超高海拔严寒地区季节性冻土基础施工技术

2023-11-02张霞军舒小建

浙江建筑 2023年5期

张霞军，焦挺，舒小建，赵俊

1.浙江省建工集团有限责任公司，浙江杭州310012

2.浙江省一建建设集团有限公司，浙江杭州310013

0 引言

季节性冻土［1］是地壳表层冬季冻结而在夏季又全部融化的土，受季节性的影响，因其周期性的冻结、融化，对地基的稳定性影响较大。我国的季节性冻土主要分布在长江流域以北，东北多年冻土南界以南和高海拔多年冻土下界以下的广大地区，面积达到514 万km2。季节性冻土作为建筑物地基，对建筑物基础的影响主要是冻胀和融沉。冻胀是由于土中水变成冰时的体积膨胀，引起土颗粒间的相对位移所产生的土体积膨胀，季节性冻土在冻结时具有较高的强度和较低的压缩性。融沉是指在温度升高季节，冻结土体在融化过程产生的变形，冻土融化后则承载力大大降低，压缩性增高，地基容易产生沉陷。于东彬等［2］对高寒季节性冻土地区铁路路基冻胀研究发现，影响路基冻胀最主要的三大因素是土质、含水量和温度，解决路基冻胀方案均围绕此三要素开展。张丰帆［3］的研究提出了季节性冻土防冻胀措施，只要消除土质、温度、水这三个因素中的一个，就能达到防治目的，工程防冻胀措施总体可以分为两个方面：一方面是地基土的改良；另一方面是基础和结构物抗冻胀。

1 工程概况

那曲浙江小区一期工程是浙江省援建西藏那曲最大的保障房住宅小区项目，由浙江省对口支援西藏那曲地区指挥部建设，位于西藏自治区北部草原腹地那曲市色尼区，地理位置为东经92°03′、北纬31°28′，那曲市色尼区南距西藏自治区首府拉萨市317 km，北距青海省格尔木市848 km，东距昌都地区707 km，西距阿里地区狮泉河831 km，平均海拔4 570 m，按照我国常用海拔高度分级标准［4］，3 500～5 500 m 为超高海拔地区，是世界上8 个海拔最高的城镇之一。那曲浙江小区一期工程由78幢2～4层钢筋混凝土框架结构房屋、商铺组成，住房有483 套，总建筑面积为77 021 m2，合同工期255日历天。见图1～3。

图1 那曲浙江小区一期工程商住楼基础平面布置

图2 那曲浙江小区一期工程沿街效果

图3 那曲浙江小区一期工程实景

3）工程项目所在的超高海拔严寒地区气候环境恶劣，适宜的作业施工时间短，气候条件不利于作业人员长时间作业，且当地劳动力资源匮乏，人工开挖高强度作业不太适合。在此海拔高度的个体差异决定了能否适应此环境，对常年居住在低海拔地区的人，到达超高海拔地区是一种生理和心理上的适应和挑战。

2 工程地质条件与水文地质情况

工程项目场地勘探深度范围内，地层主要由第四系全新统的松散堆积物和上白垩系多尼组（K1d）的泥岩组成（表1）。

表1 场地地层划分及承载力标准值

场地的地下水为上层滞水和孔隙潜水，主要由大气降水的垂直渗入补给，冰雪融水入渗和场地附近次曲河水的侧向补给。根据勘察单位提供的地勘报告，非冻结时期含水层的渗透系数为15 m/d，单井涌水量约300 m3/d，地下水埋藏深度0.31～1.67 m，且受地形、岩性的影响表现出北深南浅、西深东浅的埋藏特征。地下水在雨季上升，枯水期下降，动态变化较大。

3 施工特点与难点

根据岩土工程勘察报告，拟建工程区域土壤为季节性冻土，最大冻土深度达2.81 m，为不冻胀土、弱融沉土；冻胀等级为Ⅰ级，融沉等级为Ⅱ级。虽然季节性冻土为不冻胀土，但在温度低于0 ℃以下时，土壤内的水冻结成冰，将土壤中的矿物颗粒黏结在一起，相比冻结前土体强度增大，造成土方开挖困难。温度升高时冻土融化，土体内含水量增加，土方开挖后基坑容易坍塌。季节性冻土施工面临着以下难题：

1）工程项目所在地为高原亚寒带半湿润气候，高寒缺氧，气候干燥，日照时间长，昼夜温差大。适宜的施工作业时间在每年的5～10 月，而降水量主要集中在6～9月，约占全年的90.6%，施工期间多雨水。工期任务节点要求高，项目开工后在规定时间内完成交房任务，施工时间紧任务重，基坑工序交叉搭接流水作业提出新的要求。

2）季节性冻土一般采取破碎或融化后开挖，常见有人工法、机械法和爆破法。人工开挖季节性冻土适用基坑开挖面积较小，场地狭窄地带；爆破法适用于冻土层较厚，偏远地带大面积土方开挖；机械开挖方法常见，需要有合适的机械装备。

4）工程项目所在地冬季最大冻土深度2.81 m，设计的矩形独立柱基础-3.4 m，基础开挖深度超过3 m且地下水丰富，基础开挖需要穿越冻土层，施工时的气候条件复杂，一日多变，刚刚还是晴朗的好天，转眼间就是乌云遮日雪花漫天，施工应急处置要求较高。

4 施工技术措施

4.1 土方开挖方案

冻土开挖采用爆破法是一种最经济实用的开挖方法，在空旷野外地带受到限制条件少便于施工被普遍采用。由于本项目施工现场附近有居民区，必须保证人员和房屋安全，因而无法采用爆破法进行土方开挖。项目场地内赋存第四系上层滞水，水位较高，房屋建筑设计为独立柱基础，考虑实际的施工操作面，以及整体的施工进度要求，单个独立基础依次开挖，无法满足项目整体施工进度，结合工程进度及基坑排水需要，采用自然放坡的基坑整体大开挖方案。

4.2 机械设备选择

超高海拔地区空气稀薄，含氧量低，气温低，紫外线强度高，恶劣的气候环境容易造成机械设备的燃油消耗增大，工作效率降低，磨损增大，机械设备使用寿命缩短。经过当地现有机械装备综合考察比选，采用PC240型挖掘机，铲斗最大挖掘力152 000 N，最大挖掘深度6 095 mm，该挖掘设备具有功率大，操控性能优越，适应性强等优点，在超高海拔严寒高原地区工作性能稳定。

4.3 基坑排水

超高海拔严寒地区那曲镇的10 月至次年的4月为冰冻期，每年10月31日至次年4月30日为冬季停工期，降水主要集中在6月至9 月，因此土方开挖过程中面临雨水多，基坑排水是挖土过程中的一个重要环节。场地含水层的渗透系数为15 m/d，单井涌水量约300 m3/d，地下水埋藏深度0.31～1.67 m，采用大井法［5］计算基坑涌水量，在基坑底用水泵抽水，取基坑L=60 m，B=14.3 m，经计算得到基坑涌水量Q=55.14 m3/d。选用100YW100-17型污水泵，设计排水量Q=100 m3/h，考虑实际功效的损失，可满足基坑开挖过程中的排水需求。

4.4 土方开挖

土方开挖前，复测现场的定位轴线、水准点、基坑开挖边线。工程项目附近的色里尼曲河自东向西穿过那曲市区，场地含水层表现出北深南浅、西深东浅的埋藏特征，因而整个施工场地区域按照从东向西、东北方向先行开挖，单个基坑大开挖完成后逐步依次推进的大开挖方案。

根据季节性冻土的特性，温度低时土层冻结开挖困难，先采用液压凿岩机进行破碎、松动，再利用液压挖掘机配合挖土。PC240型挖掘机顺着基坑倒退开挖的方法，充分利用挖掘机的松动和挖掘能力，冻土层用凿岩机分段分层进行破碎，破碎厚度500～800 mm，上一层破碎松动完成后用挖掘机清理，然后进行下一层的破碎挖掘，直到挖掘至设计基础深度要求。破碎挖掘的冻土须及时清理运输。

温度升高季节性冻土融化后，直接采用挖掘机分段分层开挖，基坑底机械辅以人工修整。根据土层情况采用1∶0.75 的坡度（图4），开挖深度1.5～3 m。开挖基坑四周控制荷载，堆土在基坑边缘1 m以外且不超高1.5 m。土方开挖从地下水位较高的一侧开始，挖到基坑底后设置集水坑，放入水泵直接排水，挖土过程中修整基坑底四周的排水沟，坑底积水由排水沟流向集水坑，通过集水坑连续不间断地排水，保证基坑内不积水（图5、图6）。土方开挖基坑底预留200～300 mm 的土层，采用机械配合人工开挖修整，以③2层密圆砾或④1层全风化泥岩作为基础持力层。开挖至基坑底设计标高，未达到设计持力层的极少数部位，经设计、地勘现场地基验槽，用C20素混凝土回填至设计的基底标高。

图4 基坑剖面

图5 基坑开挖

图6 基坑开挖排水

4.5 季节性冻土回填

为了消除季节性冻土的冻胀和融沉，一般设计在基础地梁下部设置防冻梁，回填松散的炉渣材料［6］，减轻对基础的破坏作用，从构造方面对冻胀进行处理，但防冻梁的施工增加了施工难度，炉渣材料因为受到地域限制，现场采购比较困难，经设计验算复核后采用换填法，消除季节性冻土的破坏作用。用透水性较好的砂石料置换开挖的冻土［7］，置换砂石土层一方面起到隔离作用，透水性好的颗粒土空隙大，形成的毛细水管少，减少了地下水的上升，降低了冻胀的产生；另一方面冻土被置换后消除了冻胀力（图7）。天然级配砂石为当地建筑材料，不需要经过特殊的加工处理，分层碾压回填，置换填土操作简单，就地取材便于施工，相比其他措施节省工程造价。

图7 基坑换填砂石料回填

回填前连续排水，保持基坑内无积水，组织基础和隐蔽工程的检查验收，并对天然砂石料级配进行现场检查，须符合设计及施工验收规范要求。砂石料的回填采用机械铲运、机械压实、人工配合的施工工艺，分层回填厚度300～500 mm，利用LW520F装载机将砂石料运输到基坑内，根据设定的标高定位点控制回填土层厚度，采用平行推进法回填。现场试验后用压路机往复碾压3～4遍，慢速均匀碾压，碾压不到的边缘转角部位采用人工打夯机夯击密实。

分层回填碾压后进行密实度试验，回填的压实系数不小于0.94，符合要求后进行下一道工序。由于当地气候环境多变，雨水较多，需要回填碾压，连续不间断作业，并做好临时遮雨和排水措施，气温低于5 ℃时回填作业。