高原凍土區(qū)輸電鐵塔基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)

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(tuán)電力有限責(zé)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(nèi)，工程線路全長1 038 km，線路平均海拔為4 650 m，最高點(diǎn)海拔為5 300 m;海拔4 000 m以上地區(qū)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(qū)，是世界上穿越凍土區(qū)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(qū)共有鐵塔1 207基。采用的凍土基礎(chǔ)型式有錐柱基礎(chǔ)、掏挖(樁)基礎(chǔ)、預(yù)制裝配式基礎(chǔ)和灌注樁基礎(chǔ)等 4 種［1］。

多年凍土是凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)2年或2年以上的凍土，它是一種對(duì)溫度極為敏感且性質(zhì)不穩(wěn)定的土體。施工活動(dòng)對(duì)多年凍土易產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，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(dǎo)致凍土工程性質(zhì)變化，造成凍土區(qū)地基變形和破壞，影響基礎(chǔ)工程的穩(wěn)定性，給送電線路施工和運(yùn)維帶來一定的困難。為確保工程在建和投運(yùn)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(duì)凍土的擾動(dòng)，解決多年凍土的融沉、凍脹等現(xiàn)象對(duì)桿塔基礎(chǔ)造成的影響［2］。

1 凍土基礎(chǔ)開挖技術(shù)

1.1 錐柱基礎(chǔ)基坑開挖關(guān)鍵技術(shù)

(1)一般錐柱基礎(chǔ)開挖采用機(jī)械作業(yè)，可提高工作效率，降低施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短凍土暴露時(shí)間，保持凍土穩(wěn)定。利用青藏高原特有的晝夜溫差來調(diào)節(jié)施工時(shí)間，在凌晨2點(diǎn)左右進(jìn)行開挖，凌晨4點(diǎn)左右基坑開挖完成，立即吊裝鋼筋籠和安裝模板，進(jìn)行混凝土澆制，待凍土層融化時(shí)基礎(chǔ)澆制已完畢。

(2)對(duì)于滲水量大且坑壁易坍塌的大開挖基坑，開挖時(shí)必須使用擋土板加以支撐。開挖時(shí)先開口挖下0.3～0.5 m，然后在坑壁四周設(shè)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(zhì)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(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)更換或者在橫撐木上加水平頂杠，增強(qiáng)擋土板骨架的剛度，確?？由疃冗_(dá)到設(shè)計(jì)要求［3］。

(3)基坑開挖接近設(shè)計(jì)深度時(shí)，如果無法及時(shí)施工，應(yīng)預(yù)留500 mm以上保溫層，待澆筑前基坑操平時(shí)再挖至設(shè)計(jì)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(wǎng)效果圖Fig.1 Effect drawing of pit cover shade net

1.2 灌注樁基坑開挖關(guān)鍵技術(shù)

灌注樁基礎(chǔ)施工采納青藏鐵路格拉段施工的成功經(jīng)驗(yàn)，采用旋挖鉆機(jī)干法快速成孔。大功率旋挖鉆機(jī)鉆孔速度快，功效為普通沖擊鉆機(jī)的數(shù)倍，另外由于是鉆機(jī)自出碴，不用泥漿浮碴，避免了泥漿的熱量帶入，對(duì)凍土層擾動(dòng)更小。采用干式旋挖成孔技術(shù)關(guān)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(zhì)量。對(duì)于下部嵌巖深度深，表層風(fēng)化覆蓋層厚的情況，上部風(fēng)化層采用旋挖鉆機(jī)成孔，進(jìn)入微風(fēng)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(guān)鍵技術(shù)

掏挖(樁)基礎(chǔ)均采用人工風(fēng)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(yán)格按每500 mm護(hù)壁1次，開挖至擴(kuò)大頭部分時(shí)采用鋼筒護(hù)壁。護(hù)壁后的坑壁穩(wěn)固，凍土不易融化，坑內(nèi)也未見大量出水，如圖2所示。護(hù)壁主要有鋼筒護(hù)壁、預(yù)制混凝土護(hù)壁和現(xiàn)澆混凝土護(hù)壁等類型，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況正確選擇護(hù)壁類型，對(duì)提高施工進(jìn)度和節(jié)約施工成本都有很大的作用。

2 負(fù)溫條件下早強(qiáng)混凝土澆筑技術(shù)

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

根據(jù)工程特點(diǎn)，充分考慮混凝土在負(fù)溫下強(qiáng)度發(fā)展速率與水化熱對(duì)周邊凍土穩(wěn)定性影響的關(guān)系，負(fù)溫混凝土配合比不宜過分追求早期強(qiáng)度快速發(fā)展。配制負(fù)溫早強(qiáng)耐腐蝕性混凝土的關(guān)鍵技術(shù)措施就是通過配合比試驗(yàn)，確定摻用具有多種功效的復(fù)合混凝土外加劑及其用量，并采取切實(shí)可行的保溫養(yǎng)護(hù)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(dāng)氣溫低于-5℃時(shí)，可用熱水拌和;水溫高于65℃時(shí)，熱水應(yīng)先與骨料拌和，再加入水泥。氣溫低于-10℃時(shí)，骨料可移入暖棚或采取加熱措施。骨料凍結(jié)成塊時(shí)需加熱，加熱溫度不得高于65℃，并應(yīng)避免灼燒。用蒸汽直接加熱骨料，其帶入的水分應(yīng)從拌和水中扣除。

(3)摻防凍劑混凝土在負(fù)溫條件下不得澆水養(yǎng)護(hù)，外露表面必須覆蓋。初期養(yǎng)護(hù)溫度不得低于防凍劑的規(guī)定溫度，否則應(yīng)采取保溫措施。當(dāng)混凝土溫度降至規(guī)定溫度以下時(shí)，混凝土強(qiáng)度必須達(dá)到3.5 MPa，拆模后混凝土的表面溫度與環(huán)境溫度之差大于15℃時(shí)，應(yīng)采用保溫材料覆蓋養(yǎng)護(hù)。

(4)負(fù)溫條件下澆筑混凝土后72 h內(nèi)必須采用升溫養(yǎng)護(hù)以保證混凝土質(zhì)量，主要采取暖棚升溫養(yǎng)護(hù)和電熱毯升溫養(yǎng)護(hù)。

3 預(yù)制裝配式基礎(chǔ)吊裝施工關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)制裝配式基礎(chǔ)主要由圓柱形立柱、2塊對(duì)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(yù)埋錨栓采用槽鋼連接。預(yù)制裝配式基礎(chǔ)吊裝關(guān)鍵技術(shù)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(shí)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(shí)將基坑中心、軸線與連接地梁中心、軸線重合即可。測量和調(diào)整橫梁4個(gè)角的高差在3 mm以內(nèi)，并以第1個(gè)吊裝的地梁為基準(zhǔn)，4個(gè)地梁間頂面高差控制在5 mm以內(nèi)。

圖3 預(yù)制裝配式基礎(chǔ)專用吊具Fig.3 Special lifting device for prefabricated assembly foundation

(2)預(yù)制裝配式基礎(chǔ)底板吊裝時(shí)，如圖4所示，在靠基礎(chǔ)外邊緣一側(cè)的2根鋼絲繩上串聯(lián)2個(gè)5 t手拉葫蘆，吊裝時(shí)與水平尺配合調(diào)節(jié)預(yù)制基礎(chǔ)底板的水平度，安裝后有偏差時(shí)用千斤頂微調(diào)。

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

(3)預(yù)制基礎(chǔ)立柱吊裝時(shí)，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(yīng)注意立柱頂端地腳螺栓的方向，確保地腳螺栓的對(duì)角線與基礎(chǔ)對(duì)角線重合。

4 保證凍土區(qū)基礎(chǔ)安全的技術(shù)措施

4.1 熱棒技術(shù)

利用熱虹吸冷凍作用的熱棒技術(shù)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(wěn)定性，保證建筑物地基在運(yùn)行期長期處于設(shè)計(jì)溫度狀態(tài)。基礎(chǔ)熱棒施工時(shí)宜采用鉆機(jī)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(shí)，應(yīng)用細(xì)沙土分層逐段填實(shí)，并且每層用水澆透，防止出現(xiàn)空隙或不密實(shí)等現(xiàn)象，必要時(shí)應(yīng)用鐵棒逐層搗固沙土。

4.2 預(yù)制件防腐技術(shù)

為了防止凍土對(duì)基礎(chǔ)和外露金屬聯(lián)接構(gòu)件產(chǎn)生腐蝕作用，混凝土表面和外露金屬聯(lián)接構(gòu)件涂刷防腐涂料。目前應(yīng)用比較成熟的有IPN8701互穿網(wǎng)絡(luò)防腐漆、EPN厚漿型重防腐油漆、IPN8710互穿網(wǎng)絡(luò)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(fù)合面層防護(hù)。噴、鍍金屬層的厚度以現(xiàn)場施工時(shí)涂刷不少于3遍，完全覆蓋金屬連接件本色為準(zhǔn)。防腐蝕涂料的底漆、面漆、清漆應(yīng)選用同一廠家、相同品種及牌號(hào)的產(chǎn)品，保證底漆、面漆、清漆相互間的良好結(jié)合。

4.3 基礎(chǔ)防凍脹技術(shù)

采用玻璃鋼模板處理掏挖基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)和裝配式基礎(chǔ)凍土層的凍脹危害，在基礎(chǔ)的側(cè)壁外層安裝固定玻璃鋼模板，以減小和消除凍土對(duì)基礎(chǔ)的切向凍脹力。玻璃鋼埋設(shè)深度與基礎(chǔ)的最大凍結(jié)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(cè)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(chǔ)側(cè)壁，玻璃鋼高度不得小于季節(jié)性凍土的最大設(shè)計(jì)凍結(jié)深度或多年凍土最大設(shè)計(jì)融化深度，處理方式如圖5所示。

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

4.4 基礎(chǔ)沉降和位移觀測技術(shù)

基礎(chǔ)安裝施工后，應(yīng)設(shè)置基礎(chǔ)沉降和位移觀測點(diǎn)，觀察基礎(chǔ)根開、對(duì)角線、立柱頂面高差尺寸經(jīng)過凍融循環(huán)后是否滿足驗(yàn)收規(guī)范要求。沉降和位移觀測的關(guān)鍵是觀測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)置。觀測點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在鐵塔基礎(chǔ)頂面的固定位置，并有明顯標(biāo)示。觀測基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)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(shí)以基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測點(diǎn)間的變化作為觀測結(jié)果，與上次觀測結(jié)果對(duì)比，分析基礎(chǔ)變形情況。對(duì)于轉(zhuǎn)角塔要在架線前、后分別進(jìn)行觀測對(duì)比。

4.5 防水技術(shù)

對(duì)于裝配式基礎(chǔ)吊裝完成后產(chǎn)生的施工縫隙需要用嵌縫材料做防水處理。目前國內(nèi)工程中使用的JS-聚氨酯道路嵌縫膠是A、B雙組分反應(yīng)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(shí)首先清理嵌縫內(nèi)灰土及雜物，將A組分與B組分按1∶2質(zhì)量比混合，攪拌均勻后，使用灌縫槍將混合料灌入構(gòu)件縫隙內(nèi)并密實(shí)，24 h后形成富有彈性的嵌縫膠。

5 環(huán)境保護(hù)實(shí)施方案

為保護(hù)好脆弱的生態(tài)環(huán)境，工程施工階段關(guān)鍵環(huán)保措施有以下幾點(diǎn):

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

(2)植被較好的區(qū)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(dú)堆存，并采取臨時(shí)攔擋、覆蓋措施，基礎(chǔ)回填后將地表用草皮移植恢復(fù)，如圖6所示。

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

(3)在戈壁區(qū)等不宜植被移植的地區(qū)，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(qū)種植的草種。

6 高原醫(yī)療保障體系

(1)建立完善的醫(yī)療保障體系，緊緊依靠沿線市、縣級(jí)醫(yī)院，做好醫(yī)療保障機(jī)構(gòu)的建設(shè)，從人員、技術(shù)、設(shè)備、職能、制度等5個(gè)方面抓好落實(shí)。

(2)做好高原醫(yī)療衛(wèi)生保障知識(shí)的培訓(xùn)。全體施工人員在進(jìn)駐高原前接受“高原醫(yī)學(xué)”、醫(yī)療保障和傳染病知識(shí)培訓(xùn)，熟悉高原缺氧環(huán)境和自然疫源對(duì)人體的影響，掌握急慢性高原病、傳染病的醫(yī)療、預(yù)防措施以及急救、保健設(shè)備的使用。

(3)全體參建人員必須認(rèn)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(xù)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(yīng)性調(diào)整工作。所有參建人員一律進(jìn)行高原適應(yīng)性調(diào)整后上線，適應(yīng)時(shí)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(yīng)的原則。

7 結(jié)語

在青藏±400 kV直流聯(lián)網(wǎng)工程施工實(shí)踐中，通過多年凍土地區(qū)鐵塔基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)的研究和成果的運(yùn)用，有效控制了施工對(duì)高原凍土生態(tài)環(huán)境的影響，減少了對(duì)多年凍土的擾動(dòng)。形成的施工技術(shù)成果對(duì)于高海拔多年凍土地區(qū)的桿塔基礎(chǔ)施工具有借鑒意義，能夠大幅提高施工效率，規(guī)范高原凍土地區(qū)的基礎(chǔ)施工工藝，為凍土地區(qū)輸電線路工程的建設(shè)和運(yùn)行提供技術(shù)支持，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。施工技術(shù)成果不僅在線路施工領(lǐng)域，同時(shí)在其他工程建設(shè)方面也具有積極的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

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