超高海拔嚴寒地區季節性凍土基礎施工技術

張霞軍，焦 挺，舒小建，趙 俊

1.浙江省建工集團有限責任公司，浙江杭州310012

2.浙江省一建建設集團有限公司，浙江杭州310013

0 引 言

季節性凍土［1］是地殼表層冬季凍結而在夏季又全部融化的土，受季節性的影響，因其周期性的凍結、融化，對地基的穩定性影響較大。我國的季節性凍土主要分布在長江流域以北，東北多年凍土南界以南和高海拔多年凍土下界以下的廣大地區，面積達到514 萬km2。季節性凍土作為建筑物地基，對建筑物基礎的影響主要是凍脹和融沉。凍脹是由于土中水變成冰時的體積膨脹，引起土顆粒間的相對位移所產生的土體積膨脹，季節性凍土在凍結時具有較高的強度和較低的壓縮性。融沉是指在溫度升高季節，凍結土體在融化過程產生的變形，凍土融化后則承載力大大降低，壓縮性增高，地基容易產生沉陷。于東彬等［2］對高寒季節性凍土地區鐵路路基凍脹研究發現，影響路基凍脹最主要的三大因素是土質、含水量和溫度，解決路基凍脹方案均圍繞此三要素開展。張豐帆［3］的研究提出了季節性凍土防凍脹措施，只要消除土質、溫度、水這三個因素中的一個，就能達到防治目的，工程防凍脹措施總體可以分為兩個方面：一方面是地基土的改良；另一方面是基礎和結構物抗凍脹。

1 工程概況

那曲浙江小區一期工程是浙江省援建西藏那曲最大的保障房住宅小區項目，由浙江省對口支援西藏那曲地區指揮部建設，位于西藏自治區北部草原腹地那曲市色尼區，地理位置為東經92°03′、北緯31°28′，那曲市色尼區南距西藏自治區首府拉薩市317 km，北距青海省格爾木市848 km，東距昌都地區707 km，西距阿里地區獅泉河831 km，平均海拔4 570 m，按照我國常用海拔高度分級標準［4］，3 500～5 500 m 為超高海拔地區，是世界上8 個海拔最高的城鎮之一。那曲浙江小區一期工程由78幢2～4層鋼筋混凝土框架結構房屋、商鋪組成，住房有483 套，總建筑面積為77 021 m2，合同工期255日歷天。見圖1～3。

圖1 那曲浙江小區一期工程商住樓基礎平面布置

圖2 那曲浙江小區一期工程沿街效果

圖3 那曲浙江小區一期工程實景

3）工程項目所在的超高海拔嚴寒地區氣候環境惡劣，適宜的作業施工時間短，氣候條件不利于作業人員長時間作業，且當地勞動力資源匱乏，人工開挖高強度作業不太適合。在此海拔高度的個體差異決定了能否適應此環境，對常年居住在低海拔地區的人，到達超高海拔地區是一種生理和心理上的適應和挑戰。

2 工程地質條件與水文地質情況

工程項目場地勘探深度范圍內，地層主要由第四系全新統的松散堆積物和上白堊系多尼組（K1d）的泥巖組成（表1）。

表1 場地地層劃分及承載力標準值

場地的地下水為上層滯水和孔隙潛水，主要由大氣降水的垂直滲入補給，冰雪融水入滲和場地附近次曲河水的側向補給。根據勘察單位提供的地勘報告，非凍結時期含水層的滲透系數為15 m/d，單井涌水量約300 m3/d，地下水埋藏深度0.31～1.67 m，且受地形、巖性的影響表現出北深南淺、西深東淺的埋藏特征。地下水在雨季上升，枯水期下降，動態變化較大。

3 施工特點與難點

根據巖土工程勘察報告，擬建工程區域土壤為季節性凍土，最大凍土深度達2.81 m，為不凍脹土、弱融沉土；凍脹等級為Ⅰ級，融沉等級為Ⅱ級。雖然季節性凍土為不凍脹土，但在溫度低于0 ℃以下時，土壤內的水凍結成冰，將土壤中的礦物顆粒黏結在一起，相比凍結前土體強度增大，造成土方開挖困難。溫度升高時凍土融化，土體內含水量增加，土方開挖后基坑容易坍塌。季節性凍土施工面臨著以下難題：

1）工程項目所在地為高原亞寒帶半濕潤氣候，高寒缺氧，氣候干燥，日照時間長，晝夜溫差大。適宜的施工作業時間在每年的5～10 月，而降水量主要集中在6～9月，約占全年的90.6%，施工期間多雨水。工期任務節點要求高，項目開工后在規定時間內完成交房任務，施工時間緊任務重，基坑工序交叉搭接流水作業提出新的要求。

2）季節性凍土一般采取破碎或融化后開挖，常見有人工法、機械法和爆破法。人工開挖季節性凍土適用基坑開挖面積較小，場地狹窄地帶；爆破法適用于凍土層較厚，偏遠地帶大面積土方開挖；機械開挖方法常見，需要有合適的機械裝備。

4）工程項目所在地冬季最大凍土深度2.81 m，設計的矩形獨立柱基礎-3.4 m，基礎開挖深度超過3 m且地下水豐富，基礎開挖需要穿越凍土層，施工時的氣候條件復雜，一日多變，剛剛還是晴朗的好天，轉眼間就是烏云遮日雪花漫天，施工應急處置要求較高。

4 施工技術措施

4.1 土方開挖方案

凍土開挖采用爆破法是一種最經濟實用的開挖方法，在空曠野外地帶受到限制條件少便于施工被普遍采用。由于本項目施工現場附近有居民區，必須保證人員和房屋安全，因而無法采用爆破法進行土方開挖。項目場地內賦存第四系上層滯水，水位較高，房屋建筑設計為獨立柱基礎，考慮實際的施工操作面，以及整體的施工進度要求，單個獨立基礎依次開挖，無法滿足項目整體施工進度，結合工程進度及基坑排水需要，采用自然放坡的基坑整體大開挖方案。

4.2 機械設備選擇

超高海拔地區空氣稀薄，含氧量低，氣溫低，紫外線強度高，惡劣的氣候環境容易造成機械設備的燃油消耗增大，工作效率降低，磨損增大，機械設備使用壽命縮短。經過當地現有機械裝備綜合考察比選，采用PC240型挖掘機，鏟斗最大挖掘力152 000 N，最大挖掘深度6 095 mm，該挖掘設備具有功率大，操控性能優越，適應性強等優點，在超高海拔嚴寒高原地區工作性能穩定。

4.3 基坑排水

超高海拔嚴寒地區那曲鎮的10 月至次年的4月為冰凍期，每年10月31日至次年4月30日為冬季停工期，降水主要集中在6月至9 月，因此土方開挖過程中面臨雨水多，基坑排水是挖土過程中的一個重要環節。場地含水層的滲透系數為15 m/d，單井涌水量約300 m3/d，地下水埋藏深度0.31～1.67 m，采用大井法［5］計算基坑涌水量，在基坑底用水泵抽水，取基坑L=60 m，B=14.3 m，經計算得到基坑涌水量Q=55.14 m3/d。選用100YW100-17型污水泵，設計排水量Q=100 m3/h，考慮實際功效的損失，可滿足基坑開挖過程中的排水需求。

4.4 土方開挖

土方開挖前，復測現場的定位軸線、水準點、基坑開挖邊線。工程項目附近的色里尼曲河自東向西穿過那曲市區，場地含水層表現出北深南淺、西深東淺的埋藏特征，因而整個施工場地區域按照從東向西、東北方向先行開挖，單個基坑大開挖完成后逐步依次推進的大開挖方案。

根據季節性凍土的特性，溫度低時土層凍結開挖困難，先采用液壓鑿巖機進行破碎、松動，再利用液壓挖掘機配合挖土。PC240型挖掘機順著基坑倒退開挖的方法，充分利用挖掘機的松動和挖掘能力，凍土層用鑿巖機分段分層進行破碎，破碎厚度500～800 mm，上一層破碎松動完成后用挖掘機清理，然后進行下一層的破碎挖掘，直到挖掘至設計基礎深度要求。破碎挖掘的凍土須及時清理運輸。

溫度升高季節性凍土融化后，直接采用挖掘機分段分層開挖，基坑底機械輔以人工修整。根據土層情況采用1∶0.75 的坡度（圖4），開挖深度1.5～3 m。開挖基坑四周控制荷載，堆土在基坑邊緣1 m以外且不超高1.5 m。土方開挖從地下水位較高的一側開始，挖到基坑底后設置集水坑，放入水泵直接排水，挖土過程中修整基坑底四周的排水溝，坑底積水由排水溝流向集水坑，通過集水坑連續不間斷地排水，保證基坑內不積水（圖5、圖6）。土方開挖基坑底預留200～300 mm 的土層，采用機械配合人工開挖修整，以③2層密圓礫或④1層全風化泥巖作為基礎持力層。開挖至基坑底設計標高，未達到設計持力層的極少數部位，經設計、地勘現場地基驗槽，用C20素混凝土回填至設計的基底標高。

圖4 基坑剖面

圖5 基坑開挖

圖6 基坑開挖排水

4.5 季節性凍土回填

為了消除季節性凍土的凍脹和融沉，一般設計在基礎地梁下部設置防凍梁，回填松散的爐渣材料［6］，減輕對基礎的破壞作用，從構造方面對凍脹進行處理，但防凍梁的施工增加了施工難度，爐渣材料因為受到地域限制，現場采購比較困難，經設計驗算復核后采用換填法，消除季節性凍土的破壞作用。用透水性較好的砂石料置換開挖的凍土［7］，置換砂石土層一方面起到隔離作用，透水性好的顆粒土空隙大，形成的毛細水管少，減少了地下水的上升，降低了凍脹的產生；另一方面凍土被置換后消除了凍脹力（圖7）。天然級配砂石為當地建筑材料，不需要經過特殊的加工處理，分層碾壓回填，置換填土操作簡單，就地取材便于施工，相比其他措施節省工程造價。

圖7 基坑換填砂石料回填

回填前連續排水，保持基坑內無積水，組織基礎和隱蔽工程的檢查驗收，并對天然砂石料級配進行現場檢查，須符合設計及施工驗收規范要求。砂石料的回填采用機械鏟運、機械壓實、人工配合的施工工藝，分層回填厚度300～500 mm，利用LW520F裝載機將砂石料運輸到基坑內，根據設定的標高定位點控制回填土層厚度，采用平行推進法回填。現場試驗后用壓路機往復碾壓3～4遍，慢速均勻碾壓，碾壓不到的邊緣轉角部位采用人工打夯機夯擊密實。

分層回填碾壓后進行密實度試驗，回填的壓實系數不小于0.94，符合要求后進行下一道工序。由于當地氣候環境多變，雨水較多，需要回填碾壓，連續不間斷作業，并做好臨時遮雨和排水措施，氣溫低于5 ℃時回填作業。

5 結 論

超高海拔嚴寒地區氣候環境惡劣，季節性凍土的現場施工存在一定的困難，須了解季節性凍土的土性特征，根據不同的季節性凍土的特性和現場的實際情況制訂施工方案，選用合理的施工工藝和施工時間是關鍵。結合那曲浙江小區一期工程可得出以下結論：

1）超高海拔嚴寒地區的施工人員均有不同程度的高原反應，年齡偏大的人員發生概率增大，對到達該地區的人員進行詳細的體檢，合理安排行程，克服恐懼心理，放松心態階梯性適應，再到達超高海拔地區，減少高原反應的發生率。

2）季節性凍土的開挖方案是施工的重點和關鍵，應結合當地的氣象條件，選用適合的工程機械，根據季節性凍土的融沉特性開挖，以減少凍脹時土層開挖的困難。

3）砂石料墊層置換，減少了季節性凍土對基礎的凍融破壞，是一種有效可行的辦法，砂石料墊層的回填施工質量至關重要。