁間頂面高差控制在5 mm以內。

圖3 預制裝配式基礎專用吊具Fig.3 Special lifting device for prefabricated assembly foundation

(2)預制裝配式基礎底板吊裝時，如圖4所示，在靠基礎外邊緣一側的2根鋼絲繩上串聯2個5 t手拉葫蘆，吊裝時與水平尺配合調節預制基礎底板的水平度，安裝后有偏差時用千斤頂微調。

圖4 底板吊裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of baseplate hoisting

(3)預制基礎立柱吊裝時，將加工的專用吊板套在地腳螺桿上，再將拆下的雙帽螺帽全部帶齊，并緊固螺帽。立柱與底盤連接前應注意立柱頂端地腳螺栓的方向，確保地腳螺栓的對角線與基礎對角線重合。

4 保證凍土區基礎安全的技術措施

4.1 熱棒技術

利用熱虹吸冷凍作用的熱棒技術可防止多年凍土退化和融化，降低多年凍土地基的溫度，提高多年凍土地基的穩定性，保證建筑物地基在運行期長期處于設計溫度狀態。基礎熱棒施工時宜采用鉆機開挖安裝孔法，棒身垂直度允許偏差為棒身長度的1%。熱棒安裝后回填時，應用細沙土分層逐段填實，并且每層用水澆透，防止出現空隙或不密實等現象，必要時應用鐵棒逐層搗固沙土。

4.2 預制件防腐技術

為了防止凍土對基礎和外露金屬聯接構件產生腐蝕作用，混凝土表面和外露金屬聯接構件涂刷防腐涂料。目前應用比較成熟的有IPN8701互穿網絡防腐漆、EPN厚漿型重防腐油漆、IPN8710互穿網絡無霉防腐漆等3種混凝土防腐油漆。金屬外露件在噴、鍍金屬層上再涂刷防腐蝕涂料形成復合面層防護。噴、鍍金屬層的厚度以現場施工時涂刷不少于3遍，完全覆蓋金屬連接件本色為準。防腐蝕涂料的底漆、面漆、清漆應選用同一廠家、相同品種及牌號的產品，保證底漆、面漆、清漆相互間的良好結合。

4.3 基礎防凍脹技術

采用玻璃鋼模板處理掏挖基礎、灌注樁基礎和裝配式基礎凍土層的凍脹危害，在基礎的側壁外層安裝固定玻璃鋼模板，以減小和消除凍土對基礎的切向凍脹力。玻璃鋼埋設深度與基礎的最大凍結深度相同，玻璃鋼加工的厚度不小于5 mm。澆制混凝土前，在玻璃鋼外側分3次抹5 mm厚潤滑劑(如凡士林)，直接把玻璃鋼模板固定于掏挖和灌注樁基礎側壁，玻璃鋼高度不得小于季節性凍土的最大設計凍結深度或多年凍土最大設計融化深度，處理方式如圖5所示。

圖5 基礎防凍脹處理措施Fig.5 Measure of prevent frost heave of foundation

4.4 基礎沉降和位移觀測技術

基礎安裝施工后，應設置基礎沉降和位移觀測點，觀察基礎根開、對角線、立柱頂面高差尺寸經過凍融循環后是否滿足驗收規范要求。沉降和位移觀測的關鍵是觀測點和基準點的設置。觀測點應盡量設置在鐵塔基礎頂面的固定位置，并有明顯標示。觀測基準點設置在不易受施工影響的位置，并用混凝土固定牢固，防止人為破壞。觀測時以基準點和觀測點間的變化作為觀測結果，與上次觀測結果對比，分析基礎變形情況。對于轉角塔要在架線前、后分別進行觀測對比。

4.5 防水技術

對于裝配式基礎吊裝完成后產生的施工縫隙需要用嵌縫材料做防水處理。目前國內工程中使用的JS-聚氨酯道路嵌縫膠是A、B雙組分反應型的中高檔嵌縫材料，它由主劑A組分與副劑B組分組成。使用時首先清理嵌縫內灰土及雜物，將A組分與B組分按1∶2質量比混合，攪拌均勻后，使用灌縫槍將混合料灌入構件縫隙內并密實，24 h后形成富有彈性的嵌縫膠。

5 環境保護實施方案

為保護好脆弱的生態環境，工程施工階段關鍵環保措施有以下幾點:

(1)提前策劃施工區域和施工便道，采取隔離限制措施，控制施工活動范圍，選擇沿線已有的砂石料場，減少人為擴大破壞面積。

(2)植被較好的區域開挖前采取表土剝離措施，剝離的表土在施工過程中單獨堆存，并采取臨時攔擋、覆蓋措施，基礎回填后將地表用草皮移植恢復，如圖6所示。

圖6 植被移植和恢復Fig.6 Transplantation and recovery of vegetation

(3)在戈壁區等不宜植被移植的地區，采取植被種植的措施，選擇披堿草、中華羊茅和星星草等適宜高寒地區種植的草種。

6 高原醫療保障體系

(1)建立完善的醫療保障體系，緊緊依靠沿線市、縣級醫院，做好醫療保障機構的建設，從人員、技術、設備、職能、制度等5個方面抓好落實。

(2)做好高原醫療衛生保障知識的培訓。全體施工人員在進駐高原前接受“高原醫學”、醫療保障和傳染病知識培訓，熟悉高原缺氧環境和自然疫源對人體的影響，掌握急慢性高原病、傳染病的醫療、預防措施以及急救、保健設備的使用。

(3)全體參建人員必須認真做好工前、工中、工后的體檢工作，并建立完善的員工健康檔案，它是決定能否上高原工作，能否繼續干下去的重要條件，也是確保全體員工身體健康的前提。

(4)做好上線前的高原適應性調整工作。所有參建人員一律進行高原適應性調整后上線，適應時間為3～5天，施工人員從平原到高原采取階梯升高逐步適應的原則。

7 結語

在青藏±400 kV直流聯網工程施工實踐中，通過多年凍土地區鐵塔基礎施工關鍵技術的研究和成果的運用，有效控制了施工對高原凍土生態環境的影響，減少了對多年凍土的擾動。形成的施工技術成果對于高海拔多年凍土地區的桿塔基礎施工具有借鑒意義，能夠大幅提高施工效率，規范高原凍土地區的基礎施工工藝，為凍土地區輸電線路工程的建設和運行提供技術支持，社會效益和經濟效益顯著。施工技術成果不僅在線路施工領域，同時在其他工程建設方面也具有積極的意義和廣闊的應用前景。

［1］張小力，胡志義.青海—西藏±500 kV直流聯網工程初步設計總說明書［R］.西安:西北電力設計院，2008.

［2］劉厚健，程東幸，余祁浩，等.高海拔輸電線路的凍土工程問題及對策研究［J］. 工程勘察，2009，(4):32-36.

［3］趙世興，牛鑫，路林.青藏鐵路110 kV供電工程施工關鍵技術研究［J］.電網與清潔能源，2010，26(8):34-40.

［4］郭法生.青藏鐵路多年凍土區旋挖鉆擴底鉆孔樁施工［J］.安徽建筑，2008，15(2):49-50.

［5］陳鵬.青藏鐵路多年凍土區橋梁施工關鍵技術［J］.中國工程科學，2005，7(7):27-30.

［6］GB 50233—2005 110～500 kV架空送電線路施工及驗收規范［S］.北京:中國計劃出版社，2005.

［7］Q/GDW 525—2010高海拔多年凍土地區輸電線路桿塔基礎施工工藝導則［S］.北京:中國電力出版社，2011.

［8］梁來先，靳義奎，劉青平，等.多年凍土基礎混凝土早強防凍劑的選用和使用方法［J］.青海電力，2012，31(1):29-31.

［9］薛峰，童武，魏占元.預制裝配式基礎防腐設計方案探討［J］.青海電力，2008，27(增刊):4-6.

［10］Q/GDW 526—2010輸電線路預制裝配式基礎加工與安裝工藝導則［S］.北京:中國電力出版社，2011.