淺談青藏高原多年凍土地區(qū)直錐基礎(chǔ)施工控制

周正旗

摘 要：格爾木至拉薩段的±400千伏直流線路工程是首條穿越青藏高原多年凍土的高壓輸電線路，由于青藏高原屬于高海拔凍土，凍土活動層每年凍結(jié)、融化循環(huán)，對鐵塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性造成很大危害，尤其是板式基礎(chǔ)中的直錐基礎(chǔ)，是為解決高原多年凍土地區(qū)鐵塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定運(yùn)行而優(yōu)化設(shè)計(jì)的，其在非多年凍土地區(qū)很少使用，給施工過程控制提出了新的要求。下面就多年凍土地區(qū)直錐基礎(chǔ)施工影響因素及控制措施進(jìn)行分析介紹。

關(guān)鍵詞：多年凍土;直錐基礎(chǔ);施工工藝;過程控制

1 概況

本輸電工程被稱為電力天路，在青藏高原腹地通過，具有高海拔、高寒和缺氧的特殊自然環(huán)境，在被稱為“生命的禁區(qū)”的青藏高原施工，具有挑戰(zhàn)“兩個(gè)世界之最”（沿線海拔最高，施工多年凍土最長），攻克“四個(gè)工程難題”（高原生理健康保障困難、高原生態(tài)環(huán)境極其脆弱、高海拔過電壓與絕緣配合及多年凍土施工難度極大），其中多年凍土基礎(chǔ)施工是最大挑戰(zhàn)。

2 多年凍土板式基礎(chǔ)選型

1）多年凍土地區(qū)基礎(chǔ)型式選用。針對多年凍土的特性和存在的危害，在輸電線路工程鐵塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中，主要對淺基礎(chǔ)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了直錐基礎(chǔ)、裝配式基礎(chǔ)和掏挖基礎(chǔ)三種淺基礎(chǔ)型式，用在多年凍土較穩(wěn)定的地區(qū)和具有巖石地質(zhì)條件的塔位，并通過在基礎(chǔ)外層包裹玻璃鋼模板、基礎(chǔ)周圍安裝熱棒處理等措施，保證淺基礎(chǔ)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。另外，采用了灌注樁、掏挖樁基礎(chǔ)這兩種深基礎(chǔ)型式，用在地質(zhì)較差的沼澤地、河灘及多年凍土不穩(wěn)定地區(qū)，并在基礎(chǔ)立柱頂部包裹玻璃鋼模板、基礎(chǔ)外側(cè)安裝熱棒處理等措施，提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，使基礎(chǔ)長期運(yùn)行。

2）直錐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。直錐基礎(chǔ)是在常規(guī)板式基礎(chǔ)型式上優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種淺基礎(chǔ)型式，通過采用正方形錐臺底板和圓形錐臺立柱形狀，使其具有較好的克服基礎(chǔ)兩側(cè)水平凍脹力不均衡能力和對切向凍脹力具有很好的卸力作用。并且使用玻璃鋼模板（永久留置，即不拆模）保護(hù)，利用玻璃鋼模板和混凝土基礎(chǔ)表面間存在分層和較大的摩擦力的特性，克服在凍脹過程中產(chǎn)生上拔造成基礎(chǔ)逐年拔高。

這種基礎(chǔ)型式主要用于低含冰凍土，在用于富冰凍土地基時(shí)，立柱表面采取了玻璃鋼模板防凍拔措施、基礎(chǔ)底部襯墊0.4m厚的砂礫石粗顆粒墊層防凍脹措施及熱棒處理措施等。其結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)見圖表。

3 多年凍土區(qū)直錐基礎(chǔ)施工影響因素分析

對直錐基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響。

1）在多年凍土和活動層間存在大量的凍結(jié)層上水，基坑開挖需要穿透活動層進(jìn)入多年凍結(jié)層，此時(shí)凍結(jié)層上水會大量滲出，造成坑壁坍塌、基坑積水，不及時(shí)排除會將坑底凍土緩慢融化，使坑底形成薄層淤泥。

2）在基礎(chǔ)鋼筋綁扎或基礎(chǔ)澆筑后，基坑內(nèi)的出水不及時(shí)排除，出現(xiàn)坑底淤泥無法清除或多年凍土層的大量融化，影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

3）直錐基礎(chǔ)考慮地基的穩(wěn)定性，在基礎(chǔ)底部設(shè)計(jì)采用了粗顆粒墊層處理措施，但施工中墊層中一旦進(jìn)入較多的積水，在基礎(chǔ)施工完成后多年凍土地基回凍時(shí)，由于水結(jié)冰后體積膨脹，將會把基礎(chǔ)從最底部直接向上頂起變形。

4）土體凍脹主要是所含水分凍結(jié)時(shí)膨脹引起，因此，基礎(chǔ)凍脹危害主要是回填土的含水率決定，含水率較高時(shí)，在回凍時(shí)由于回填土各部位的密實(shí)度不均勻及含水率不均衡等因素，將造成基礎(chǔ)兩側(cè)的水平凍脹力不平衡形成側(cè)壓力，使基礎(chǔ)產(chǎn)生位移，同時(shí)由于土體膨脹將形成切向凍脹力，將基礎(chǔ)向上拔起。基礎(chǔ)的水平位移和沉降，將使基礎(chǔ)逐漸失去穩(wěn)定性，同時(shí)造成坐落在基礎(chǔ)上的鐵塔受到嚴(yán)重破壞。

5）基礎(chǔ)施工造成的周圍環(huán)境破壞不能恢復(fù)時(shí)，在雨水、雪水快速滲入、全球氣溫變暖、紫外線照射地面直接吸收等熱擾動的共同作用下，基礎(chǔ)周圍逐漸形成熱熔滑塌、湖塘等，造成基礎(chǔ)及周圍的多年凍土層逐年向下融化，基礎(chǔ)地基賴以穩(wěn)定的多年凍土層將因融化而形成活動層，基礎(chǔ)失去穩(wěn)定性。

4 直錐基礎(chǔ)施工過程控制

4.1 直錐基礎(chǔ)、玻璃鋼模板特點(diǎn)

1）多年凍土地區(qū)直錐基礎(chǔ)均采用10㎜厚的錐臺形玻璃鋼模板代替工具模板一次性永久埋入地下。

2）玻璃鋼模板具有質(zhì)輕而硬、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕、表面光滑的優(yōu)點(diǎn)，在多年凍土地區(qū)的活動層每年的融化→凍結(jié)循環(huán)過程中，在玻璃鋼表面產(chǎn)生的切向凍脹力很小，克服了冬季凍脹過程中將基礎(chǔ)拔起的危害。

3）相比工具鋼模板，具有加工容易、成本低、重量輕、整體性好、便于運(yùn)輸、模板支護(hù)難度小的優(yōu)點(diǎn)。

4）但相對鋼模板也存在因重量輕，振搗過程中混凝土的浮力將把模板向上頂起和因表面光滑、固定難度較大的缺點(diǎn)。

5）為方便模板固定，在模板中下部埋入一道固定用尼龍繩。

6）基坑開挖控制措施。為了減少基坑開挖環(huán)節(jié)對多年凍土的熱擾動，必須快速開挖成型并采取其它措施，才能減少對多年凍土的擾動。（1）直錐基礎(chǔ)基坑開挖土方量較大，土體凍結(jié)，開挖難度較大，使用人力開挖施工已經(jīng)不能滿足要求，必須使用機(jī)械開挖設(shè)備作業(yè)，實(shí)踐證明在冬季需要采用400型以上的挖掘機(jī)才能較快的進(jìn)行基坑開挖工作。（2）為了加快基坑開挖及相應(yīng)的基礎(chǔ)施工進(jìn)度，必須減少一次作業(yè)的工作量，因此，施工中采取逐腿開挖，達(dá)到加快施工速度、減少基坑暴露時(shí)間。（3）為降低基坑開挖的土方對基面的破壞，開挖的土方生熟土分開襯墊堆放，減少施工臨時(shí)占地。（4）基坑開挖時(shí)對基坑坑壁進(jìn)行放坡處理，坑底每邊預(yù)留0.4m以上的操作空間。（5）選擇在氣溫很低的凌晨4～5點(diǎn)開始開挖，一般1個(gè)基坑需要6～8個(gè)小時(shí)開挖完成，修坑后立即進(jìn)行墊層處理和支模、基礎(chǔ)澆筑施工，加快施工節(jié)奏，減少對多年凍土的熱擾動。（6）基坑開挖后立即對太陽照射的坑壁使用遮陽網(wǎng)進(jìn)行遮陽處理，減少紫外線輻射，降低熱擾動。（7）在基坑底部每邊挖設(shè)排水槽，并在對角方向的坑角上掏挖深400㎜左右、直徑不小于Φ400㎜的排水坑（凍結(jié)層上水較大的基坑根據(jù)需要增設(shè)），并將泥漿泵埋入坑內(nèi)對基坑的凍結(jié)層上水出水排除干凈，防止坑底積水和墊層內(nèi)進(jìn)水。（8）當(dāng)凍結(jié)層上水較多且融化層為砂土層時(shí)易出現(xiàn)塌方，需要使用擋土板對融化層進(jìn)行阻擋，防止塌方。（9）基礎(chǔ)底板下部的粗顆粒墊層采用粗砂：碎石=1：3比例混合均勻后鋪墊，且用電夯實(shí)。

7）模板安裝控制措施。（1）直錐基礎(chǔ)使用的錐形玻璃鋼模板應(yīng)使用吊車等設(shè)備吊裝，并采用多點(diǎn)綁扎吊裝，使玻璃鋼模板平穩(wěn)吊入基坑內(nèi)。（2）玻璃鋼模板在支模時(shí)用Φ9鋼絲繩配合緊繩器，通過玻璃鋼模板上制作時(shí)預(yù)埋的控制繩進(jìn)行提升和調(diào)整。（3）在基礎(chǔ)底盤模板的角上，使用Φ9鋼絲繩連接在模板的固定尼龍繩上，給玻璃鋼模板一個(gè)向下預(yù)拉力（預(yù)拉力應(yīng)較大），控制混凝土澆筑及搗固過程中玻璃鋼模板不因混凝土的切向壓力向上滑移。（4）玻璃鋼模板使用3道以上的鋼管架進(jìn)行支撐和加固，防止在混凝土澆制過程中跑偏。（5）玻璃鋼模板在支撐時(shí)兩邊受力均勻，支撐鋼管安裝在固定架上，防止直接頂撐在玻璃鋼模板上在受力過大后造成玻璃鋼模板變形。（6）支撐鋼管應(yīng)斜向下（玻璃鋼模板側(cè)較低）安裝。（7）下料臺應(yīng)與模板支撐架分離搭設(shè)，避免澆制過程中造成模板偏移。

4 總結(jié)

通過對于多年凍土地區(qū)直錐基礎(chǔ)的現(xiàn)場施工，應(yīng)用了此文中制定的相應(yīng)的控制措施，取得了良好的質(zhì)量控制效果和可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為本工程質(zhì)量一次成優(yōu)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，避免了，對凍土了解不深入而造成的返工浪費(fèi)等經(jīng)濟(jì)損失;贏得了工程十分寶貴的有效施工期，確保了工程進(jìn)度，為順利完成工程奠定了基礎(chǔ)，產(chǎn)生了許多不可估量的隱形效益，節(jié)約了成本支出。

參考文獻(xiàn)

[1]吳紫汪，劉永智.凍土地基與工程建筑[M].海洋出版社，2005年.