岩溶地区变电站地基基础设计选型探讨论文_张伯涛[1],丁敏[1],周瑞军[1]

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摘要：在岩溶地区对变电站地基基础进行设计，危险性比较高，因此需要根据勘察成果和工程实际的需要，采取相应的设计方案。本文结合多年的工程实践经验，总结了岩溶地区基础选型、变电站设计地基基础注意点、基坑处理方法，为岩溶地区变电站地基基础设计提供了参考。

关键词：岩溶地区；变电站；地基基础设计

1.引言

伴随着经济的平稳快速增长，我国基础建设要求不断增高，电网规模也在不断扩大，而电网建设工程不可避免地会穿越不良工程地质区域[1]，比如岩溶地区。在变电站的土建工程中，影响工程质量的因素除其上部结构质量的好坏之外，还有不良地基引起基础沉降过大或不均匀沉降等，从而危及了上部结构的安全[2]。而岩溶溶洞或岩溶发育带，多位于基岩顶部与第四系残积层交界面附近，这也就对以基岩为持力层的桩基础带来了诸多不利因素。一方面，某些情况下需要增加桩长；另一方面，在桩尖下可能存在勘探时没有发现的溶洞，若洞顶厚度不高，则会使建筑基础的安全存在一定的隐患[3]。这就为变电站地基基础的设计带来了许多困难。再者由于现有的勘察技术的局限性很难对建设用地的地质情况包括溶洞分布情况、溶洞大小、溶洞深度、洞顶顶板厚度、溶沟宽度、岩面起伏等情况给出准确和全面的描述，也造成工程师们难以选择恰当的基础类型[4]。因此，在岩溶地区，合理的地基处理方法、变电站地基基础注意要点和基坑处理方式极为重要。本文根据变电站土建工程的特点，结合岩溶地区的特殊地质情况，探讨了溶洞、土洞的处理方法和变电站地基基础设计方案。

2.溶洞地区的地基处理思路

先通过钻探、物探的勘察手段如地质方法、深孔钻探、电测探法、地质雷达法、地球化学法等查清地下溶洞的情况，包括溶洞的分布、大小尺寸、溶洞间是否具有连通性等。再根据勘察的结果对地下的溶洞类型进行分类，其中溶洞的分类方案较多，有按基于控制洞穴发育的水动力条件分类的、按其形成的围岩性质分类的、按照溶洞的形态特征分类的、按洞穴与围岩形成的先后分类的、按溶蚀孔隙分布特征分类的，并根据分类的结果进行基本性评估与溶洞对工程的影响，一般包括有岩溶地区风险评估、岩溶稳定性评估、岩溶塌陷危险性评估等。根据勘察的结果与工程实际的需要，对于不同的溶洞地区、地下情况采取不同的设计方案、施工方案，分析不同溶洞地区的特点及其对基础设计选型、施工的影响。其中设计方案的选型大致可分为回避岩溶地质危害的基础选型、分散岩溶地质风险的基础选型、消除岩溶地质危害的基础选型；设计方案按对岩溶的处理方法可分为绕避、不处理、岩溶洞隙加固措施、充填、换填和垫褥、灌浆填塞法、采用跨越洞体结构等。在确定基础选型后，应结合基础选型与溶洞地区的具体情况，对施工开挖的危害发生种类如塌陷、涌水、隆起、开裂、失稳、变形过大等及其可能性进行评估与分类。

3.深基础

3.1.静压桩群桩基础

群桩基础是由多根桩组成的基础，静压桩是借助外加静压力，当静压力与桩的入土阻力达到动态平衡时，桩在自重和静压力的作用下逐渐压入地基土中的桩基础。静压桩工法施工的桩长度已经达到70m以上，单桩承载力设计值在800-4000kN之间，能承受较大荷载。能产生群桩效应，会影响到桩的侧阻力、端阻力、沉降大小及破坏模式。

在岩溶地区对基础承载有较高要求或基础整体面积较大的建筑，当溶土洞深度较大且土洞上方的上覆土层距桩端达到一定距离时可选择采用柱接承台，承台接群桩式的静压桩群桩基础。桩间距与桩长对群桩基础承载力影响较大，设计时应充分考虑基础承载力要求与地下溶洞分布情况，且应进行单桩承载力试验，其结果用于估算群桩基础承载力，考虑岩溶地区地下情况复杂性与多变性，应进行多处单桩承载力试验，以确保试验结果的可靠性；对于距桩端竖直距离较大的溶洞，可适当考虑其拱效应对地基承载力的贡献。

3.2.冲孔桩

冲孔桩一般是在工厂采用钢筋、混凝土等材料进行制作桩身，利用动力装置将具有一定重量的冲击重锤提升至一定高度，然后使重锤自由下落，利用冲击动力将桩打入、压入或振入土中。预制桩可以制作成各种形状的截面桩，在桩施工过程中进行接桩，桩长控制较灵活，对高度较小的溶洞可起跨越的作用，同时不用考虑泥浆排放污染等问题，适合大面积桩基础的施工。但是施工过程中会产生噪音污染与施工震动干扰，对周围环境的影响较大，而且会产生挤土效应，对周边的构筑物、建筑物产生一定的影响。

在岩溶地区使用冲孔桩时需注意地下溶土洞具体情况，以免发生掉桩等事故，可采用已知的地质勘察资料进行初步分析，在此基础上再采用展地球物理、化学等勘察方法探测，建议采用一桩一孔超前钻探的方式探明每根桩下的地质情况。对于距桩端竖直距离较大的溶洞，可适当考虑其拱效应对地基承载力的贡献；对于地基土上覆土层不厚且上部荷载较大的情况应要求冲孔桩入岩以确保承载力，考虑溶洞几乎不提供桩侧摩擦力的影响，应适当增大桩入岩深度以确保承载力。

3.3.套筒桩

在岩溶地区，对于采取跨越方式处理溶洞除了使用直接冲孔桩之外还可使用套筒桩的方法处理，与冲孔桩一样施工前需注意探明地下溶土洞具体情况，可采用已知的地质勘察资料进行初步分析，在此基础上再采用展地球物理、化学等勘察方法探测，建议采用一桩一孔超前钻探的方式探明每根桩下的地质情况，以免发生掉桩等事故。

在桩穿越溶洞时，溶洞是较软弱的结构，应在桩与周边岩土间应设置摩擦小的软性材料隔离层，套筒桩的套筒除了能对溶洞起到跨越作用外也能起到隔离部分水平力和竖向摩擦力，减少对溶洞扰动的作用。此外桩置于该土层中时会因负摩阻力的不利影响导致承载力削弱、沉降增大等问题，使用套筒桩也可以有效减少负摩擦力带来的不利影响，保证桩的承载力，较小不均匀沉降；对于距桩端竖直距离较大的溶洞，可适当考虑其拱效应对地基承载力的贡献。

3.4.组合式桩

在岩溶地区，对于采取跨越方式处理的溶洞除了使用直接冲孔桩和套筒桩之外还可使用组合式桩的方法处理，与前两者一样，施工前需注意探明地下溶土洞具体情况，可采用已知的地质勘察资料进行初步分析，在此基础上再采用展地球物理、化学等勘察方法探测，建议采用一桩一孔超前钻探的方式探明每根桩下的地质情况，以免发生掉桩等事故。

组合式桩工法是结合不同的桩基础形式的方法，根据组合的不同具有不同的特点。

3.5.桩板组合结构

桩板组合结构是由高强钢筋混凝土预制管桩、钢筋混凝土预制板、钢筋混凝土横向联系梁和钢筋混凝土纵向联系梁组成的基础形式，具有整体稳定性好、防护结构少、工程量小、运输，安装便捷、后期维修量少的优点。

对于岩溶地区里占地面积较大的基础整体，考虑到溶土洞对桩基础的不良影响，为满足局部沉降的要求，应该设法提高基础的整体刚度，比如采用把桩接到厚筏板基础或箱型基础上，以减弱不均匀沉降，克服地基刚度不均匀问题；并需对桩的入岩深度做出一定要求，以确保承载力满足设计需要。

4.浅基础

4.1.强夯法处理

强夯法地基加固的原理主要是通过夯锤在自由落体过程中产生的冲击力，对地基进行振动和冲击，以消除地基中较浅或承载力不足的溶土洞，得到压实地基形成一定厚度的硬壳层。强夯法地基处理有降低加固深度范围内地基的压缩性，提高地基承载力，提高土的密实度、抗剪强度、渗透性等效果。具有施工便捷、节约材料、设备简单、适用范围广、经济性较高、效果好等特点。可适用于对承载力要求不高，溶土洞埋深较浅的地基处理。为了使深层土得到加密，强夯施工时夯点是间隔设置布置的，在夯击一遍之后，用新土或周围的土将夯击坑填平后，再进行下一遍夯击，而下一遍的夯击点往往布置在上一遍夯击点的中间。

计算强夯法地基加固深度的方法有经验公式法、简化理论法、比较法，在溶土洞地区应充分考虑溶土洞对加固效果的影响如提高折减系数、采用合理的计算简化模型等。岩溶地区强夯施工的单点夯击能、单位面积夯击能、锤底形状和面积、夯点布置、夯击次数、夯击遍数、两遍夯击之间的间歇时间以及强夯置换的填料对强夯的效果会有影响，应充分考虑地下溶洞情况采取相适应的施工方案。对于强夯处理后地基的承载力和变形性能尚缺乏成熟的理论和方法确定，需要进行夯后的检测、静载试验等手段来得到。对于地基较差的情况也可采取强夯法和深层搅拌桩复合加固方法来进一步提高复合地基的承载力。

4.2.填充溶土洞

在岩溶地区对于深度较浅、体积不大的溶土洞可考虑采取灌浆填充的方法治理。填充前应先查清溶洞是否与其它溶洞或地下水连通，目的是得到强度差别不大的地基便于进一步处理，采用灌浆填充溶洞时填充材料强度不能太高，造成钻孔困难；强度也不能太低，否则起不到填充效果；填充用的灌浆材料配置需根据具体地质情况经过浆液试配试验确定合适的配比，待溶土洞填充完后在采用一般的地基处理方法处理地基。

4.3.建筑浅基础

4.3.1.筏形基础

筏板基础的主要结构形式有平板式筏基和肋梁式筏基，包括等厚度或变厚度底板和纵横向肋梁。一般情况下宜将基础肋梁置于底板上面，如果地基不均匀或有使用要求时，可将肋梁置于板下，框架柱位于肋梁交点处。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆另外应尽量使上部结构的荷载合力重心与筏基形心相重合，从而确定底板的形状、尺寸与底板厚度。

在溶洞地区使用筏板基础对浅层的溶土洞的跨越作用显著，能很好地处理地基不均匀沉降问题，适用于上部荷载不大的建筑；但考虑到溶洞对筏板基础不均匀变形的影响，设计时应该采取适当措施以提高筏板的刚度，例如比普通筏形基础配筋提高20-30%，筏板厚度适当提高10-20%。

4.3.2.十字交叉基础、条形基础

十字交叉条形基础是指在柱网下纵、横两个方向上均设置钢筋混凝土条形基础，使上部结构在纵横两个方向均有联系。这种基础适宜于地基较弱，土的压缩性或柱荷载的分布在两个方向都很不均匀的情况，同样也适用于岩溶地区上部荷载不大的结构，可对较小的溶洞起跨越效应，扩大了基础的底面积提高基础的整体刚度，调整结构的不均匀沉降问题。

在岩溶地区变电站建设中可作为围墙、电缆沟的基础形式。需要注意的是，在岩溶地区应尽量避免使用对基础整体刚度贡献少且对不均匀沉降调节能力弱的独立基础。

5.变电站工程的特别考虑

5.1.变电站的整体地基处理

对于岩溶地区的变电站整体地基处理，建议采用强夯法先对变电站范围内的天然地基处理一遍；强夯时通过用地的承载力要求和消除不均匀变形等要求，初步计算夯击能量，加固深度，从而选择必要的锤重、落距、夯间距、夯击次数等，以初步地提高地基的承载力。

整体进行加固后再根据变电站内的布局，对局部的建筑如变电站内的高低压配电室、主控室、事故油池、电容器室、变压器室、道路与围墙等结合具体建筑的地下情况进行有针对性的局部的基础处理。

5.2.变电站建筑

变电站内的建筑如变电站内的高低压配电室、主控室、事故油池、电容器室、变压器室、道路与围墙等有各自的工作环境要求，不同建筑的重量也大不相同，对防水、不均匀沉降的要求也不相同，设计时需根据不同建筑对工况的要求与建筑地下的实际情况采取上面所述的浅基础或深基础作为其适合的基础形式。

5.3.变电站内道路、围墙

复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，并由原土和增强体共同承担由基础传来的上部荷载的地基。工程中常用的是两种桩型组成的复合地基如：CFG桩+碎石桩复合地基、深层搅拌桩+石灰桩复合地基、CFG桩+深层搅拌桩复合地基、CFG桩+石灰桩复合地基、CFG桩+夯实水泥土桩复合地基、长短桩复合地基等。

对于岩溶地区变电站内的道路与围墙的基础加固除使用复合地基之外，还可采用强夯法对浅层土的土洞填充混合泥浆或低标混凝土的方法处理地基，以获得一定厚度、强度的硬壳层的方式处理。但在处理浅层土时应注意浅层溶土洞稳定性，对较小且无连通性的溶土洞应采取填充的方法处理，对深度较大的溶土洞应注意其上覆土层的厚度是否能满足硬壳层强度的要求。围墙的复合地基设计应着重于考虑永久荷载的影响，道路的复合地基设计应着重于考虑反复加载的车辆动荷载的影响，在墙与道路的沿线地下设置条形基础。

5.4.主变压器

变压器是变电站中用于输变电的总降压变压器，是变电站的核心部分, 主变压器荷载大，对基础不均匀沉降要求高。对于主变压器应采用深基础形式，可采用上面所述的静压桩群桩基础结合大承台基础或冲孔桩群桩结合大承台基础，以达到跨越溶洞、解决不均匀沉降等目的，确保变压器的正常运行。

5.5.基坑

5.5.1围护结构

基坑开挖是地下工程中的重要一环，也是保证工程质量的关键步骤，基坑开挖的围护结构是保证基坑开挖安全的措施。基坑开挖产生坑底卸载和侧向卸荷，侧向卸荷的结果使得坑外土体向临空方向位移，引起围护结构水平位移；基坑外土体沉降，坑底卸载使得基坑回弹隆起；墙体的水平位移和坑外土体沉降使得作用于支护结构上的土压力发生变化。

在岩溶地区基坑的围护结构需要考虑溶土洞对围护结构的不利影响，对围护结构进行优化，如调整锚杆或支撑点的位置和层数、支护桩的桩径和桩距，加强加多排桩的帽梁、腰梁数量及强度，考虑溶土洞对围护结构的不利影响适当提高连续墙的配筋比20-30%以提高整体刚度等优化，以确保基坑的围护结构的可靠性，保障基坑开挖的顺利进行。

5.5.2溶洞地区围护结构的特殊要求

围护结构主要承受水平的荷载作用，保证基坑开挖的安全进行；在溶土洞地区，基坑的围护结构应考虑溶土洞对土、风化层的弱化作用与围护结构受土压力的不均匀情况，需要进一步控制围护结构入土入岩深度、内支撑、锚杆与腰梁的数量来确保围护结构承受水平荷载的能力与整个基坑的刚度，从而满足岩溶地区基坑开挖施工的安全要求。

（下转第260页）5.5.3溶洞地区围护结构的特殊防水要求

处于岩溶地区的基坑工程，往往地下水埋深较浅且水量较为丰富，是常见的病害。基坑的防水体系一旦出现渗漏将严重影响基坑的稳定性和周边建筑的安全，因此做好基坑防水工程格外重要。岩溶地区基坑围护结构的防水设计宜用相互咬合的排桩或连接处咬合的连续墙；由于溶土洞的存在无法保证注浆效果，所以一般不采用使用注浆止水；使用混凝土搅拌桩止水时需考虑溶土洞的影响应加强搅拌桩的设置如多设置几道搅拌桩等。对于地下结构主体可设置防水板保证防水的有效性，施工缝、变形缝、温度缝处的防水也应采用柔性的防水材料如腻子型膨胀橡胶止水带、沥青防水材料等，除此之外还应严格控制结构的不均匀沉降，防止由于不均匀沉降导致的开裂漏水，以确保基坑的防水性。

5.5.4基坑开挖

岩溶地区基坑开挖存在如：地下土情况多样，水文地质条件、溶土洞埋藏情况复杂且不均匀，勘察数据不能完全准确反应各土层的真实情况，施工工况复杂，施工现场各种堆载，机具施工、车辆行驶的动荷载，土体的蠕变性使围护结构的应力与变形随开挖深度与时间变化而变化等对基坑的稳定产生不良的影响。使开挖过程容易出现涌水、塌陷等危险。

对于这些情况，除了上述特殊的防水措施与围护措施外，可以采用降低分层开挖厚度以便及时发现并处理险情、密切监督基坑围护结构的变形情况、密切留意施工过程中围护结构的开裂漏水情况、对施工机具的行驶路径铺设垫层以减少机具对土层的扰动等的具体施工措施，来确保基坑开挖的安全进行。

5.6.电缆沟

电缆沟是变电站中必不可少的基础设施。电缆沟一般结构为有盖板的沟道、金属结构的电缆支架、用以防火的封堵隔离。电缆沟的铺设应该考虑溶洞的不良影响，应在电缆沟经过的路线上进行适当的地基处理以提高承载力，如采用复合地基处理；也可以条形基础的配筋要求对电缆沟进行配筋以增加其强度，确保电缆沟不出现开裂漏水，不出现盖板破碎等现象。

图1

5.7.事故油池

在岩溶地区变电站的事故油池设计中，应该充分考虑由溶洞造成的不均匀沉降，基础应力不均，适当提高基础的整体刚度与抗裂性，以防事故油池开裂，发生泄漏，影响防火的功能，污染周围土环境。考虑到溶洞的影响，事故油池的地基处理可采用组合地基如承台结合群桩基础，适当增加油池的配筋比，增加池壁的厚度及增加构造配筋以加强油池的强度，从而提高其整体性，减少不均匀沉降，避免油池开裂。

6.结论

(1)对于不同溶洞类型，采取深基础或浅基础有不同的经济效益，需根据勘察结果和工程实际来选型。

(2)变电站不同于普通的建筑物，难度较大，危险性较高，需要根据其特点进行地基基础设计。

(3)岩溶地区基坑开挖难度较大，需做好防水措施和围护措施外，还应采取降低分层开挖厚度、加强监测等具体施工措施，以确保开挖的安全进行。

参考文献

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论文作者:张伯涛[1],丁敏[1],周瑞军[1]

论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期

论文发表时间:2018/12/13

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