超高海拔嚴(yán)寒地區(qū)季節(jié)性凍土基礎(chǔ)施工技術(shù)

張霞軍，焦 挺，舒小建，趙 俊

1.浙江省建工集團有限責(zé)任公司，浙江杭州310012

2.浙江省一建建設(shè)集團有限公司，浙江杭州310013

0 引 言

季節(jié)性凍土［1］是地殼表層冬季凍結(jié)而在夏季又全部融化的土，受季節(jié)性的影響，因其周期性的凍結(jié)、融化，對地基的穩(wěn)定性影響較大。我國的季節(jié)性凍土主要分布在長江流域以北，東北多年凍土南界以南和高海拔多年凍土下界以下的廣大地區(qū)，面積達(dá)到514 萬km2。季節(jié)性凍土作為建筑物地基，對建筑物基礎(chǔ)的影響主要是凍脹和融沉。凍脹是由于土中水變成冰時的體積膨脹，引起土顆粒間的相對位移所產(chǎn)生的土體積膨脹，季節(jié)性凍土在凍結(jié)時具有較高的強度和較低的壓縮性。融沉是指在溫度升高季節(jié)，凍結(jié)土體在融化過程產(chǎn)生的變形，凍土融化后則承載力大大降低，壓縮性增高，地基容易產(chǎn)生沉陷。于東彬等［2］對高寒季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍脹研究發(fā)現(xiàn)，影響路基凍脹最主要的三大因素是土質(zhì)、含水量和溫度，解決路基凍脹方案均圍繞此三要素開展。張豐帆［3］的研究提出了季節(jié)性凍土防凍脹措施，只要消除土質(zhì)、溫度、水這三個因素中的一個，就能達(dá)到防治目的，工程防凍脹措施總體可以分為兩個方面：一方面是地基土的改良；另一方面是基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)物抗凍脹。

1 工程概況

那曲浙江小區(qū)一期工程是浙江省援建西藏那曲最大的保障房住宅小區(qū)項目，由浙江省對口支援西藏那曲地區(qū)指揮部建設(shè)，位于西藏自治區(qū)北部草原腹地那曲市色尼區(qū)，地理位置為東經(jīng)92°03′、北緯31°28′，那曲市色尼區(qū)南距西藏自治區(qū)首府拉薩市317 km，北距青海省格爾木市848 km，東距昌都地區(qū)707 km，西距阿里地區(qū)獅泉河831 km，平均海拔4 570 m，按照我國常用海拔高度分級標(biāo)準(zhǔn)［4］，3 500～5 500 m 為超高海拔地區(qū)，是世界上8 個海拔最高的城鎮(zhèn)之一。那曲浙江小區(qū)一期工程由78幢2～4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋、商鋪組成，住房有483 套，總建筑面積為77 021 m2，合同工期255日歷天。見圖1～3。

圖1 那曲浙江小區(qū)一期工程商住樓基礎(chǔ)平面布置

圖2 那曲浙江小區(qū)一期工程沿街效果

圖3 那曲浙江小區(qū)一期工程實景

3）工程項目所在的超高海拔嚴(yán)寒地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，適宜的作業(yè)施工時間短，氣候條件不利于作業(yè)人員長時間作業(yè)，且當(dāng)?shù)貏趧恿Y源匱乏，人工開挖高強度作業(yè)不太適合。在此海拔高度的個體差異決定了能否適應(yīng)此環(huán)境，對常年居住在低海拔地區(qū)的人，到達(dá)超高海拔地區(qū)是一種生理和心理上的適應(yīng)和挑戰(zhàn)。

2 工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)情況

工程項目場地勘探深度范圍內(nèi)，地層主要由第四系全新統(tǒng)的松散堆積物和上白堊系多尼組（K1d）的泥巖組成（表1）。

表1 場地地層劃分及承載力標(biāo)準(zhǔn)值

場地的地下水為上層滯水和孔隙潛水，主要由大氣降水的垂直滲入補給，冰雪融水入滲和場地附近次曲河水的側(cè)向補給。根據(jù)勘察單位提供的地勘報告，非凍結(jié)時期含水層的滲透系數(shù)為15 m/d，單井涌水量約300 m3/d，地下水埋藏深度0.31～1.67 m，且受地形、巖性的影響表現(xiàn)出北深南淺、西深東淺的埋藏特征。地下水在雨季上升，枯水期下降，動態(tài)變化較大。

3 施工特點與難點

根據(jù)巖土工程勘察報告，擬建工程區(qū)域土壤為季節(jié)性凍土，最大凍土深度達(dá)2.81 m，為不凍脹土、弱融沉土；凍脹等級為Ⅰ級，融沉等級為Ⅱ級。雖然季節(jié)性凍土為不凍脹土，但在溫度低于0 ℃以下時，土壤內(nèi)的水凍結(jié)成冰，將土壤中的礦物顆粒黏結(jié)在一起，相比凍結(jié)前土體強度增大，造成土方開挖困難。溫度升高時凍土融化，土體內(nèi)含水量增加，土方開挖后基坑容易坍塌。季節(jié)性凍土施工面臨著以下難題：

1）工程項目所在地為高原亞寒帶半濕潤氣候，高寒缺氧，氣候干燥，日照時間長，晝夜溫差大。適宜的施工作業(yè)時間在每年的5～10 月，而降水量主要集中在6～9月，約占全年的90.6%，施工期間多雨水。工期任務(wù)節(jié)點要求高，項目開工后在規(guī)定時間內(nèi)完成交房任務(wù)，施工時間緊任務(wù)重，基坑工序交叉搭接流水作業(yè)提出新的要求。

2）季節(jié)性凍土一般采取破碎或融化后開挖，常見有人工法、機械法和爆破法。人工開挖季節(jié)性凍土適用基坑開挖面積較小，場地狹窄地帶；爆破法適用于凍土層較厚，偏遠(yuǎn)地帶大面積土方開挖；機械開挖方法常見，需要有合適的機械裝備。

4）工程項目所在地冬季最大凍土深度2.81 m，設(shè)計的矩形獨立柱基礎(chǔ)-3.4 m，基礎(chǔ)開挖深度超過3 m且地下水豐富，基礎(chǔ)開挖需要穿越凍土層，施工時的氣候條件復(fù)雜，一日多變，剛剛還是晴朗的好天，轉(zhuǎn)眼間就是烏云遮日雪花漫天，施工應(yīng)急處置要求較高。

4 施工技術(shù)措施

4.1 土方開挖方案

凍土開挖采用爆破法是一種最經(jīng)濟實用的開挖方法，在空曠野外地帶受到限制條件少便于施工被普遍采用。由于本項目施工現(xiàn)場附近有居民區(qū)，必須保證人員和房屋安全，因而無法采用爆破法進行土方開挖。項目場地內(nèi)賦存第四系上層滯水，水位較高，房屋建筑設(shè)計為獨立柱基礎(chǔ)，考慮實際的施工操作面，以及整體的施工進度要求，單個獨立基礎(chǔ)依次開挖，無法滿足項目整體施工進度，結(jié)合工程進度及基坑排水需要，采用自然放坡的基坑整體大開挖方案。

4.2 機械設(shè)備選擇

超高海拔地區(qū)空氣稀薄，含氧量低，氣溫低，紫外線強度高，惡劣的氣候環(huán)境容易造成機械設(shè)備的燃油消耗增大，工作效率降低，磨損增大，機械設(shè)備使用壽命縮短。經(jīng)過當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有機械裝備綜合考察比選，采用PC240型挖掘機，鏟斗最大挖掘力152 000 N，最大挖掘深度6 095 mm，該挖掘設(shè)備具有功率大，操控性能優(yōu)越，適應(yīng)性強等優(yōu)點，在超高海拔嚴(yán)寒高原地區(qū)工作性能穩(wěn)定。

4.3 基坑排水

超高海拔嚴(yán)寒地區(qū)那曲鎮(zhèn)的10 月至次年的4月為冰凍期，每年10月31日至次年4月30日為冬季停工期，降水主要集中在6月至9 月，因此土方開挖過程中面臨雨水多，基坑排水是挖土過程中的一個重要環(huán)節(jié)。場地含水層的滲透系數(shù)為15 m/d，單井涌水量約300 m3/d，地下水埋藏深度0.31～1.67 m，采用大井法［5］計算基坑涌水量，在基坑底用水泵抽水，取基坑L=60 m，B=14.3 m，經(jīng)計算得到基坑涌水量Q=55.14 m3/d。選用100YW100-17型污水泵，設(shè)計排水量Q=100 m3/h，考慮實際功效的損失，可滿足基坑開挖過程中的排水需求。

4.4 土方開挖

土方開挖前，復(fù)測現(xiàn)場的定位軸線、水準(zhǔn)點、基坑開挖邊線。工程項目附近的色里尼曲河自東向西穿過那曲市區(qū)，場地含水層表現(xiàn)出北深南淺、西深東淺的埋藏特征，因而整個施工場地區(qū)域按照從東向西、東北方向先行開挖，單個基坑大開挖完成后逐步依次推進的大開挖方案。

根據(jù)季節(jié)性凍土的特性，溫度低時土層凍結(jié)開挖困難，先采用液壓鑿巖機進行破碎、松動，再利用液壓挖掘機配合挖土。PC240型挖掘機順著基坑倒退開挖的方法，充分利用挖掘機的松動和挖掘能力，凍土層用鑿巖機分段分層進行破碎，破碎厚度500～800 mm，上一層破碎松動完成后用挖掘機清理，然后進行下一層的破碎挖掘，直到挖掘至設(shè)計基礎(chǔ)深度要求。破碎挖掘的凍土須及時清理運輸。

溫度升高季節(jié)性凍土融化后，直接采用挖掘機分段分層開挖，基坑底機械輔以人工修整。根據(jù)土層情況采用1∶0.75 的坡度（圖4），開挖深度1.5～3 m。開挖基坑四周控制荷載，堆土在基坑邊緣1 m以外且不超高1.5 m。土方開挖從地下水位較高的一側(cè)開始，挖到基坑底后設(shè)置集水坑，放入水泵直接排水，挖土過程中修整基坑底四周的排水溝，坑底積水由排水溝流向集水坑，通過集水坑連續(xù)不間斷地排水，保證基坑內(nèi)不積水（圖5、圖6）。土方開挖基坑底預(yù)留200～300 mm 的土層，采用機械配合人工開挖修整，以③2層密圓礫或④1層全風(fēng)化泥巖作為基礎(chǔ)持力層。開挖至基坑底設(shè)計標(biāo)高，未達(dá)到設(shè)計持力層的極少數(shù)部位，經(jīng)設(shè)計、地勘現(xiàn)場地基驗槽，用C20素混凝土回填至設(shè)計的基底標(biāo)高。

圖4 基坑剖面

圖5 基坑開挖

圖6 基坑開挖排水

4.5 季節(jié)性凍土回填

為了消除季節(jié)性凍土的凍脹和融沉，一般設(shè)計在基礎(chǔ)地梁下部設(shè)置防凍梁，回填松散的爐渣材料［6］，減輕對基礎(chǔ)的破壞作用，從構(gòu)造方面對凍脹進行處理，但防凍梁的施工增加了施工難度，爐渣材料因為受到地域限制，現(xiàn)場采購比較困難，經(jīng)設(shè)計驗算復(fù)核后采用換填法，消除季節(jié)性凍土的破壞作用。用透水性較好的砂石料置換開挖的凍土［7］，置換砂石土層一方面起到隔離作用，透水性好的顆粒土空隙大，形成的毛細(xì)水管少，減少了地下水的上升，降低了凍脹的產(chǎn)生；另一方面凍土被置換后消除了凍脹力（圖7）。天然級配砂石為當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?，不需要?jīng)過特殊的加工處理，分層碾壓回填，置換填土操作簡單，就地取材便于施工，相比其他措施節(jié)省工程造價。

圖7 基坑換填砂石料回填

回填前連續(xù)排水，保持基坑內(nèi)無積水，組織基礎(chǔ)和隱蔽工程的檢查驗收，并對天然砂石料級配進行現(xiàn)場檢查，須符合設(shè)計及施工驗收規(guī)范要求。砂石料的回填采用機械鏟運、機械壓實、人工配合的施工工藝，分層回填厚度300～500 mm，利用LW520F裝載機將砂石料運輸?shù)交觾?nèi)，根據(jù)設(shè)定的標(biāo)高定位點控制回填土層厚度，采用平行推進法回填?，F(xiàn)場試驗后用壓路機往復(fù)碾壓3～4遍，慢速均勻碾壓，碾壓不到的邊緣轉(zhuǎn)角部位采用人工打夯機夯擊密實。

分層回填碾壓后進行密實度試驗，回填的壓實系數(shù)不小于0.94，符合要求后進行下一道工序。由于當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境多變，雨水較多，需要回填碾壓，連續(xù)不間斷作業(yè)，并做好臨時遮雨和排水措施，氣溫低于5 ℃時回填作業(yè)。

5 結(jié) 論

超高海拔嚴(yán)寒地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，季節(jié)性凍土的現(xiàn)場施工存在一定的困難，須了解季節(jié)性凍土的土性特征，根據(jù)不同的季節(jié)性凍土的特性和現(xiàn)場的實際情況制訂施工方案，選用合理的施工工藝和施工時間是關(guān)鍵。結(jié)合那曲浙江小區(qū)一期工程可得出以下結(jié)論：

1）超高海拔嚴(yán)寒地區(qū)的施工人員均有不同程度的高原反應(yīng)，年齡偏大的人員發(fā)生概率增大，對到達(dá)該地區(qū)的人員進行詳細(xì)的體檢，合理安排行程，克服恐懼心理，放松心態(tài)階梯性適應(yīng)，再到達(dá)超高海拔地區(qū)，減少高原反應(yīng)的發(fā)生率。

2）季節(jié)性凍土的開挖方案是施工的重點和關(guān)鍵，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，選用適合的工程機械，根據(jù)季節(jié)性凍土的融沉特性開挖，以減少凍脹時土層開挖的困難。

3）砂石料墊層置換，減少了季節(jié)性凍土對基礎(chǔ)的凍融破壞，是一種有效可行的辦法，砂石料墊層的回填施工質(zhì)量至關(guān)重要。