劉 輝，蔡金博，范新建，張 瑩

（中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021）

全聯(lián)合角鋼格構式構架已經(jīng)在東北地區(qū)應用多年，形成了成熟的設計方案和施工方法，但是到目前為止，只有人工挖孔深基礎一種基礎方案，深度根據(jù)計算確定，一般為6～8m，適用于黏土及粉質(zhì)黏土地基，人工挖孔深基礎需要設置鋼筋混凝土護壁，構架柱與混凝土基礎連接方式采用地腳螺栓連接。全聯(lián)合角鋼格構式構架對于沙土地基和高地下水位條件，存在很大的不適用性，急需研究新的基礎設計方案，采用相應的基礎設計方案和施工工藝，以滿足工程的設計需要。

1 新型基礎設計方案及計算

1.1 所依托工程的概況

設計研究工作依托遼寧某500kV 變電站新建工程，該變電站自然情況如下：地勢較平坦，地震基本烈度為7度，場地的地基土屬中軟土，建筑場地類別為Ⅲ類；根據(jù)場地地基土的物理力學性質(zhì)及分布特征，地質(zhì)勘查報告推薦變電站的建（構）筑物建采用天然地基，自上而下分別為粉土、稍密細砂、中密細砂及密實細砂層；承載力特征值fak分別為100、140、180、250kPa；地下水為第四系孔隙潛水，勘測期間地下水位埋深2.17～2.90m，該地區(qū)的地下水位年變幅為1.00m；累年最大凍土深度1.45m，最大風速32.2m/s。

1.2 基礎方案

全聯(lián)合角鋼格構式構架最大風工況是控制條件，基礎具有垂直壓力小，雙向彎矩大的受力特點，適應本工程高水位沙土地基要求，可采用鋼筋混凝土獨立基礎（淺基礎）和人工挖孔鋼筋混凝土深基礎兩種基礎形式。如果按埋深2.5～3.5m 淺基礎設計，基礎平面尺寸8m×10m，每個基礎混凝土量約100m3，而且基礎放腳后配筋量很大，制約了全聯(lián)合角鋼格構式構架的經(jīng)濟效果；人工挖孔鋼筋混凝土深基礎受力特點是利用穩(wěn)定地基土被動側(cè)壓強度保證基礎抗傾斜能力，基坑挖方及基礎混凝土用量不大于30 m3，施工方便，無基坑回填土沉降問題，非常適應全聯(lián)合角鋼構架柱的構造與受力特點。目前人工挖孔深基礎是全聯(lián)合角鋼構架的唯一優(yōu)選的基礎方案，適用于常規(guī)的黏土、粉質(zhì)黏土地基，對于高水位沙土地基條件，存在很大的不適用性。

該500kV 變電站的建設場地屬于粉細砂地基，站址周圍都是水稻田，春季地下水位－0.5 m，人工降水不易控制，同時受到水資源保護限制，而且排水也受到河道管理局限制，基礎施工無法開展，對于粉細砂地基和如此高的地下水位，人工開挖基坑，不僅降水不可實現(xiàn)，流沙、涌砂、塌方也是很難回避的問題，施工單位也不具備相應的施工和研究能力。

針對特殊地質(zhì)條件，經(jīng)論證研究，擬采用一種適合高水位沙土地基的全聯(lián)合構架新型基礎形式——水循環(huán)成孔空心浮力深基礎，同時設計主動提出研究以水治水的施工方案——水循環(huán)成孔灌注樁施工技術，并進行詳細的施工機具研究設計與開發(fā)。

1.3 基礎設計方案的實施

水循環(huán)成孔空心浮力深基礎受力是抗傾覆為主的基礎，基礎深度8 000mm，外徑2 200mm，內(nèi)徑1 400mm，基礎混凝土壁厚300mm；考慮地下水位高及粉砂地基的特殊情況，空心基礎周圍均設置護壁，護壁施工方案通過水循環(huán)成孔灌注樁施工技術，有效地將鋼筋混凝土護壁逐節(jié)施工完成，然后將預制好的鋼筋籠置于護壁內(nèi)，放置固定外徑為1 400 mm 內(nèi)實體苯板模板，然后澆筑C30混凝土。

基礎頂部為正方形鋼筋混凝土承臺，基礎平面尺寸為2 000mm×2 000mm，基礎承臺四角各埋設6個M30的地腳螺栓，用于安裝上部角鋼構架。

2 計算理論及方法

2.1 構架上部荷載分布特點

對于500kV 敞開式設備全聯(lián)合構架一般采用雙層布置；對于500kV 混合絕緣封閉式組合電器HGIS全聯(lián)合構架一般采用三層布置，遼寧某500 kV 變電站500kV 配電裝置采用此布置。

2.1.1 構架布置方案

500kV 配電裝置采用HGIS設備，向3個方向出線，采用三層全聯(lián)合角鋼構架方案。底層梁高為20.0m 及18.4m，中層梁高為26.0m，頂層梁高為33.0m，地線支架高度為34.0m 及41.0m，構架避雷針高度為50.0m。

2.1.2 構架荷載

屋外變電構架的荷載主要有導線荷載、設備及構架自重、風荷載、溫度作用效應及短路電動力等。兩端設有剛性支撐的總長超過150m 連續(xù)排架，或總長度超過100m 連續(xù)剛架，應考慮溫度作用效應的影響。

2.1.3 構架計算

構架梁柱采用角鋼螺栓結構，柱梁截面均為矩形斷面，熱鍍鋅；基礎采用鋼筋混凝土深基礎；構架梁、柱采用PK11.EXE鋼結構分析與設計程序進行結構計算，并對計算結果進行手工計算修正。

2.2 基礎計算

基礎的控制因素：挖孔基礎以抗傾覆受力為主，根據(jù)受力模型分析及設計計算，基礎必須保證足夠的埋深?；A上部設計荷載標準值：彎矩M＝3 300 kN·m，剪力Q＝190kN，軸力N＝400kN。

2.2.1 抗傾覆穩(wěn)定計算

式中：m為土壓力 參數(shù)；b0為 基 礎 計 算 寬 度；ht為 基礎埋置深度；μ為土與基礎面的摩阻系數(shù)；η為地基承載力修正系數(shù)。

經(jīng)計算基礎直徑為2.0m，計算深度為7.5m。

2.2.2 承載力計算

500kV 構架基礎主要以中密細砂為持力層，地基承載力特征值fak＝180kPa；部分以軟塑粉質(zhì)黏土為持力層，地基承載力特征值fak＝90kPa，修正后的地基承載力特征值fak＝242kPa。

基礎如不采用空心，基礎底部平均壓力值pk＝314.38kPa＞fak，地基承載力不滿足要求。

基礎如考慮采用空心，壁厚300mm，基礎底部平均壓力值pk＝218.5kPa＜fak，地基承載力滿足要求。

2.2.3 抗浮穩(wěn)定性驗算

站址地段地下水位埋深為2.90m，水循環(huán)成孔空心深基礎深度為8.0m，基礎大部分均位于地下水位以下。在完成基礎護壁及封底施工后，在模板及鋼筋安裝前應排除護壁內(nèi)水，此時基礎自重最小，需保證滿足抗浮穩(wěn)定性要求。

浮力Nw，k＝210.5kN，護壁及土底自重Gk＝234.6kN，Gk/Nw，k＝1.115，抗 浮 穩(wěn) 定 安 全 系 數(shù)Kw＝1.05，Gk/Nw，k≥Kw，基礎抗浮穩(wěn)定性滿足要求。

根據(jù)理論模型及受力分析計算，本工程500kV構架最終推薦采用空心浮力深基礎，基礎外徑2 200 mm，內(nèi)徑1 400mm，混凝土壁厚300mm，內(nèi)部采用圓柱形苯板模板填充，基礎深度為7.5m，考慮水循環(huán)成孔封底混凝土厚度0.5 m，基礎總深度為8.0 m；基礎外側(cè)設置預制鋼筋混凝土護壁，分5節(jié)施工安裝就位。

同時為滿足上部構架柱安裝要求，基礎頂部為正方形鋼筋混凝土承臺，承臺平面尺寸為2.0 m×2.0m，基礎承臺四角各埋設6個M30的地腳螺栓，用于安裝上部角鋼構架。

3 新型構架基礎的施工方案

針對高水位沙土地基，經(jīng)過反復研究和論證，提出了以水治水的水循環(huán)成孔灌注樁施工技術，基本原理是用預制鋼筋混凝土護壁解決流沙塌方問題，利用粉細砂土松散易浮的特性，用高壓水定向沖洗基坑坑底，讓帶有環(huán)刀狀端口的預制護壁在自重或附加重力作用下自然下沉，同時用潛水泵抽取基坑水沙混合物，排入施工場地內(nèi)預挖的沉沙池，沖洗基坑用的高壓水取自沉沙池末端。水循環(huán)方法形成帶有護壁的基坑過程中，始終保持基坑水位高于地下水位，減小護壁下沉的摩擦阻力，也防止基底涌沙。

在基坑深度達到設計標準之后，保持基坑靜水沉淀，再用水下導管灌注混凝土封底。封底混凝土強度達到設計要求，就可以抽干基坑內(nèi)的水，為人工綁扎鋼筋，澆筑基礎混凝土創(chuàng)造方便條件，為了降低基底壓力，節(jié)省基礎混凝土量，設計采用聚苯填充的補償型空心基礎，充分利用常年高水位的浮力效應，減小了基底壓力，提高了地基與基礎的安全性。

4 構架基礎及施工模型試驗

4.1 試驗情況

針對這種高水位沙土地基，提出了水循環(huán)成孔灌注樁施工技術，并研制開發(fā)了專用施工機具，用鋼刃腳和沖水模具進行了試驗。

根據(jù)設計方案，從上到下共有1節(jié)方形護壁和4節(jié)圓形護壁，首先施工4節(jié)圓形護壁。將第一節(jié)護壁吊至構架基礎定位點，第一節(jié)護壁開始在內(nèi)部采用人工挖土進行下沉，人工挖至見地下水停止施工，在此施工過程中嚴格注意護壁的傾斜度，一旦發(fā)現(xiàn)偏差，立即調(diào)整。發(fā)現(xiàn)地下水后，將事先做好的沖水模具下至護壁底部，將抽水泵下至高于護壁底側(cè)200mm 處，做好沖水模具與抽水泵的測量工作，保證在施工過程中能隨時知道模具和水泵的深度。

將準備好的30kN 配重安裝到護壁的上方，留出一定空隙，以便于進水管和出水管的安裝，打開水泵電源沖水，將護壁底部粉砂攪起后，用另一臺水泵將粉砂抽出。施工中保持護壁內(nèi)側(cè)水位與地面一平，隨時注意沖水模具、抽水泵和護壁的深度。施工中如發(fā)現(xiàn)護壁垂直度有偏差，立即調(diào)整配重，確保護壁的垂直度。

本次試驗共進行4個構架基礎的試驗，當每個構架基礎的4節(jié)圓形護壁施工完成后，經(jīng)現(xiàn)場觀測8h累計下沉量不大于20mm 時，可以進行護壁封底工序，最后按照施工圖紙要求進行空心基礎的澆筑。

4.2 試驗結果分析

本次試驗共進行了5天，取得了預期的效果，成功驗證了當初的設想，構架基礎采用水循環(huán)成孔空心浮力深基礎具備很高的可操作性，通過以水治水的特殊施工方案——水循環(huán)成孔灌注樁施工技術，4個構架水循環(huán)成孔空心浮力深基礎順利施工完成。

試驗成功后，根據(jù)工期進度安排，馬上全面展開所有500kV 構架基礎的施工。用最經(jīng)濟的方法順利解決了高水位粉細砂地基的深基礎施工難題，至少直接節(jié)省工程降水、排污費用200萬元以上。

通過現(xiàn)場構架基礎模型試驗，試驗效果良好，設計和施工方案方面取得了成功的經(jīng)驗，驗證了水循環(huán)成孔灌注樁施工技術的有效性和可操作性，完全可以滿足設計提出的要求，從而實現(xiàn)在高水位沙土地基情況，對全聯(lián)合角鋼構架空心浮力基礎的順利施工，保證了施工進度，克服了水下混凝土施工的難題，受到建設單位的好評，為遼寧某500kV 變電站工程順利施工提供了保障，而且節(jié)省了工程造價。

5 結論及建議

5.1 結論

依托遼寧某500kV 變電站的新建工程，根據(jù)全聯(lián)合角鋼構架的受力特點，針對該工程高水位和粉細砂地基的特殊條件，對高水位沙土地基全聯(lián)合構架基礎形式進行了深入研究，主要結論如下。

a.提出了一種新型構架基礎——水循環(huán)成孔空心浮力深基礎，基礎平面尺寸2m×2m，深度8m。該基礎為空心基礎，周圍均設置護壁；完成了該基礎計算理論分析和計算方法，抗傾覆計算及變形均滿足要求。

b.配合新型水循環(huán)成孔空心浮力深基礎，提出了以水治水的特殊施工方案——水循環(huán)成孔灌注樁施工技術，完成了施工工藝和施工方案的研究工作。

c.通過構架基礎模型試驗，完成了施工機具研究設計與開發(fā)，完成了護壁、封底及排水施工，并形成了試驗報告。

d.為配合上部構架地腳螺栓連接，水循環(huán)成孔空心浮力深基礎及護壁采用上方下圓形狀，上部方形部分深度－1.8m，該地區(qū)最大凍深－1.45m，不會引起凍脹，該基礎如應用在寒冷地區(qū)應考慮凍脹影響，采取防凍脹措施，或全部采用方形基礎及護壁。

e.對于變電站內(nèi)的大直徑深基礎、變壓器事故油坑、地下排水泵站等地下構造物施工均有條件采用此項實用技術。

5.2 建議

在遼寧南部的平原地區(qū)具有大面積的同類地基，現(xiàn)場制作施工機具實現(xiàn)以水治水的水循環(huán)成孔灌注樁施工技術，為以后同類工程施工創(chuàng)造了節(jié)能、環(huán)保和水資源保護的實用技術，也為這種特殊地基的大型深基礎施工開創(chuàng)出一條經(jīng)濟實用的施工方案。

對于變電站內(nèi)的大直徑深基礎、變壓器事故油坑、地下排水泵站等地下構造物施工均有條件采用此項實用技術，在該地區(qū)的輸電桿塔、城市建設工程中，也會遇到同類的施工問題，可以應用水循環(huán)成孔灌注樁施工技術。