陜北±800 kV換流站高填方濕陷性黃土地基處理方案研究

張 咪，常 偉，張玉明

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

我國(guó)建設(shè)特高壓電網(wǎng)的主要目的是解決大水電基地和大煤電基地電力送出問題，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨流域水火互濟(jì)。陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程是推進(jìn)西部大開發(fā)與中部地區(qū)崛起的重點(diǎn)工程，該項(xiàng)目的建設(shè)將構(gòu)筑起“北電南送”的“高速路”，實(shí)現(xiàn)西北煤電基地電能直供中部地區(qū)負(fù)荷中心。陜北±800 kV換流站是該工程的送端換流站，站址位于陜西省北部榆林市府谷縣田家寨鄉(xiāng)東側(cè)約6 km，緊鄰神府高速石馬川出口至野蘆溝引道西側(cè)，東北距府谷縣約19.7 km，直流雙極額定輸送功率：8 000 MW，直流額定電壓為±800 kV。

站址地處陜北黃土高原近邊緣區(qū)，孤山川與石馬川之間山坳中，原始地形地貌屬黃土梁峁區(qū)，地形起伏大，沖溝縱橫，溝谷深切，溝谷形態(tài)多呈“V”字型。換流站征用土地時(shí)園區(qū)場(chǎng)地已被挖、填整平， 平面上形成了東、西兩個(gè)土質(zhì)平臺(tái)，高差約5.0～6.0 m，西高東低。西平臺(tái)地面高程1 159.44～1 162.65 m，東平臺(tái)地面高程1 153.24～1 155.78 m。地表多為雜草，植被覆蓋一般。據(jù)了解，園區(qū)場(chǎng)地整平工作始于2012年初，終于2013年底，且對(duì)大部分填方區(qū)域進(jìn)行了強(qiáng)夯壓實(shí)工作，在局部地段地表可見夯擊過的痕跡，但未收集到強(qiáng)夯檢測(cè)資料。站址地貌如圖1所示，局部地段放大的強(qiáng)夯痕跡如圖2所示。

圖1 站址地貌圖

圖2 站址用地強(qiáng)夯痕跡

由于大面積的挖、填導(dǎo)致在平面上形成了分布不連續(xù)、厚度變化大的回填土層，①層素填土厚度最深填土厚度達(dá)50余m，層厚變化幅度較大，且土質(zhì)不均勻，且部分區(qū)域的填土存在Ⅱ級(jí)自重濕陷性。截至站區(qū)場(chǎng)平時(shí)，循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)填土完成約五年半時(shí)間，是一種欠固結(jié)土，在其自身重度和大氣降水的入滲作用下有自行密實(shí)的特點(diǎn)。從處理大面積欠固結(jié)土和消除地基土濕陷性、提高地基土承載力、減少場(chǎng)地沉降變形的角度，需要對(duì)站區(qū)建(構(gòu))筑物進(jìn)行地基處理。筆者針對(duì)陜北±800 kV換流站特殊的巖土地質(zhì)條件，除挖方區(qū)采用天然地基外，經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出了適合本工程的較為經(jīng)濟(jì)合理的建(構(gòu))筑物地基處理方案，即填方區(qū)采用“強(qiáng)夯預(yù)處理＋干作業(yè)旋挖成孔灌注樁基”方案，并提出了干作業(yè)旋挖施工中處理塌孔(個(gè)別地段個(gè)別孔)的技術(shù)措施，經(jīng)實(shí)際施工驗(yàn)證，取得了良好效果。

1 站址地質(zhì)條件

如前所述，陜北±800 kV換流站用地為原循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)挖黃土梁卯、填深溝給出的一塊臺(tái)階式場(chǎng)地。根據(jù)出線規(guī)劃及站區(qū)總平面布置，換流站占用了靠西側(cè)的兩個(gè)臺(tái)地。該場(chǎng)地主要地層上部為人工填土、第四系風(fēng)積成因的黃土狀粉土及沖、洪積相的粉土、粉質(zhì)粘土，下部為侏羅系下統(tǒng)灰白色～青灰色泥、鈣質(zhì)砂巖(以砂巖為代表巖性)或棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖(以泥巖為代表巖性)等。場(chǎng)地自上而下地層巖性主要為①素填土、②黃土狀粉土、③粉土、④粉質(zhì)粘土、⑤1強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑤2中風(fēng)化砂巖、⑥1強(qiáng)風(fēng)化泥巖和⑥2中風(fēng)化泥巖等，其中站區(qū)中部北側(cè)直流場(chǎng)平坡電抗器及交流濾波器場(chǎng)地①層素填土下的②黃土狀粉土局部具有濕陷性，，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)（中等）自重濕陷性[2]。站區(qū)典型巖土地質(zhì)剖面如圖3所示。

圖3 站區(qū)典型地質(zhì)剖面

2 站區(qū)總平面布置及站區(qū)挖填方

換流區(qū)域布置在站區(qū)西側(cè)中部，直流場(chǎng)布置在換流區(qū)域北側(cè)，向北出線。交流濾波器組布置在站區(qū)東北側(cè)。750 kV交流配電裝置布置在站區(qū)最南側(cè)，向南出線。站前區(qū)布置在站區(qū)西側(cè)。

原循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)在挖填整平前，站址所處區(qū)域的挖填示意如圖4所示，紅線范圍陰影部分為挖方區(qū)(即原始黃土梁峁)，其余為填方區(qū)(即原始溝谷)。

圖4 站址原始地貌挖填示意圖

站區(qū)場(chǎng)地平整在原循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)挖填整平的基礎(chǔ)上進(jìn)行,兩個(gè)高低平臺(tái)的分界線基本為站區(qū)場(chǎng)平挖填分界線，換流站場(chǎng)平挖方最大深度4 m，填方最大深度7 m。換流站場(chǎng)地整平后的人工填土最大厚度達(dá)57 m以上。

3 地基處理方案論證比選

對(duì)于陜北地區(qū)高填方、局部具有濕陷性黃土地基的處理一般有兩大類：復(fù)合地基和樁基。復(fù)合地基處理方案有灰(土)墊層法、灰(素)土擠密樁、強(qiáng)夯法等[1]。樁基方案有灌注樁(鉆孔、旋挖、沉管)、預(yù)制混凝土實(shí)心方樁、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(prestressd high concrete pile，PHC)管樁等[2]。

3.1 復(fù)合地基處理方案技術(shù)比選

表1分別對(duì)幾種常用復(fù)合地基處理方案進(jìn)行了技術(shù)比選。

表1 復(fù)合地基處理方案技術(shù)比選

就本工程原循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)①層深厚素填土的土性而言，采用上述復(fù)合地基處理方案有著一致的缺點(diǎn)：即地基處理深度有限，填土厚度范圍內(nèi)無(wú)法全部處理，也無(wú)法完全消除地基土的濕陷性，更不能解決欠固結(jié)土的承載力和變形穩(wěn)定問題；而采用樁基方案，均可全部穿透本工程①層深厚素填土或濕陷性黃土，以全部消除地基土的濕陷性及解決欠固結(jié)土的承載力和變形穩(wěn)定問題，但樁基方案的選擇，受成樁工藝及最大樁長(zhǎng)的限制。

3.2 樁基方案技術(shù)比選

表2分別對(duì)幾種常用樁基方案進(jìn)行了技術(shù)比選。

表2 樁基方案技術(shù)比選

3.3 樁基方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

經(jīng)過上述分析，適合本工程的樁基方案為干作業(yè)旋挖成孔灌注樁與預(yù)制混凝土實(shí)心方樁，下面對(duì)這兩種方案做技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析。

3.3.1 技術(shù)比較

干作業(yè)旋挖成孔灌注樁與預(yù)制混凝土實(shí)心方樁參數(shù)比較如表3所示。

表3 干作業(yè)旋挖成孔灌注樁與預(yù)制混凝土實(shí)心方樁參數(shù)比較

鑒于以下幾方面關(guān)于預(yù)制混凝土實(shí)心方樁的不足，本工程推薦采用干作業(yè)旋挖成孔灌注樁。

1)本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，各層土的埋深及厚度變化幅度較大，如圖3所示。樁端持力層的起伏變化幅度大，設(shè)計(jì)及施工樁長(zhǎng)均難以控制，采用預(yù)制樁將會(huì)造成大量的截樁工作，造成大量工程樁浪費(fèi)。

2)經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全站僅有20%的樁可穿透①層素填土直接進(jìn)入到巖石層，剩余絕大多數(shù)樁以中間層③層粉土或④層粉質(zhì)黏土為樁端持力層。預(yù)制混凝土實(shí)心方樁屬于擠土樁，在打入工程中，無(wú)法判斷樁端是否進(jìn)入持力層，以及進(jìn)入持力層的深度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3)本工程原循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)①層深厚素填土前期已經(jīng)夯實(shí)處理，再加上本工程擬采用場(chǎng)平結(jié)合強(qiáng)夯處理淺層土。處理后的土的密實(shí)性將顯著提高，預(yù)制混凝土實(shí)心方樁存在沉樁困難的可能性。

4)預(yù)制混凝土實(shí)心方樁陜北生產(chǎn)廠家較少，西安地區(qū)周邊有廠家，從西安到陜北的運(yùn)輸成本費(fèi)用較高。

3.3.2 經(jīng)濟(jì)比較

采用干作業(yè)旋挖成孔灌注樁的工程造價(jià)詳如表4所示。

表4 干作業(yè)旋挖成孔灌注樁工程造價(jià)

采用預(yù)制混凝土實(shí)心方樁的工程造價(jià)詳如表5所示。

表5 預(yù)制混凝土實(shí)心方樁工程造價(jià)

通過表4～表5可知：采用干作業(yè)旋挖成孔灌注樁的混凝土方量大于預(yù)制混凝土實(shí)心方樁混凝土方量，但預(yù)制混凝土實(shí)心方樁綜合單價(jià)高于干作業(yè)旋挖成孔灌注樁。本工程采用干作業(yè)旋挖成孔灌注樁費(fèi)用略低于預(yù)制混凝土實(shí)心方樁費(fèi)用，且噪聲小，無(wú)振動(dòng)，施工速度快，樁長(zhǎng)容易得到控制。

無(wú)論從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)角度，旋挖成孔灌注樁均優(yōu)于采用預(yù)制混凝土實(shí)心方樁。因此，本工程推薦采用干作業(yè)旋挖成孔灌注樁。

4 地基處理方案選擇與實(shí)施

綜上所述，根據(jù)本工程地質(zhì)構(gòu)成等特點(diǎn)，填方區(qū)采用“強(qiáng)夯預(yù)處理＋干作業(yè)旋挖成孔灌注樁基”方案，并提出了干作業(yè)旋挖施工中處理塌孔(個(gè)別地段個(gè)別孔)的技術(shù)措施。

4.1 結(jié)合場(chǎng)平進(jìn)行強(qiáng)夯

本工程填方區(qū)主要建(構(gòu))筑物采用干作業(yè)旋挖成孔灌注樁，原循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)①層深厚素填土為欠固結(jié)土，以及站區(qū)中部北側(cè)局部①層素填土下的②黃土狀粉土具有濕陷性，為防止站內(nèi)其它淺埋構(gòu)筑物如道路、電纜溝(隧)道、建筑物室外散水以及空?qǐng)龅氐仍谶\(yùn)行期間遇(雨)水發(fā)生沉降或不均勻沉降變形，同時(shí)有效消除樁側(cè)負(fù)摩阻力、增加樁側(cè)正阻力，避免或較小旋挖灌注樁在成孔過程中塌孔現(xiàn)象的發(fā)生，在場(chǎng)地初平后對(duì)填方區(qū)進(jìn)行了強(qiáng)夯預(yù)處理。

填方區(qū)(包括原工業(yè)園區(qū)填方和場(chǎng)平產(chǎn)生的新填方)強(qiáng)夯在場(chǎng)地初平完成后進(jìn)行，強(qiáng)夯方案如下：

1)先將西側(cè)高平臺(tái)挖土填至東側(cè)低平臺(tái)，將東西平臺(tái)整平。場(chǎng)平前挖填示意如圖5所示。

圖5 場(chǎng)平前挖填示意圖

2)對(duì)挖方區(qū)圍墻、整平后的填方區(qū)進(jìn)行強(qiáng)夯處理，如圖6、圖7所示。

圖6 挖方區(qū)強(qiáng)夯施工示意圖

圖7 填方區(qū)強(qiáng)夯施工示意圖

3)強(qiáng)夯單擊夯擊能以初平標(biāo)高以下填土的厚度為分界面

①填土的厚度小于4 m時(shí)，不做強(qiáng)夯處理。

②填土的厚度大于等于4 m且小于8 m時(shí)，采用單擊夯擊能3000 kN·m點(diǎn)夯、1 000 kN·m滿夯。

③填土的厚度大于8 m時(shí)，采用單擊夯擊能6 000 kN·m點(diǎn)夯、2 000 kN·m滿夯。

④夯錘直徑均為D=2 500 mm。

⑤點(diǎn)夯采用等邊三角形布置，夯間距均為5 m，點(diǎn)夯采用隔行或隔行隔點(diǎn)分兩遍完成。

⑥滿夯可一遍或隔行分兩遍完成。

4)工程夯施工如圖8所示。

圖8 工程夯施工

4.2 樁基設(shè)計(jì)方案

換流站建(構(gòu))筑物對(duì)樁基承載力要求不高，主要是構(gòu)造布樁及減小樁基不均勻沉降，根據(jù)長(zhǎng)徑比確定樁長(zhǎng)大小，樁長(zhǎng)≤30 m時(shí)采用樁徑Ф600 mm的干作業(yè)旋挖成孔灌注樁；樁長(zhǎng)＞30m時(shí)采用樁徑Ф800 mm的干作業(yè)旋挖成孔灌注樁。

4.2.1 干作業(yè)施工中處理塌孔的技術(shù)措施

本工程場(chǎng)地上部回填土范圍和厚度大，土質(zhì)極不均勻，密實(shí)度差異較大，實(shí)際施工樁基成孔過程中局部塌孔現(xiàn)象較為嚴(yán)重，特別是進(jìn)入巖層區(qū)域，穿透巖層(砂巖、泥巖)成孔用時(shí)較長(zhǎng)，鉆機(jī)振動(dòng)幅度較大，造成上部回填土層長(zhǎng)時(shí)間處于應(yīng)力臨空狀態(tài)，孔壁局部失穩(wěn)造成回填土層坍塌，為保證工程樁質(zhì)量、安全和進(jìn)度要求，本工程在塌孔嚴(yán)重的填土段埋深不大時(shí)采用護(hù)筒維護(hù)孔壁，在塌孔嚴(yán)重的填土段埋深較深時(shí)采用泥漿護(hù)壁[2]。

4.2.2 化學(xué)聚合物泥漿護(hù)壁

傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁成孔工藝施工技術(shù)難度大，操作繁瑣，而且泥漿需求數(shù)量巨大，施工成本高，占地大，也不滿足文明施工和環(huán)境保護(hù)要求。為了改善以上問題，本工程經(jīng)過調(diào)查研究和多種方案比對(duì)，選取化學(xué)聚合物泥漿。

表6 傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁與化學(xué)聚合物泥漿護(hù)壁對(duì)比[3]

圖9 現(xiàn)場(chǎng)成孔檢查及化學(xué)聚合物泥漿護(hù)壁

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于陜北換流站所處大厚度欠固結(jié)填方場(chǎng)地，以及①層素填土下的②黃土狀粉土局部具有濕陷性黃土，采用“強(qiáng)夯預(yù)處理＋干作業(yè)旋挖成孔灌注樁基”方案作為陜北換流站主要地基處理形式。在工程夯、工程樁正式施工前，按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇有代表性的場(chǎng)地進(jìn)行了試夯和試樁，并按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了檢測(cè)，達(dá)到了預(yù)期效果。工程樁施工過程中，在塌孔嚴(yán)重的填土段埋深不大時(shí)采用護(hù)筒維護(hù)孔壁，在塌孔嚴(yán)重的填土段埋深較深時(shí)采用化學(xué)聚合物泥漿護(hù)壁。工程實(shí)踐證明在技術(shù)可靠性、施工可行性和便捷性、經(jīng)濟(jì)性等方面均取得了良好效果。