青海-青藏直流线路工程冻土基础施工关键技术研究

青海送变电工程公司2021年12月28日

1引言“多年冻土根底施工、高原生理健康、脆弱的环境保护〞是青藏铁路和青藏±400kV直流输电线路工程建设的三大世界性难题。如何解决这三大难题是摆在各级工程管理者面前头等大事。在连续多年冻土地区输电线路施工的参考资料较少，国内没有可供借鉴的工程实例，而铁塔根底的施工质量将直接关系到线路结构的平安性和线路长久稳定可靠运行。2工程概况青藏直流联网工程输电线路，线路全长1038km，海拔3000～5300m，其中青海段长约616km，西藏段长约422km。全线共用杆塔2361基。其中连续多年冻土区长度约550km，共有塔基1207基。多年冻土地区采用的根底型式包括锥柱根底、掏挖根底、预制根底、灌注桩根底、人工挖孔桩根底等5种。 本工程是世界上穿越多年冻土最长的输电线路，多年冻土问题是该工程输电线路的主要工程问题，直接关系到工程的平安和造价。可以说，青藏直流工程的成败在于塔位根底的施工。如果施工处理不当，将给工程留下长久的平安隐患，而且将来的处理难度会十分艰巨，需要高度重视。

3多年冻土特性、结构

冻土是指温度低于零度并含有冰的岩土体，按其冻结时间长短可分为季节性冻土和多年冻土。其中，季节冻土为每年冬季冻结，夏季全部融化的周期性冻土。多年冻土是冻结状态持续2年或2年以上的冻土。

当土体处于冻结时，冻土具有极高的强度特性；当土体融化时，土体将完全丧失强度，且冻土物理、力学性质均会随冻土温度而发生剧烈的变化。在工程作用下，多年冻土发生较大的变化，引起多年冻土上限下移、地下冰融化、多年冻土温度升高等，从而引起冻土工程性质变化，影响工程建筑物的稳定性。冻土强度与冻土温度关系（示意）冻土温度(°C)强度冻土的构造：冻土是一种特殊的土体。冻土构造是指冰与土层之间相互排列关系，各种类型的冻土构造均可概略地反映出该冻土层的工程性质。青藏高原的冻土构造常见的有6种，即：整体构造、包裹状〔壳状〕构造、网状构造、斑状构造、厚层状冻土和基底状构造冻土。包裹状（壳状）冻土构造示意图及照片

网状构造冻土示意图及照片

厚层状冻土构造示意图及照片基底状构造冻土示意图及照片粘性冻土中的厚层冰碎石土中的厚层冰碎石土中的斑状冰碎石土中的斑状冰

冻土的表层暴露于地面,在寒/暖季节会呈现冻/融交替变化，一般10月开始冻结，次年4月开始融化。对于多年冻土，这种冻/融交替层称之为活动层，一般厚度在1.5－3.5m；其下为常年冻结层，厚度一般5－60m，最厚达120m。对季节冻土称为季节冻/融层，一般厚度在2－3.5m。其下为非冻结层。在多年冻土上限附近，往往含有大量的厚层地下冰，随着气候转暖、工程活动的加剧都会导致冻土的融化，对塔基稳定性造成严重影响。多年冻土的土层结构：

多年冻土层结构季节冻土层结构活动层常年冻结层非冻结层季节冻/融层多年冻土层上限上限附近厚层冰多年冻土层结构全景上为活动层，下为冻结层下部冻结层近景位于多年冻土上限附近的含土冰冻土层青藏直流线路沿线各区段冻土厚度、地温及季节融化深度地

名平均海拔高度(m)多年冻土厚度(m)多年冻土地温(℃)季节融化深度(m)富含冰段比例(%)西大滩盆地4450～45000～200.0～-0.52.0～3.514.28昆仑山区4500～480060～120-1.5～-3.51.0～3.559.85楚马尔河盆地±46000～400.0～-1.21.5~3.583.21可可西里山4600～470030～100-0.5~-1.81.5～3.564.22北麓河盆地±45600~400.0~-1.02.0~3.570.59风火山区4500~470050~120-1.5~-4.00.8~2.582.0乌丽盆地4580～46005~400.0~-1.02.0~4.056.75沱沱河盆地±45600~500.0~-1.02.0~3.549.08开心岭山区4600~475020~60-0.5～-1.51.5~4.044.12通天河盆地4600~47000~250.0~-0.52.0～3.043.08布曲河谷地47000~400.0~-1.01.5~3.526.11温泉谷地4750~48500~50-0.5~-1.02.0~3.528.30唐古拉山区4600～530020~130-1.0~-4.51.8~3.070.84扎加藏布河盆地±500030～50-0.5~-1.01.5~3.590.0头二九山区5000~510030~60-1.0～-1.51.5~3.582.0捷布区河谷地4800~500030~500.0~-1.02.0～3.078.33安多盆地4600~47000~400.3~-1.02.5~3.5两道河谷地4600~47000~600.6~-1.21.5~3.5在多年冻土区由于多年冻土的存在，使地下水的埋藏条件和分布规律更加复杂化。冻土地区的地下水可分为：冻土层上水、冻土层间水、冻土层下水、融区水几种类型。其中，冻结层间水少见。对根底开挖影响最大的是冻结层上水。

………………………………………………冻结层上水冻结层下水冻结层间水常年冻结层--隔水层常年冻结层--隔水层多年冻土区的地下水

基坑开挖后冻结层上水沿冻结层顶板渗入基坑形成积水根据冻土总含冰量，多年冻土可分为少冰冻土〔含水量＜12%〕、多冰冻土〔12-18%〕、富冰冻土(18~25%)、饱冰冻土(25-44%)和含土冰层(＞44%)。其中，少冰冻土和多冰冻土统称低含冰冻土，富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层统称为高含冰量冻土。多年冻土分类

青藏直流线路的走势图不同类型冻土的分布特征4多年冻土对铁塔根底的影响冻胀

融沉不良冻土现象

冻土的主要工程问题冻胀：

冻胀是指在土体冻结过程中由于土中水分冻结而产生土体体积膨胀的现象。在天然条件下,由于土质条件、水份条件、冻结条件等的不同,土体的冻胀将是不均匀的。冻土在冻结过程中会对建筑物产生冻胀力，按其作用方向可分为切向冻胀力和水平冻胀力。冻胀力的大小与土的粒度成份和含水量有关。

作用于根底上的冻胀力示意图冻土冻拔作用造成的电杆倒塌

不均匀冻胀上拔造成杆塔角钢扭曲被冻胀拔起的灌注桩基础(海-牙220kVN29号塔)2、融沉融沉是指厚层地下冰及高含冰量冻土层，由于埋藏浅，在地温升高或人工活动影响下，发生融化下沉的现象。冻土融化时，不仅冰转化为水，相变体积会缩小，还会产生孔隙水的消散与排泄。冻土融沉常以热融沉陷和热融滑坍等形式表现，可使铁塔根底发生不均匀下沉、倾覆或者破坏。

3不良地质现象

由于高海拔、气候寒冷以及高原冻土地下冰发育、冻融循环作用等导致冻胀丘、冰锥、热融湖塘、热融滑塌等不良冻土现象广泛分布于输电线路沿线。

冻胀丘是指由于土的差异冻胀作用形成的丘状土体。冻胀丘是多年冻土存在的指示标志。寒冬季节融化层由上而下和由下而上冻结，因过水断面缩小，地下水处于承压状态，同时冻结过程中水向冻结锋面迁移而产生聚冰，使冻结面向下开展，当地下水的压力和冰层膨胀力大于上覆土层强度时，地表就发生隆起，便形成冻胀丘。冻胀丘冻胀丘

冰椎冰丘被鼓破之后，地下水冲出地面边流边冻形成椎状冰体就是冰椎。冰椎热融湖塘由于天然或人为因素的影响，地表植被遭到破坏，地下冰融化使地表沉陷成负地形，并汇积了地表水的洼地为热融湖塘。热融湖塘热融滑塌在多年冻土区坡度为3-16°的缓坡地带，多年冻土在热融过程中由于地下冰融化，在重力作用下缓慢下滑形成热融滑塌。热融滑塌

青藏公路沿线由于人类工程活动影响引发的热融滑塌5多年冻土区主要根底型式及防冻胀措施多年冻土区的设计原那么

多年冻土区主要根底型式及其适用条件多年冻土区铁塔根底的主要防护措施多年冻土区工程设计应遵循三大根本原那么，即保持冻土地基冻结状态原那么；控制局部融化原那么和去除多年冻土原那么。对于输电线路来说，在工程设计中主要采取保持冻土地冻结状态的设计原那么和按地基土融化状态的设计原那么。其中：保持冻土地基冻结状态设计原那么主要适用于厚层地下冰地段和饱冰冻土、含土冰层等属于强融沉、融陷的地段，且多年冻土年平均地温低于-1.0℃。按地基土融化状态设计原那么的地段主要适用于基岩地段、融区地段、和少冰冻土、多冰冻土等不融沉、弱融沉地段，以及富冰冻土中地下冰层分布较均匀的粗颗粒土地段。多年冻土年平均地温在0~-1.0℃，1、多年冻土区的设计原那么锥柱根底：主要适用于低含冰冻土，当用于富冰冻土地基时，立柱外表应采取有效的防冻拔措施。2、多年冻土区主要根底型式及其适用条件灌注桩根底：主要用于高温高含冰量极不稳定多年冻土，也可用于跨河段和其它根底型式无法满足要求的塔位。装配式根底：主要用于低含冰量、弱冻胀的多年冻土。要求交通便利、冬季施工机具能够进场。掏挖根底：主要用于地质条件较好且易掏挖成型的冻土，不适用于强冻胀冻土。人工挖孔根底：主要适用于季节性冻土和多年冻土。要求地基的成孔条件较好。3、多年冻土区铁塔根底的主要防护施：〔1〕换填：采用中砂、粗砂、砾石、卵〔碎〕石等非冻胀性材料进行换填。〔2〕防冻拔措施：在根底外设置玻璃钢模板或润滑油与土工布组合等措施，对于强冻胀且存在腐蚀性的地基优先采用玻璃钢。

基坑换填非冻胀材料用于锥柱根底防冻拔的玻璃钢模板热棒：热棒是一种由碳素无缝钢管制成的内装液氨的高效热导装置，热量只能从地面下端向地面上端传输，反向不能传热。在冬季，热管内工作介质由液态变为气态，带走管内热量；在暖季，热棒那么停止工作。其独特的冷却地温作用使得热棒将成为本工程处理冻土病害、保护冻土的有效措施。

应用于公路的热棒6多年冻土铁塔根底施工难点及分析

青藏直流线路工程施工过程中除了遇到与青藏铁路同样的多年冻土、生态环境脆弱、高原缺氧等难题外，还有本身独特的难题。基坑开挖引起的冻土强烈热扰动问题1、基坑开挖引起的冻土强烈热扰动问题2、冻土根底冬季施工问题3、施工组织困难问题4、夏季施工基坑积水问题基坑开挖引起的冻土强烈热扰动问题：由于铁塔根底是地下工程，根底深入冻土体内，根底开挖会对多年冻土产生强烈的热扰动作用，改变着多年冻土上部季节融化层的热学性质，从而改变了多年冻土的生存环境，使其热稳定性受到扰动，影响上部工程建筑物的稳定性。因此，施工过程中防止冻土热扰动的难度大，地表环境恢复困难。土水混凝土热多年冻土多年冻土冻土扰动后果公路开挖取土后引起的热融滑塌冻土扰动后果公路养路取土引发的热融滑塌，40年未见稳定冻土扰动后果临时行车道压死植被后形成带状塌陷裸露地2、冻土根底施工季节选择问题与青藏铁路不同的是，本工程多年冻土区的大局部根底不得不选择在冬季施工。夏季施工对冻土的热扰动大，基坑成型困难，而且常常会发生基坑积水、坑壁坍塌等问题。

为了减少对冻土的热扰动和施工便利，一些塔位不得不选择冬季施工。即在建立健康与安保系统的情况下,对于一些高含冰量冻土区、沼泽湿地等地段,夏季施工由于机械、地表水分等热扰动会对冻土稳定性造成较大影响、以及机械无法安排施工等地点可考虑在冬季施工。但冬季施工又面临着施工过程中的混凝土质量保证、回填料的质量控制和人员的平安保障等问题

夏季施工冻土基坑成型困难

夏季施工冻土基坑积水严重

夏季施工冻土基坑坍塌严重

冬季施工冻土基坑成型好冻土冻结状态人工开挖成孔冻土冻结状态人工开挖基坑多年冻土施工过程影响剧烈多年冻土水水3、施工组织困难问题

输电线路为点线工程，本工程地处高原地区，高寒缺氧，施工工效低，施工人员及设备组织困难。4、夏季施工的积水问题(1)基坑积水主要为冻结层上水，其次为冻结层冰的融化水。冻结层上水以大气降水补给为主，以悬挂式渗水的形式排入基坑，流量多小于0.5L／Ｓ。

(2)基坑积水如果不及时排出，不仅会造成施工困难，而且会造成坑壁地方坍塌和冻土层强烈的热扰动。(3)基坑地下水的处理有主动措施和被动措施两类主动措施：主要有(1)坑周截水措施，包括防治帷幕、截水槽和截水钢筒或钢板。

(2)降水措施，包括坑周抽水井和井点排水。(3)冻结措施，包括天然冻结和人工冻结。被动措施：抽水

钢筒护壁配合抽水钢筒加混凝土护壁配合抽水7.5根底工程施工完成后，塔基地表要做好排水，不得有积水坑。7.6施工期间加强环保水保工作，减少对周围环境的热扰动，防止诱发次生冻土地质灾害对环境的破坏和对塔基稳定的影响。7.7按保持冻结原那么设计的根底，摸清规律掌握好开挖的时机与时间，在人工开挖的条件下，对厚层地下冰、地表沼泽化或径流量大的地段基坑开挖尽量在天气较为寒冷的季节施工。7.8按容许融化原那么设计的根底，设计要求进行基底换填的按设计进行换填，设计未要求的，铺设厚不小于40cm的碎石垫层。对于在暖季施工融化地下水比较多的基坑，需要采取抽水排水措施，为防止坑壁坍塌应采取挡土板、钢筒或混凝土护壁措施。7.9冻土地区浅根底基坑一般采用机械和人工相结合方式进行开挖，局部地区也可采用爆破的方式开挖，爆破作业采用松动爆破或预裂爆破〔药量按冻土爆破设计原那么控制〕。基坑从开挖到下桩〔浇制〕要连续，必须突出“快〞字7.10桩根底开挖视地质情况采取人工掏挖和机械旋挖相结合的方式。7.11当进入寒季或冬季时必须按照冬季施工措施和负温混凝土措施严格执行。