高原冻土区输电铁塔基础施工关键技术

靳义奎，梁来先，刘军，高鹏飞

(1.青海送变电工程公司，西宁市 810001;2.葛洲坝集团电力有限责任公司，湖北省 宜昌市 443002)

0 引言

格尔木—拉萨±400 kV直流输电线路位于青海和西藏境内，工程线路全长1 038 km，线路平均海拔为4 650 m，最高点海拔为5 300 m;海拔4 000 m以上地区的线路长度超过900 km，占总长的87%。该线路穿越565 km多年冻土区，是世界上穿越冻土区最长的直流输电线路。全线共用铁塔2 361基，其中多年冻土区共有铁塔1 207基。采用的冻土基础型式有锥柱基础、掏挖(桩)基础、预制装配式基础和灌注桩基础等 4 种［1］。

多年冻土是冻结状态持续2年或2年以上的冻土，它是一种对温度极为敏感且性质不稳定的土体。施工活动对多年冻土易产生较大的扰动，引起多年冻土上限下移，多年冻土层温度升高、地下冰融化，从而导致冻土工程性质变化，造成冻土区地基变形和破坏，影响基础工程的稳定性，给送电线路施工和运维带来一定的困难。为确保工程在建和投运后的安全，在工程施工过程中必须采取各种措施，减少或消除施工对冻土的扰动，解决多年冻土的融沉、冻胀等现象对杆塔基础造成的影响［2］。

1 冻土基础开挖技术

1.1 锥柱基础基坑开挖关键技术

(1)一般锥柱基础开挖采用机械作业，可提高工作效率，降低施工人员劳动强度，缩短冻土暴露时间，保持冻土稳定。利用青藏高原特有的昼夜温差来调节施工时间，在凌晨2点左右进行开挖，凌晨4点左右基坑开挖完成，立即吊装钢筋笼和安装模板，进行混凝土浇制，待冻土层融化时基础浇制已完毕。

(2)对于渗水量大且坑壁易坍塌的大开挖基坑，开挖时必须使用挡土板加以支撑。开挖时先开口挖下0.3～0.5 m，然后在坑壁四周设水平横撑木，将挡板由横撑木及坑壁间插下，横撑木间距视土质而定，一般为0.8～1.0 m。挡板顶端要有防止打裂的措施，若使用钢板挡土板则效果更好。挖掘过程中边挖边下插挡土板，注意观察挡板有无变形及断裂。若发现异常应及时更换或者在横撑木上加水平顶杠，增强挡土板骨架的刚度，确保坑深度达到设计要求［3］。

(3)基坑开挖接近设计深度时，如果无法及时施工，应预留500 mm以上保温层，待浇筑前基坑操平时再挖至设计深度。基坑开挖后采取如图1所示遮阳降温措施，避免气温上升冻土解冻后造成基坑积水和坑壁滑塌。

图1 基坑覆盖遮阳网效果图Fig.1 Effect drawing of pit cover shade net

1.2 灌注桩基坑开挖关键技术

灌注桩基础施工采纳青藏铁路格拉段施工的成功经验，采用旋挖钻机干法快速成孔。大功率旋挖钻机钻孔速度快，功效为普通冲击钻机的数倍，另外由于是钻机自出碴，不用泥浆浮碴，避免了泥浆的热量带入，对冻土层扰动更小。采用干式旋挖成孔技术关键是要因地制宜选择钻头，钻头选择合适可大大提高钻孔速度及成孔质量。对于下部嵌岩深度深，表层风化覆盖层厚的情况，上部风化层采用旋挖钻机成孔，进入微风化岩层后再改用普通冲击钻成孔，这样可以大大加快整根桩的施工速度［4］。

1.3 掏挖式基坑开挖关键技术

掏挖(桩)基础均采用人工风镐开挖的方式。为避免基坑开挖过程中冻土融化造成坑壁滑塌，威胁孔底施工人员安全，基坑在开挖过程中严格按每500 mm护壁1次，开挖至扩大头部分时采用钢筒护壁。护壁后的坑壁稳固，冻土不易融化，坑内也未见大量出水，如图2所示。护壁主要有钢筒护壁、预制混凝土护壁和现浇混凝土护壁等类型，根据现场实际情况正确选择护壁类型，对提高施工进度和节约施工成本都有很大的作用。

2 负温条件下早强混凝土浇筑技术

图2 同一基坑护壁前、后比较Fig.2 Comparison diagram of before and after pit wall comparison

根据工程特点，充分考虑混凝土在负温下强度发展速率与水化热对周边冻土稳定性影响的关系，负温混凝土配合比不宜过分追求早期强度快速发展。配制负温早强耐腐蚀性混凝土的关键技术措施就是通过配合比试验，确定掺用具有多种功效的复合混凝土外加剂及其用量，并采取切实可行的保温养护措施［5-8］。

(1)掺防冻剂混凝土的配合比，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，防冻剂的用量为水泥用量的4%。

(2)掺防冻剂混凝土用的原材料，当气温低于-5℃时，可用热水拌和;水温高于65℃时，热水应先与骨料拌和，再加入水泥。气温低于-10℃时，骨料可移入暖棚或采取加热措施。骨料冻结成块时需加热，加热温度不得高于65℃，并应避免灼烧。用蒸汽直接加热骨料，其带入的水分应从拌和水中扣除。

(3)掺防冻剂混凝土在负温条件下不得浇水养护，外露表面必须覆盖。初期养护温度不得低于防冻剂的规定温度，否则应采取保温措施。当混凝土温度降至规定温度以下时，混凝土强度必须达到3.5 MPa，拆模后混凝土的表面温度与环境温度之差大于15℃时，应采用保温材料覆盖养护。

(4)负温条件下浇筑混凝土后72 h内必须采用升温养护以保证混凝土质量，主要采取暖棚升温养护和电热毯升温养护。

3 预制装配式基础吊装施工关键技术

预制装配式基础主要由圆柱形立柱、2块对称钢筋混凝土底板和锚固用条形地梁组成。立柱与底板采用法兰盘螺栓连接，底板间通过地梁预埋锚栓采用槽钢连接。预制装配式基础吊装关键技术是专用吊具的研制以及地梁的找正，地梁和立柱专用吊具如图3 所示［9-10］。

(1)地梁吊装前基坑必须操平，吊具使用时底板穿芯螺杆必须配带双帽螺栓。地梁找正采用井字桩找正方法，找正时将基坑中心、轴线与连接地梁中心、轴线重合即可。测量和调整横梁4个角的高差在3 mm以内，并以第1个吊装的地梁为基准，4个地梁间顶面高差控制在5 mm以内。

图3 预制装配式基础专用吊具Fig.3 Special lifting device for prefabricated assembly foundation

(2)预制装配式基础底板吊装时，如图4所示，在靠基础外边缘一侧的2根钢丝绳上串联2个5 t手拉葫芦，吊装时与水平尺配合调节预制基础底板的水平度，安装后有偏差时用千斤顶微调。

图4 底板吊装示意图Fig.4 Schematic diagram of baseplate hoisting

(3)预制基础立柱吊装时，将加工的专用吊板套在地脚螺杆上，再将拆下的双帽螺帽全部带齐，并紧固螺帽。立柱与底盘连接前应注意立柱顶端地脚螺栓的方向，确保地脚螺栓的对角线与基础对角线重合。

4 保证冻土区基础安全的技术措施

4.1 热棒技术

利用热虹吸冷冻作用的热棒技术可防止多年冻土退化和融化，降低多年冻土地基的温度，提高多年冻土地基的稳定性，保证建筑物地基在运行期长期处于设计温度状态。基础热棒施工时宜采用钻机开挖安装孔法，棒身垂直度允许偏差为棒身长度的1%。热棒安装后回填时，应用细沙土分层逐段填实，并且每层用水浇透，防止出现空隙或不密实等现象，必要时应用铁棒逐层捣固沙土。

4.2 预制件防腐技术

为了防止冻土对基础和外露金属联接构件产生腐蚀作用，混凝土表面和外露金属联接构件涂刷防腐涂料。目前应用比较成熟的有IPN8701互穿网络防腐漆、EPN厚浆型重防腐油漆、IPN8710互穿网络无霉防腐漆等3种混凝土防腐油漆。金属外露件在喷、镀金属层上再涂刷防腐蚀涂料形成复合面层防护。喷、镀金属层的厚度以现场施工时涂刷不少于3遍，完全覆盖金属连接件本色为准。防腐蚀涂料的底漆、面漆、清漆应选用同一厂家、相同品种及牌号的产品，保证底漆、面漆、清漆相互间的良好结合。

4.3 基础防冻胀技术

采用玻璃钢模板处理掏挖基础、灌注桩基础和装配式基础冻土层的冻胀危害，在基础的侧壁外层安装固定玻璃钢模板，以减小和消除冻土对基础的切向冻胀力。玻璃钢埋设深度与基础的最大冻结深度相同，玻璃钢加工的厚度不小于5 mm。浇制混凝土前，在玻璃钢外侧分3次抹5 mm厚润滑剂(如凡士林)，直接把玻璃钢模板固定于掏挖和灌注桩基础侧壁，玻璃钢高度不得小于季节性冻土的最大设计冻结深度或多年冻土最大设计融化深度，处理方式如图5所示。

图5 基础防冻胀处理措施Fig.5 Measure of prevent frost heave of foundation

4.4 基础沉降和位移观测技术

基础安装施工后，应设置基础沉降和位移观测点，观察基础根开、对角线、立柱顶面高差尺寸经过冻融循环后是否满足验收规范要求。沉降和位移观测的关键是观测点和基准点的设置。观测点应尽量设置在铁塔基础顶面的固定位置，并有明显标示。观测基准点设置在不易受施工影响的位置，并用混凝土固定牢固，防止人为破坏。观测时以基准点和观测点间的变化作为观测结果，与上次观测结果对比，分析基础变形情况。对于转角塔要在架线前、后分别进行观测对比。

4.5 防水技术

对于装配式基础吊装完成后产生的施工缝隙需要用嵌缝材料做防水处理。目前国内工程中使用的JS-聚氨酯道路嵌缝胶是A、B双组分反应型的中高档嵌缝材料，它由主剂A组分与副剂B组分组成。使用时首先清理嵌缝内灰土及杂物，将A组分与B组分按1∶2质量比混合，搅拌均匀后，使用灌缝枪将混合料灌入构件缝隙内并密实，24 h后形成富有弹性的嵌缝胶。

5 环境保护实施方案

为保护好脆弱的生态环境，工程施工阶段关键环保措施有以下几点:

(1)提前策划施工区域和施工便道，采取隔离限制措施，控制施工活动范围，选择沿线已有的砂石料场，减少人为扩大破坏面积。

(2)植被较好的区域开挖前采取表土剥离措施，剥离的表土在施工过程中单独堆存，并采取临时拦挡、覆盖措施，基础回填后将地表用草皮移植恢复，如图6所示。

图6 植被移植和恢复Fig.6 Transplantation and recovery of vegetation

(3)在戈壁区等不宜植被移植的地区，采取植被种植的措施，选择披碱草、中华羊茅和星星草等适宜高寒地区种植的草种。

6 高原医疗保障体系

(1)建立完善的医疗保障体系，紧紧依靠沿线市、县级医院，做好医疗保障机构的建设，从人员、技术、设备、职能、制度等5个方面抓好落实。

(2)做好高原医疗卫生保障知识的培训。全体施工人员在进驻高原前接受“高原医学”、医疗保障和传染病知识培训，熟悉高原缺氧环境和自然疫源对人体的影响，掌握急慢性高原病、传染病的医疗、预防措施以及急救、保健设备的使用。

(3)全体参建人员必须认真做好工前、工中、工后的体检工作，并建立完善的员工健康档案，它是决定能否上高原工作，能否继续干下去的重要条件，也是确保全体员工身体健康的前提。

(4)做好上线前的高原适应性调整工作。所有参建人员一律进行高原适应性调整后上线，适应时间为3～5天，施工人员从平原到高原采取阶梯升高逐步适应的原则。

7 结语

在青藏±400 kV直流联网工程施工实践中，通过多年冻土地区铁塔基础施工关键技术的研究和成果的运用，有效控制了施工对高原冻土生态环境的影响，减少了对多年冻土的扰动。形成的施工技术成果对于高海拔多年冻土地区的杆塔基础施工具有借鉴意义，能够大幅提高施工效率，规范高原冻土地区的基础施工工艺，为冻土地区输电线路工程的建设和运行提供技术支持，社会效益和经济效益显著。施工技术成果不仅在线路施工领域，同时在其他工程建设方面也具有积极的意义和广阔的应用前景。

［1］张小力，胡志义.青海—西藏±500 kV直流联网工程初步设计总说明书［R］.西安:西北电力设计院，2008.

［2］刘厚健，程东幸，余祁浩，等.高海拔输电线路的冻土工程问题及对策研究［J］. 工程勘察，2009，(4):32-36.

［3］赵世兴，牛鑫，路林.青藏铁路110 kV供电工程施工关键技术研究［J］.电网与清洁能源，2010，26(8):34-40.

［4］郭法生.青藏铁路多年冻土区旋挖钻扩底钻孔桩施工［J］.安徽建筑，2008，15(2):49-50.

［5］陈鹏.青藏铁路多年冻土区桥梁施工关键技术［J］.中国工程科学，2005，7(7):27-30.

［6］GB 50233—2005 110～500 kV架空送电线路施工及验收规范［S］.北京:中国计划出版社，2005.

［7］Q/GDW 525—2010高海拔多年冻土地区输电线路杆塔基础施工工艺导则［S］.北京:中国电力出版社，2011.

［8］梁来先，靳义奎，刘青平，等.多年冻土基础混凝土早强防冻剂的选用和使用方法［J］.青海电力，2012，31(1):29-31.

［9］薛峰，童武，魏占元.预制装配式基础防腐设计方案探讨［J］.青海电力，2008，27(增刊):4-6.

［10］Q/GDW 526—2010输电线路预制装配式基础加工与安装工艺导则［S］.北京:中国电力出版社，2011.