陕北±800 kV换流站高填方湿陷性黄土地基处理方案研究

张 咪，常 伟，张玉明

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

我国建设特高压电网的主要目的是解决大水电基地和大煤电基地电力送出问题，实现全国范围内的资源优化配置，实现跨地区、跨流域水火互济。陕北—湖北±800 kV特高压直流工程是推进西部大开发与中部地区崛起的重点工程，该项目的建设将构筑起“北电南送”的“高速路”，实现西北煤电基地电能直供中部地区负荷中心。陕北±800 kV换流站是该工程的送端换流站，站址位于陕西省北部榆林市府谷县田家寨乡东侧约6 km，紧邻神府高速石马川出口至野芦沟引道西侧，东北距府谷县约19.7 km，直流双极额定输送功率：8 000 MW，直流额定电压为±800 kV。

站址地处陕北黄土高原近边缘区，孤山川与石马川之间山坳中，原始地形地貌属黄土梁峁区，地形起伏大，冲沟纵横，沟谷深切，沟谷形态多呈“V”字型。换流站征用土地时园区场地已被挖、填整平， 平面上形成了东、西两个土质平台，高差约5.0～6.0 m，西高东低。西平台地面高程1 159.44～1 162.65 m，东平台地面高程1 153.24～1 155.78 m。地表多为杂草，植被覆盖一般。据了解，园区场地整平工作始于2012年初，终于2013年底，且对大部分填方区域进行了强夯压实工作，在局部地段地表可见夯击过的痕迹，但未收集到强夯检测资料。站址地貌如图1所示，局部地段放大的强夯痕迹如图2所示。

图1 站址地貌图

图2 站址用地强夯痕迹

由于大面积的挖、填导致在平面上形成了分布不连续、厚度变化大的回填土层，①层素填土厚度最深填土厚度达50余m，层厚变化幅度较大，且土质不均匀，且部分区域的填土存在Ⅱ级自重湿陷性。截至站区场平时，循环工业经济园区填土完成约五年半时间，是一种欠固结土，在其自身重度和大气降水的入渗作用下有自行密实的特点。从处理大面积欠固结土和消除地基土湿陷性、提高地基土承载力、减少场地沉降变形的角度，需要对站区建(构)筑物进行地基处理。笔者针对陕北±800 kV换流站特殊的岩土地质条件，除挖方区采用天然地基外，经多方案技术经济比较，提出了适合本工程的较为经济合理的建(构)筑物地基处理方案，即填方区采用“强夯预处理＋干作业旋挖成孔灌注桩基”方案，并提出了干作业旋挖施工中处理塌孔(个别地段个别孔)的技术措施，经实际施工验证，取得了良好效果。

1 站址地质条件

如前所述，陕北±800 kV换流站用地为原循环工业经济园区挖黄土梁卯、填深沟给出的一块台阶式场地。根据出线规划及站区总平面布置，换流站占用了靠西侧的两个台地。该场地主要地层上部为人工填土、第四系风积成因的黄土状粉土及冲、洪积相的粉土、粉质粘土，下部为侏罗系下统灰白色～青灰色泥、钙质砂岩(以砂岩为代表岩性)或棕红色泥岩、砂质泥岩(以泥岩为代表岩性)等。场地自上而下地层岩性主要为①素填土、②黄土状粉土、③粉土、④粉质粘土、⑤1强风化砂岩、⑤2中风化砂岩、⑥1强风化泥岩和⑥2中风化泥岩等，其中站区中部北侧直流场平坡电抗器及交流滤波器场地①层素填土下的②黄土状粉土局部具有湿陷性，，湿陷等级为Ⅱ级（中等）自重湿陷性[2]。站区典型岩土地质剖面如图3所示。

图3 站区典型地质剖面

2 站区总平面布置及站区挖填方

换流区域布置在站区西侧中部，直流场布置在换流区域北侧，向北出线。交流滤波器组布置在站区东北侧。750 kV交流配电装置布置在站区最南侧，向南出线。站前区布置在站区西侧。

原循环工业经济园区在挖填整平前，站址所处区域的挖填示意如图4所示，红线范围阴影部分为挖方区(即原始黄土梁峁)，其余为填方区(即原始沟谷)。

图4 站址原始地貌挖填示意图

站区场地平整在原循环工业经济园区挖填整平的基础上进行,两个高低平台的分界线基本为站区场平挖填分界线，换流站场平挖方最大深度4 m，填方最大深度7 m。换流站场地整平后的人工填土最大厚度达57 m以上。

3 地基处理方案论证比选

对于陕北地区高填方、局部具有湿陷性黄土地基的处理一般有两大类：复合地基和桩基。复合地基处理方案有灰(土)垫层法、灰(素)土挤密桩、强夯法等[1]。桩基方案有灌注桩(钻孔、旋挖、沉管)、预制混凝土实心方桩、预应力高强混凝土管桩(prestressd high concrete pile，PHC)管桩等[2]。

3.1 复合地基处理方案技术比选

表1分别对几种常用复合地基处理方案进行了技术比选。

表1 复合地基处理方案技术比选

就本工程原循环工业经济园区①层深厚素填土的土性而言，采用上述复合地基处理方案有着一致的缺点：即地基处理深度有限，填土厚度范围内无法全部处理，也无法完全消除地基土的湿陷性，更不能解决欠固结土的承载力和变形稳定问题；而采用桩基方案，均可全部穿透本工程①层深厚素填土或湿陷性黄土，以全部消除地基土的湿陷性及解决欠固结土的承载力和变形稳定问题，但桩基方案的选择，受成桩工艺及最大桩长的限制。

3.2 桩基方案技术比选

表2分别对几种常用桩基方案进行了技术比选。

表2 桩基方案技术比选

3.3 桩基方案技术经济比较

经过上述分析，适合本工程的桩基方案为干作业旋挖成孔灌注桩与预制混凝土实心方桩，下面对这两种方案做技术经济对比分析。

3.3.1 技术比较

干作业旋挖成孔灌注桩与预制混凝土实心方桩参数比较如表3所示。

表3 干作业旋挖成孔灌注桩与预制混凝土实心方桩参数比较

鉴于以下几方面关于预制混凝土实心方桩的不足，本工程推荐采用干作业旋挖成孔灌注桩。

1)本工程地质条件复杂，各层土的埋深及厚度变化幅度较大，如图3所示。桩端持力层的起伏变化幅度大，设计及施工桩长均难以控制，采用预制桩将会造成大量的截桩工作，造成大量工程桩浪费。

2)经统计，全站仅有20%的桩可穿透①层素填土直接进入到岩石层，剩余绝大多数桩以中间层③层粉土或④层粉质黏土为桩端持力层。预制混凝土实心方桩属于挤土桩，在打入工程中，无法判断桩端是否进入持力层，以及进入持力层的深度是否满足设计要求。

3)本工程原循环工业经济园区①层深厚素填土前期已经夯实处理，再加上本工程拟采用场平结合强夯处理浅层土。处理后的土的密实性将显著提高，预制混凝土实心方桩存在沉桩困难的可能性。

4)预制混凝土实心方桩陕北生产厂家较少，西安地区周边有厂家，从西安到陕北的运输成本费用较高。

3.3.2 经济比较

采用干作业旋挖成孔灌注桩的工程造价详如表4所示。

表4 干作业旋挖成孔灌注桩工程造价

采用预制混凝土实心方桩的工程造价详如表5所示。

表5 预制混凝土实心方桩工程造价

通过表4～表5可知：采用干作业旋挖成孔灌注桩的混凝土方量大于预制混凝土实心方桩混凝土方量，但预制混凝土实心方桩综合单价高于干作业旋挖成孔灌注桩。本工程采用干作业旋挖成孔灌注桩费用略低于预制混凝土实心方桩费用，且噪声小，无振动，施工速度快，桩长容易得到控制。

无论从技术与经济角度，旋挖成孔灌注桩均优于采用预制混凝土实心方桩。因此，本工程推荐采用干作业旋挖成孔灌注桩。

4 地基处理方案选择与实施

综上所述，根据本工程地质构成等特点，填方区采用“强夯预处理＋干作业旋挖成孔灌注桩基”方案，并提出了干作业旋挖施工中处理塌孔(个别地段个别孔)的技术措施。

4.1 结合场平进行强夯

本工程填方区主要建(构)筑物采用干作业旋挖成孔灌注桩，原循环工业经济园区①层深厚素填土为欠固结土，以及站区中部北侧局部①层素填土下的②黄土状粉土具有湿陷性，为防止站内其它浅埋构筑物如道路、电缆沟(隧)道、建筑物室外散水以及空场地等在运行期间遇(雨)水发生沉降或不均匀沉降变形，同时有效消除桩侧负摩阻力、增加桩侧正阻力，避免或较小旋挖灌注桩在成孔过程中塌孔现象的发生，在场地初平后对填方区进行了强夯预处理。

填方区(包括原工业园区填方和场平产生的新填方)强夯在场地初平完成后进行，强夯方案如下：

1)先将西侧高平台挖土填至东侧低平台，将东西平台整平。场平前挖填示意如图5所示。

图5 场平前挖填示意图

2)对挖方区围墙、整平后的填方区进行强夯处理，如图6、图7所示。

图6 挖方区强夯施工示意图

图7 填方区强夯施工示意图

3)强夯单击夯击能以初平标高以下填土的厚度为分界面

①填土的厚度小于4 m时，不做强夯处理。

②填土的厚度大于等于4 m且小于8 m时，采用单击夯击能3000 kN·m点夯、1 000 kN·m满夯。

③填土的厚度大于8 m时，采用单击夯击能6 000 kN·m点夯、2 000 kN·m满夯。

④夯锤直径均为D=2 500 mm。

⑤点夯采用等边三角形布置，夯间距均为5 m，点夯采用隔行或隔行隔点分两遍完成。

⑥满夯可一遍或隔行分两遍完成。

4)工程夯施工如图8所示。

图8 工程夯施工

4.2 桩基设计方案

换流站建(构)筑物对桩基承载力要求不高，主要是构造布桩及减小桩基不均匀沉降，根据长径比确定桩长大小，桩长≤30 m时采用桩径Ф600 mm的干作业旋挖成孔灌注桩；桩长＞30m时采用桩径Ф800 mm的干作业旋挖成孔灌注桩。

4.2.1 干作业施工中处理塌孔的技术措施

本工程场地上部回填土范围和厚度大，土质极不均匀，密实度差异较大，实际施工桩基成孔过程中局部塌孔现象较为严重，特别是进入岩层区域，穿透岩层(砂岩、泥岩)成孔用时较长，钻机振动幅度较大，造成上部回填土层长时间处于应力临空状态，孔壁局部失稳造成回填土层坍塌，为保证工程桩质量、安全和进度要求，本工程在塌孔严重的填土段埋深不大时采用护筒维护孔壁，在塌孔严重的填土段埋深较深时采用泥浆护壁[2]。

4.2.2 化学聚合物泥浆护壁

传统泥浆护壁成孔工艺施工技术难度大，操作繁琐，而且泥浆需求数量巨大，施工成本高，占地大，也不满足文明施工和环境保护要求。为了改善以上问题，本工程经过调查研究和多种方案比对，选取化学聚合物泥浆。

表6 传统泥浆护壁与化学聚合物泥浆护壁对比[3]

图9 现场成孔检查及化学聚合物泥浆护壁

5 结语

对于陕北换流站所处大厚度欠固结填方场地，以及①层素填土下的②黄土状粉土局部具有湿陷性黄土，采用“强夯预处理＋干作业旋挖成孔灌注桩基”方案作为陕北换流站主要地基处理形式。在工程夯、工程桩正式施工前，按照相关设计标准，选择有代表性的场地进行了试夯和试桩，并按设计要求进行了检测，达到了预期效果。工程桩施工过程中，在塌孔严重的填土段埋深不大时采用护筒维护孔壁，在塌孔严重的填土段埋深较深时采用化学聚合物泥浆护壁。工程实践证明在技术可靠性、施工可行性和便捷性、经济性等方面均取得了良好效果。