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【摘要】本文分析了青藏±400kV直流输电线路工程多年冻土的特性、分布，冻土基础施工的特点及难点，在施工过程中遇到的关键技术问题，并提出了相应的解决方案，为我国在高海拔多年冻土地区输变电工程的施工提供了可借鉴的经验。
【关键词】青藏直流线路工程；冻土基础；关键技术
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
“多年冻土基础施工、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和工程技术人员面前头等大事。青藏直流线路工程跨越的多年冻土区，冻结期为8个月以上，工程其建设的特殊性和复杂性在世界上是独一无二的。尤其是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，而铁塔基础的施工质量将直接关系到线路结构的安全性和线路长久稳定可靠运行，尤其是在基坑开挖和混凝土浇筑过程中尽量减少对冻土的扰动是基础稳定的关键。
1 工程概况
青藏交直流联网工程主要包括西宁～日月山～乌兰～格尔木750kV输变电工程、青海格尔木-西藏拉萨±400kV直流输电工程和藏中220kV电网等配套工程三个部分。青藏直流输电线路工程起于青海格尔木换流站，止于西藏拉萨换流站，线路全长1038km，海拔3000～5300m，其中青海段长约616km，西藏段长约422km。全线共用铁塔2361基，设计采用了锥柱基础、掏挖基础、预制装配式基础、灌注桩基础、人工挖孔桩基础、斜柱式基础和直柱大板基础7种基础型式。其中连续多年冻土区长度约550km，共有铁塔1207基，采用的冻土基础型式包括锥柱基础、掏挖基础、预制装配式基础、灌注桩基础、人工挖孔桩基础等5种型式。本工程是世界上穿越多年冻土区最长的输电线路工程，多年冻土关键技术研究是该工程面临的主要问题。可以说，青藏直流工程的成败在于冻土基础的施工关键技术处理的好坏，如果施工处理不当，将给工程留下长久的安全隐患，而且将来的处理难度会十分艰巨，需要高度重视。青藏直流线路路径方案示意图 如图1。
图1青藏直流线路路径方案示意图
2 多年冻土特性、结构
2.1 多年冻土的基本特点
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。同时，施工活动本身对多年冻土易产生较大的扰动，易诱发威胁工程安全的冻融灾害，如以热融过程为主的热融滑塌、融冻泥流等，以冻结过程为主的冻胀丘、冰锥等。另外，冻土具有强烈的冻胀作用，致使工程建筑物产生强烈的冻胀破坏。如在桩基与冻土相互作用过程中易产生强烈的切向冻胀力，致使基础产生强烈的冻拔作用，影响基础的稳定性。作为送变电工程来说，在高含冰量地段各种基础的融化下沉变形和活动层土体冻胀作用，均会造成基础发生强烈的破坏。
2.2 多年冻土的土层结构
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。见多年冻土的土层结构示意图 图2
图2 多年冻土的土层结构示意图
3 多年冻土对输电线路铁塔基础的影响
多年冻土对青藏直流输电线路工程铁塔基础的影响主要是冻胀、融沉和不良冻土现象 见图3
图3 冻土的主要工程问题
3.1冻土的冻胀
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。
作用于基础上的冻胀力示意图见 图4。
图4 作用于基础上的冻胀力示意图
3.2 冻土的融沉
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，可使铁塔基础发生不均匀下沉、倾覆或者破坏。
3.3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。
3.3.1冻胀丘：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凍结锋面迁移而产生聚冰，使冻结面向下发展，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，见图5。
图5 冻胀丘
3.3.2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，见图6。
图6 冰椎图 7热融湖塘
3.3.3 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，见图7。
3.3.4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。
4 多年冻土区主要基础型式及防冻胀措施
4.1 多年冻土区的设计原则
多年冻土区工程设计应遵循三大基本原则，即保持冻土地基冻结状态原则；控制局部融化原则和清除多年冻土原则。对于输电线路来说，在工程设计中主要采取保持冻土地基冻结状态的设计原则和按地基土融化状态的设计原则。其中：保持冻土地基冻结状态设计原则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则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℃。
4.2多年冻土区主要基础型式及其适用条件
4.2.1锥柱基础
主要适用于低含冰冻土，当用于富冰冻土地基时，立柱表面应采取有效的防冻拔措施。
4.2.2灌注桩基础
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基础型式无法满足要求的塔位。
4.2.3 装配式基础
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。
4.2.4掏挖基础
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。
4.2.5 人工挖孔基础
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。
4.3 多年冻土区铁塔基础的主要防护措施
（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：在基础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，见图13。
图13玻璃钢
（3）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，热棒则停止工作。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。
5多年冻土铁塔基础施工难点及分析
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。
5.1 基坑开挖引起的冻土强烈热扰动问题
由于铁塔基础是地下工程，基础深入冻土体内，基础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。
5.2 冻土基础施工季节选择问题
青藏直流线路与青藏铁路不同的是，本工程多年冻土区的大部分基础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安全保障等问题。
5.3 施工组织困难问题
输电线路为点线工程，点多、面广、战线长，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。
5.4 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。
(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。
6冻土基础施工主要关键技术及注意事项
6.1冻土既是一种环境也是一种介质材料，因此 多年冻土区施工要牢记“加强保护减少扰动”的原则。
6.2 应合理安排施工季节和时间，缩短基坑暴露时间，减少对冻土的扰动。基坑开挖前应作好充分准备，基坑开挖成型后及时进行混凝土浇筑和基坑回填，快速完成基础施工。
6.3 严格控制冻土基础回填质量，回填土应以粗颗粒为主，不得将开挖的冻土冰体直接回填。
6.4加强现场地质工代，特别是多年冻土区一些重要塔位如转角塔和耐张塔，基坑开挖后要有地质编录，防止因冻土鉴别和处理不当留下工程隐患。
6.5基础工程施工完成后，塔基地表要做好排水，不得有积水坑。
6.6 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。
6.7按保持冻结原则设计的基础，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；
6.8按容许融化原则设计的基础，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。
6.9冻土地区浅基础基坑一般采用机械和人工相结合方式进行开挖，部分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则控制）。基坑从开挖到下桩（浇制）要连续，必须突出“快”字。
6.10桩基础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多年冻土地区铁塔基坑开挖技术措施
7.1 一般基坑的开挖
一般大开挖锥柱基础采用机械作业，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。基坑在开挖过程中出水量不大的，利用青藏高原特有的昼夜温差来调节施工时间，采用凌晨2点左右进行开挖（由于此时气温较低，在开挖过程中冻土层容易上冻，不易塌方），凌晨4点左右时基坑开挖已完成，立即进行吊装钢筋及模板进行浇制，待冻土层融化时基础浇制已完毕。
为了保护环境，利于施工后環境的及时恢复，开挖前将地表的草皮移植到塔位附近存放，基础回填后将地表用草皮恢复。
7.2 泥水坑的开挖
对于渗水量大且坑壁坍塌的大开挖基坑，开挖时必须使用挡土板加以支撑。开挖时先开口挖下0.3～0.5m，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，边插边打，横撑木间距视土质而定，一般为0.8～1.0m。挡板顶端要有防止打裂的措施，若使用钢板挡土板则更好。挖掘过程中是边挖边下挡土板，要注意观察挡板有无变形及断裂危险。若发现异常应及时更换或者在横撑上加水平顶杠，增强挡土板骨架的刚度，确保挖坑深度达到设计要求。
7.3 掏挖基础的开挖
由于本工程设计有大量的掏挖（桩）基础，孔径都比较大，均采用人工风镐开挖的方式。在施工初期，我们未充分考虑到冻土的难度，未采取任何支护措施的情况下开挖，掏挖孔的成型也比较好。但三四个工作日后，冻土融化，基坑出现滑塌，严重威胁孔底施工人员安全。
为避免类似情况的再度发生，有冻土的基坑在开挖伊始，就严格按每500mm护壁一次，开挖至扩大头部分时采用钢筒护壁。护壁后的坑壁稳定，冻土不易融化，坑内也未见大量出水。可见护壁是保证掏挖（桩）基础施工安全的有效手段。护壁也在整个施工期间，逐渐发展成有钢筒护壁、预制混凝土护壁和现浇混凝土护壁等不同的类型，根据施工现场的实际情况，选择不同类型的护壁，对提高施工进度、节约施工成本都有很大的影响。
7.4 灌注桩基坑开挖
灌注桩基础施工采纳了青藏铁路格拉段施工的成功经验，采用了钻机干法快速成孔。采用大功率旋挖钻机钻孔速度快, 在非岩石地层3m/h 以上, 功效为普通冲击钻机的数倍, 更为可取的是钻机自出碴, 不用泥浆浮碴, 杜绝了泥浆的热量带入。
短螺旋钻头适用于细砂、中砂、砾砂、角砾土, 圆砾土及抗压强度不高的风化、中风化岩层；带导向管的勘岩钻头适用于强度不均匀、易偏孔的地质情况以及风化、中风化岩层; 筒式切削钻头适用于岩层局部破碎、软硬不均、存在孤石与冰层、破碎岩无规律交织, 局部抗压强度极高的地质条件; 普通旋挖筒式钻头适用于冻结层上水较多致使孔内积水较多, 其他钻头提碴困难的地段。因地制宜选择钻头, 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可以大大加快整根桩的施工速度。
8现浇混凝土基础施工
8.1 原材料
（1）水施工用水应选用清洁、硬度低、矿化度低、无腐蚀性、无污染的地表水或泉水，施工前必须进行水质化验，满足水质要求后才能用于混凝土搅拌。
（2）水泥应优先选用硅酸盐或普通硅酸盐水泥，并不得使用火山灰質硅酸盐水泥。根据混凝土的强度设计等级要求，选用不同强度等级的水泥：≥C40级混凝土宜选用42.5MPa的水泥， （3）细骨料细骨料优先选用清洁、级配良好、非碱活性、质地坚硬，不得含有易冻裂的矿物质、细度模数大于2.4的中砂，不得含有冻块，含泥量不得大于3.0%，泥块含量不得大于1.0%。其坚固性重量损失率应不大于10%。
（4）粗骨料粗骨料优先选用清洁、级配良好、非碱活性, 质地坚硬的碎石、卵石或两者的混合物, 最大粒径不得超过40mm。 不得含有冰、雪等冻结物及易冻裂的矿物质。含泥量不得大于1.0%，泥块含量不得大于0.5%，坚固性重量损失率小于5%。
（5）钢筋钢筋的选用根据设计要求进行，规格、标号必须满足规范要求，必须要有出厂合格证和检验报告，钢筋进场前必须进行抽样检验。
8.2 外加剂
根据不同种类混凝土的物理、力学性能和长期耐久性能的要求，现浇基础用高性能耐久混凝土所用的外加剂应选用具有如下多重效能的复合高效外加剂：
一是高效减水。能保证在混凝土的流动在满足施工要求的前提下，最大限度地降低混凝土的水灰比和单方水泥用量，从而提高混凝土的一系列耐久性能，有效降低混凝土的水化热温度。
二是早强。可促进水泥的水化反应，提高混凝土早期抵抗冰晶应力破坏的能力。
三是防冻。可降低混凝土毛细孔中水的冰点，转变冰晶的晶形结构，从而有效地抑制或降低毛细水冰晶应力的破坏作用。
四是引气。可在混凝土中引入分布均匀的封闭小孔，可以有效地缓冲冻融过程中冰晶应力对混凝土造成的疲劳破坏作用。
五是增实。可以细化水泥石的孔结构，从而过一步改善混凝土的抗渗性、抗冻性以及其它耐久性能。
六是保坍。即适当延长混凝土的初凝时间，又能明显缩短混凝土的初、终凝时间差，因而既能减少混凝土在入模过程中的坍落损失，又能保证一旦浇灌完毕，混凝土能迅速凝结硬化，从而获得足够的抗冻临界强度。
8.3 配合比
（1） 根据不同冻土地段、不同环境条件、不同温度范围以及不同地质、骨料不同产地的具体要求进行混凝土配合比设计，并经过试验验证。
（2）按设计强度和耐久性要求计算出不同条件下混凝土的理论配合比。
（3）正常施工期间，每班搅拌混凝土之前，应根据当前班测定的骨料含水率随时调整混凝土的施工配合比。骨料含水率测定频率可视天气情况酌情增减。
8.4 混凝土拌制
（1）掺外加剂的混凝土应尽量采用机械搅拌。搅拌时间宜为3～6min 。
（2）根据青藏高原的气候特点、为保证混凝土浇筑的质量要求，搅拌混凝土需要加热混凝土骨料及拌合用水。应优先采用加热水的预热方法，但水的加热温度宜≤80℃。当骨料中含有冰、雪等物，加热水也不能满足要求时，可将骨料均匀地进行加热，其加热温度应≤60℃。水泥、外加剂及掺合料不得直接加热，可在使用前采用暖棚进行预热。
（3）混凝土搅拌前，应对搅拌机进行预热。混凝土搅拌中，不得将50℃以上的热水与水泥直接接触进行搅拌，防止混凝土造成流动性降低或水泥速凝与假凝的现象。正确的次序应是：先将粗、细骨料投入搅拌机中与热水进行搅拌30秒钟，降低拌合水的温度，提高骨料的温度，然后再加入水泥与外加剂搅拌120秒钟左右。
8.5 混凝土浇筑
浇筑时，混凝土的入模温度宜控制在2～5℃，浇筑结束后，若需要采用插式振捣器振捣混凝土，应迅速进行振捣，且振捣时间不宜超1min。
浇筑过程尽量采用机械设备，以减轻施工人员劳动强度，缩短混凝土浇筑时间，保证混凝土浇筑质量。
8.6 养护
混凝土养护是冬期施工中尤为关键的环节，施工单位在混凝土浇筑前，应首先根据混凝土作业量，备足保温防风材料。
（1） -15℃以上气温条件下，可采用一层塑料布+ 一层保温棉毡进行防风保温。
（2）-15℃以下气温条件下，应采用一层或二层塑料布+二层保温棉毡进行防风保温。
（3）保温材料不得受潮，否则会失去保温的效果，施工单位应注意在贮存与施工过程中的保管。
（4）对于混凝土结构的迎风面、棱角突出部位、不易蓄热部位，应加强保温措施，并加强温度的监测。
（5）冬期施工中，任何时候都不得在混凝土表面浇水养护。为防止混凝土水化热的散失，应在混凝土浇筑完毕后及时用防风材料（塑料布）进行围护。
（6）混凝土养护过程中温度的监测：
按JGJ104-97的规定，混凝土在达到抗冻临界强度之前，每2h测量一次，在达到抗冻临界强度之后，每6h测量一次（具体温度要求按本规程执行）。
（7）为保证混凝土的强度持续发展，满足验收龄期的要求，混凝土在达到抗冻临界强度后，不得将混凝土直接暴露于环境中，应继续保温养护至达到设计规定强度。
8.7 冻土基坑回填
冻土地基的回填是本工程施工的重点和难点，回填质量的好坏关系到塔基的稳定性,因此对大开挖地基必须要用未冻结的细颗粒土分层夯实回填，密实度不得小于80%，严禁用冻土块回填。
（1）冻土区基础拆模后，应及时回填。回填土应夯实，每层厚度300厘米，回填土应高出地面500毫米做防沉层，并保持不小于5%的坡度。当采用玻璃钢模板时，随基础浇制高度进展同时回填。
（2）填方应尽量采用同类土填筑，并控制适宜含水量，当采用不同的土填筑时，应按类有规则地分层铺填，将透水性较大的土层置于透水性较小的土层之下，不得混杂使用，以利水分排除和基土稳定，并避免在填方内形成水囊和滑动现象。
（3）填方应从填方区最低处开始，由下向上水平分层铺填。填土层下淤泥，杂物、冰块应清除干净，为耕土或松土时，应先夯实，然后再全面填筑。在地形起伏之处，应修筑1︰2阶梯形边坡（每台阶高可取50厘米，宽100厘米）。
（4）人力打夯要按一定方向进行，打夯时应一夯压半夯，夯夯相接，行行相连，每遍纵横交叉，分层夯打，夯实基槽及地坪时，行夯线路应由四边开始，然后再夯中间。
（5）填土区如有地下水或滞水时，应在四周设置排水沟和集水井，将水位降低。已填好的土如遇水浸，应把稀泥铲除后，方能进行下一道工序。填土区应保持一定横坡以利排水，并尽可能做到当天填土，当天压实。
（6）基坑回填应在相对两侧或四周同时进行。
9 结束语
青藏交直流联网工程是当前国家电网公司电网建设最重要的工程项目，也是国家十二五重点项目之一。通过冻土基础施工关键技术的研究，填补了我国在高海拔、多年冻土地区输变电工程建设的空白，为以后类似的高海拔工程积累了施工经验。青藏高原具有独特的高原（缺氧）、冻土问题，由此带来一系列复杂的施工技术难题。在青藏±400kV直流联网工程的施工实践中，我们在多年冻土区基坑开挖、严寒大温差地区混凝土施技术等方面取得了一定的成功经验, 但多年冻土施工仍是一个新领域、新课题, 对它们的认识有一个逐步加深的过程, 我们一而需要根据基础在经过一个冻融循环后的情况还需要做进一步的深入研究。
参 考 文 献
高海拔多年冻土地区输电线路杆塔基础施工工艺导则
青藏±400kV输电线路铁塔基础施工图，西北电力设计院
作者：王成辉 1973男大专 工程师 研究方向 输变电工程施工
【关键词】青藏直流线路工程；冻土基础；关键技术
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
“多年冻土基础施工、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和工程技术人员面前头等大事。青藏直流线路工程跨越的多年冻土区，冻结期为8个月以上，工程其建设的特殊性和复杂性在世界上是独一无二的。尤其是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，而铁塔基础的施工质量将直接关系到线路结构的安全性和线路长久稳定可靠运行，尤其是在基坑开挖和混凝土浇筑过程中尽量减少对冻土的扰动是基础稳定的关键。
1 工程概况
青藏交直流联网工程主要包括西宁～日月山～乌兰～格尔木750kV输变电工程、青海格尔木-西藏拉萨±400kV直流输电工程和藏中220kV电网等配套工程三个部分。青藏直流输电线路工程起于青海格尔木换流站，止于西藏拉萨换流站，线路全长1038km，海拔3000～5300m，其中青海段长约616km，西藏段长约422km。全线共用铁塔2361基，设计采用了锥柱基础、掏挖基础、预制装配式基础、灌注桩基础、人工挖孔桩基础、斜柱式基础和直柱大板基础7种基础型式。其中连续多年冻土区长度约550km，共有铁塔1207基，采用的冻土基础型式包括锥柱基础、掏挖基础、预制装配式基础、灌注桩基础、人工挖孔桩基础等5种型式。本工程是世界上穿越多年冻土区最长的输电线路工程，多年冻土关键技术研究是该工程面临的主要问题。可以说，青藏直流工程的成败在于冻土基础的施工关键技术处理的好坏，如果施工处理不当，将给工程留下长久的安全隐患，而且将来的处理难度会十分艰巨，需要高度重视。青藏直流线路路径方案示意图 如图1。
图1青藏直流线路路径方案示意图
2 多年冻土特性、结构
2.1 多年冻土的基本特点
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。同时，施工活动本身对多年冻土易产生较大的扰动，易诱发威胁工程安全的冻融灾害，如以热融过程为主的热融滑塌、融冻泥流等，以冻结过程为主的冻胀丘、冰锥等。另外，冻土具有强烈的冻胀作用，致使工程建筑物产生强烈的冻胀破坏。如在桩基与冻土相互作用过程中易产生强烈的切向冻胀力，致使基础产生强烈的冻拔作用，影响基础的稳定性。作为送变电工程来说，在高含冰量地段各种基础的融化下沉变形和活动层土体冻胀作用，均会造成基础发生强烈的破坏。
2.2 多年冻土的土层结构
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。见多年冻土的土层结构示意图 图2
图2 多年冻土的土层结构示意图
3 多年冻土对输电线路铁塔基础的影响
多年冻土对青藏直流输电线路工程铁塔基础的影响主要是冻胀、融沉和不良冻土现象 见图3
图3 冻土的主要工程问题
3.1冻土的冻胀
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。
作用于基础上的冻胀力示意图见 图4。
图4 作用于基础上的冻胀力示意图
3.2 冻土的融沉
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，可使铁塔基础发生不均匀下沉、倾覆或者破坏。
3.3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。
3.3.1冻胀丘：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凍结锋面迁移而产生聚冰，使冻结面向下发展，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，见图5。
图5 冻胀丘
3.3.2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，见图6。
图6 冰椎图 7热融湖塘
3.3.3 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，见图7。
3.3.4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。
4 多年冻土区主要基础型式及防冻胀措施
4.1 多年冻土区的设计原则
多年冻土区工程设计应遵循三大基本原则，即保持冻土地基冻结状态原则；控制局部融化原则和清除多年冻土原则。对于输电线路来说，在工程设计中主要采取保持冻土地基冻结状态的设计原则和按地基土融化状态的设计原则。其中：保持冻土地基冻结状态设计原则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则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℃。
4.2多年冻土区主要基础型式及其适用条件
4.2.1锥柱基础
主要适用于低含冰冻土，当用于富冰冻土地基时，立柱表面应采取有效的防冻拔措施。
4.2.2灌注桩基础
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基础型式无法满足要求的塔位。
4.2.3 装配式基础
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。
4.2.4掏挖基础
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。
4.2.5 人工挖孔基础
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。
4.3 多年冻土区铁塔基础的主要防护措施
（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：在基础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，见图13。
图13玻璃钢
（3）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，热棒则停止工作。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。
5多年冻土铁塔基础施工难点及分析
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。
5.1 基坑开挖引起的冻土强烈热扰动问题
由于铁塔基础是地下工程，基础深入冻土体内，基础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。
5.2 冻土基础施工季节选择问题
青藏直流线路与青藏铁路不同的是，本工程多年冻土区的大部分基础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安全保障等问题。
5.3 施工组织困难问题
输电线路为点线工程，点多、面广、战线长，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。
5.4 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。
(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。
6冻土基础施工主要关键技术及注意事项
6.1冻土既是一种环境也是一种介质材料，因此 多年冻土区施工要牢记“加强保护减少扰动”的原则。
6.2 应合理安排施工季节和时间，缩短基坑暴露时间，减少对冻土的扰动。基坑开挖前应作好充分准备，基坑开挖成型后及时进行混凝土浇筑和基坑回填，快速完成基础施工。
6.3 严格控制冻土基础回填质量，回填土应以粗颗粒为主，不得将开挖的冻土冰体直接回填。
6.4加强现场地质工代，特别是多年冻土区一些重要塔位如转角塔和耐张塔，基坑开挖后要有地质编录，防止因冻土鉴别和处理不当留下工程隐患。
6.5基础工程施工完成后，塔基地表要做好排水，不得有积水坑。
6.6 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。
6.7按保持冻结原则设计的基础，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；
6.8按容许融化原则设计的基础，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。
6.9冻土地区浅基础基坑一般采用机械和人工相结合方式进行开挖，部分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则控制）。基坑从开挖到下桩（浇制）要连续，必须突出“快”字。
6.10桩基础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多年冻土地区铁塔基坑开挖技术措施
7.1 一般基坑的开挖
一般大开挖锥柱基础采用机械作业，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。基坑在开挖过程中出水量不大的，利用青藏高原特有的昼夜温差来调节施工时间，采用凌晨2点左右进行开挖（由于此时气温较低，在开挖过程中冻土层容易上冻，不易塌方），凌晨4点左右时基坑开挖已完成，立即进行吊装钢筋及模板进行浇制，待冻土层融化时基础浇制已完毕。
为了保护环境，利于施工后環境的及时恢复，开挖前将地表的草皮移植到塔位附近存放，基础回填后将地表用草皮恢复。
7.2 泥水坑的开挖
对于渗水量大且坑壁坍塌的大开挖基坑，开挖时必须使用挡土板加以支撑。开挖时先开口挖下0.3～0.5m，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，边插边打，横撑木间距视土质而定，一般为0.8～1.0m。挡板顶端要有防止打裂的措施，若使用钢板挡土板则更好。挖掘过程中是边挖边下挡土板，要注意观察挡板有无变形及断裂危险。若发现异常应及时更换或者在横撑上加水平顶杠，增强挡土板骨架的刚度，确保挖坑深度达到设计要求。
7.3 掏挖基础的开挖
由于本工程设计有大量的掏挖（桩）基础，孔径都比较大，均采用人工风镐开挖的方式。在施工初期，我们未充分考虑到冻土的难度，未采取任何支护措施的情况下开挖，掏挖孔的成型也比较好。但三四个工作日后，冻土融化，基坑出现滑塌，严重威胁孔底施工人员安全。
为避免类似情况的再度发生，有冻土的基坑在开挖伊始，就严格按每500mm护壁一次，开挖至扩大头部分时采用钢筒护壁。护壁后的坑壁稳定，冻土不易融化，坑内也未见大量出水。可见护壁是保证掏挖（桩）基础施工安全的有效手段。护壁也在整个施工期间，逐渐发展成有钢筒护壁、预制混凝土护壁和现浇混凝土护壁等不同的类型，根据施工现场的实际情况，选择不同类型的护壁，对提高施工进度、节约施工成本都有很大的影响。
7.4 灌注桩基坑开挖
灌注桩基础施工采纳了青藏铁路格拉段施工的成功经验，采用了钻机干法快速成孔。采用大功率旋挖钻机钻孔速度快, 在非岩石地层3m/h 以上, 功效为普通冲击钻机的数倍, 更为可取的是钻机自出碴, 不用泥浆浮碴, 杜绝了泥浆的热量带入。
短螺旋钻头适用于细砂、中砂、砾砂、角砾土, 圆砾土及抗压强度不高的风化、中风化岩层；带导向管的勘岩钻头适用于强度不均匀、易偏孔的地质情况以及风化、中风化岩层; 筒式切削钻头适用于岩层局部破碎、软硬不均、存在孤石与冰层、破碎岩无规律交织, 局部抗压强度极高的地质条件; 普通旋挖筒式钻头适用于冻结层上水较多致使孔内积水较多, 其他钻头提碴困难的地段。因地制宜选择钻头, 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可以大大加快整根桩的施工速度。
8现浇混凝土基础施工
8.1 原材料
（1）水施工用水应选用清洁、硬度低、矿化度低、无腐蚀性、无污染的地表水或泉水，施工前必须进行水质化验，满足水质要求后才能用于混凝土搅拌。
（2）水泥应优先选用硅酸盐或普通硅酸盐水泥，并不得使用火山灰質硅酸盐水泥。根据混凝土的强度设计等级要求，选用不同强度等级的水泥：≥C40级混凝土宜选用42.5MPa的水泥，
（4）粗骨料粗骨料优先选用清洁、级配良好、非碱活性, 质地坚硬的碎石、卵石或两者的混合物, 最大粒径不得超过40mm。 不得含有冰、雪等冻结物及易冻裂的矿物质。含泥量不得大于1.0%，泥块含量不得大于0.5%，坚固性重量损失率小于5%。
（5）钢筋钢筋的选用根据设计要求进行，规格、标号必须满足规范要求，必须要有出厂合格证和检验报告，钢筋进场前必须进行抽样检验。
8.2 外加剂
根据不同种类混凝土的物理、力学性能和长期耐久性能的要求，现浇基础用高性能耐久混凝土所用的外加剂应选用具有如下多重效能的复合高效外加剂：
一是高效减水。能保证在混凝土的流动在满足施工要求的前提下，最大限度地降低混凝土的水灰比和单方水泥用量，从而提高混凝土的一系列耐久性能，有效降低混凝土的水化热温度。
二是早强。可促进水泥的水化反应，提高混凝土早期抵抗冰晶应力破坏的能力。
三是防冻。可降低混凝土毛细孔中水的冰点，转变冰晶的晶形结构，从而有效地抑制或降低毛细水冰晶应力的破坏作用。
四是引气。可在混凝土中引入分布均匀的封闭小孔，可以有效地缓冲冻融过程中冰晶应力对混凝土造成的疲劳破坏作用。
五是增实。可以细化水泥石的孔结构，从而过一步改善混凝土的抗渗性、抗冻性以及其它耐久性能。
六是保坍。即适当延长混凝土的初凝时间，又能明显缩短混凝土的初、终凝时间差，因而既能减少混凝土在入模过程中的坍落损失，又能保证一旦浇灌完毕，混凝土能迅速凝结硬化，从而获得足够的抗冻临界强度。
8.3 配合比
（1） 根据不同冻土地段、不同环境条件、不同温度范围以及不同地质、骨料不同产地的具体要求进行混凝土配合比设计，并经过试验验证。
（2）按设计强度和耐久性要求计算出不同条件下混凝土的理论配合比。
（3）正常施工期间，每班搅拌混凝土之前，应根据当前班测定的骨料含水率随时调整混凝土的施工配合比。骨料含水率测定频率可视天气情况酌情增减。
8.4 混凝土拌制
（1）掺外加剂的混凝土应尽量采用机械搅拌。搅拌时间宜为3～6min 。
（2）根据青藏高原的气候特点、为保证混凝土浇筑的质量要求，搅拌混凝土需要加热混凝土骨料及拌合用水。应优先采用加热水的预热方法，但水的加热温度宜≤80℃。当骨料中含有冰、雪等物，加热水也不能满足要求时，可将骨料均匀地进行加热，其加热温度应≤60℃。水泥、外加剂及掺合料不得直接加热，可在使用前采用暖棚进行预热。
（3）混凝土搅拌前，应对搅拌机进行预热。混凝土搅拌中，不得将50℃以上的热水与水泥直接接触进行搅拌，防止混凝土造成流动性降低或水泥速凝与假凝的现象。正确的次序应是：先将粗、细骨料投入搅拌机中与热水进行搅拌30秒钟，降低拌合水的温度，提高骨料的温度，然后再加入水泥与外加剂搅拌120秒钟左右。
8.5 混凝土浇筑
浇筑时，混凝土的入模温度宜控制在2～5℃，浇筑结束后，若需要采用插式振捣器振捣混凝土，应迅速进行振捣，且振捣时间不宜超1min。
浇筑过程尽量采用机械设备，以减轻施工人员劳动强度，缩短混凝土浇筑时间，保证混凝土浇筑质量。
8.6 养护
混凝土养护是冬期施工中尤为关键的环节，施工单位在混凝土浇筑前，应首先根据混凝土作业量，备足保温防风材料。
（1） -15℃以上气温条件下，可采用一层塑料布+ 一层保温棉毡进行防风保温。
（2）-15℃以下气温条件下，应采用一层或二层塑料布+二层保温棉毡进行防风保温。
（3）保温材料不得受潮，否则会失去保温的效果，施工单位应注意在贮存与施工过程中的保管。
（4）对于混凝土结构的迎风面、棱角突出部位、不易蓄热部位，应加强保温措施，并加强温度的监测。
（5）冬期施工中，任何时候都不得在混凝土表面浇水养护。为防止混凝土水化热的散失，应在混凝土浇筑完毕后及时用防风材料（塑料布）进行围护。
（6）混凝土养护过程中温度的监测：
按JGJ104-97的规定，混凝土在达到抗冻临界强度之前，每2h测量一次，在达到抗冻临界强度之后，每6h测量一次（具体温度要求按本规程执行）。
（7）为保证混凝土的强度持续发展，满足验收龄期的要求，混凝土在达到抗冻临界强度后，不得将混凝土直接暴露于环境中，应继续保温养护至达到设计规定强度。
8.7 冻土基坑回填
冻土地基的回填是本工程施工的重点和难点，回填质量的好坏关系到塔基的稳定性,因此对大开挖地基必须要用未冻结的细颗粒土分层夯实回填，密实度不得小于80%，严禁用冻土块回填。
（1）冻土区基础拆模后，应及时回填。回填土应夯实，每层厚度300厘米，回填土应高出地面500毫米做防沉层，并保持不小于5%的坡度。当采用玻璃钢模板时，随基础浇制高度进展同时回填。
（2）填方应尽量采用同类土填筑，并控制适宜含水量，当采用不同的土填筑时，应按类有规则地分层铺填，将透水性较大的土层置于透水性较小的土层之下，不得混杂使用，以利水分排除和基土稳定，并避免在填方内形成水囊和滑动现象。
（3）填方应从填方区最低处开始，由下向上水平分层铺填。填土层下淤泥，杂物、冰块应清除干净，为耕土或松土时，应先夯实，然后再全面填筑。在地形起伏之处，应修筑1︰2阶梯形边坡（每台阶高可取50厘米，宽100厘米）。
（4）人力打夯要按一定方向进行，打夯时应一夯压半夯，夯夯相接，行行相连，每遍纵横交叉，分层夯打，夯实基槽及地坪时，行夯线路应由四边开始，然后再夯中间。
（5）填土区如有地下水或滞水时，应在四周设置排水沟和集水井，将水位降低。已填好的土如遇水浸，应把稀泥铲除后，方能进行下一道工序。填土区应保持一定横坡以利排水，并尽可能做到当天填土，当天压实。
（6）基坑回填应在相对两侧或四周同时进行。
9 结束语
青藏交直流联网工程是当前国家电网公司电网建设最重要的工程项目，也是国家十二五重点项目之一。通过冻土基础施工关键技术的研究，填补了我国在高海拔、多年冻土地区输变电工程建设的空白，为以后类似的高海拔工程积累了施工经验。青藏高原具有独特的高原（缺氧）、冻土问题，由此带来一系列复杂的施工技术难题。在青藏±400kV直流联网工程的施工实践中，我们在多年冻土区基坑开挖、严寒大温差地区混凝土施技术等方面取得了一定的成功经验, 但多年冻土施工仍是一个新领域、新课题, 对它们的认识有一个逐步加深的过程, 我们一而需要根据基础在经过一个冻融循环后的情况还需要做进一步的深入研究。
参 考 文 献
高海拔多年冻土地区输电线路杆塔基础施工工艺导则
青藏±400kV输电线路铁塔基础施工图，西北电力设计院
作者：王成辉 1973男大专 工程师 研究方向 输变电工程施工