臨接高速公路的輸電鐵塔基礎(chǔ)改造加固研究

張佰慶，康宇斌，謝 偉，余波明

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 221102)

?

臨接高速公路的輸電鐵塔基礎(chǔ)改造加固研究

張佰慶，康宇斌，謝 偉，余波明

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 221102)

〔摘 要〕針對(duì)高速公路路面與桿塔基礎(chǔ)面和斷面布置上產(chǎn)生的沖突，以徐賈快速通道與500 kV國(guó)岱線交跨為典型案例，提出了一種解決方案。該方案采取植筋后澆筑基礎(chǔ)底階板帶方式，將外側(cè)2個(gè)上拔基礎(chǔ)澆筑為聯(lián)合基礎(chǔ)，使其具有優(yōu)良的抗拔和抗傾覆性能，還可避免道路開(kāi)挖施工對(duì)基礎(chǔ)造成水平相對(duì)位移等影響，為以后開(kāi)展輸電鐵塔基礎(chǔ)改造工程提供了經(jīng)驗(yàn)。

〔關(guān)鍵詞〕輸電鐵塔；聯(lián)合基礎(chǔ)；改造加固

0　引言

徐賈快速通道在K9+573.4到K9+596里程段經(jīng)由500 kV國(guó)岱線42號(hào)鐵塔基礎(chǔ)，圖1和圖2分別為道路與鐵路基礎(chǔ)的相對(duì)平面位置和斷面位置示意。由圖1，2可知，徐賈快速通道與鐵塔基礎(chǔ)在平面和斷面布置上產(chǎn)生沖突，其道路U型槽的邊界進(jìn)入鐵塔基礎(chǔ)平面的范圍在K9+573.4和K9+596里程處分別達(dá)到1.62 m和0.67 m，這給道路施工帶來(lái)了困難。因此，為了該道路的順利施工，應(yīng)將鐵塔基礎(chǔ)(包括下部的防護(hù)大板和上部的獨(dú)立基礎(chǔ))相應(yīng)沖突部分拆除，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固，以確保道路施工期間和施工完成后，輸電鐵塔的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1　基礎(chǔ)改造方法概述

由于道路與基礎(chǔ)防護(hù)大板以及部分底階位置突出，必須將防護(hù)大板和獨(dú)立基礎(chǔ)的相應(yīng)部位切割去除，待道路U型槽的側(cè)面墻體施工完成后，再進(jìn)行基礎(chǔ)覆土回填；同時(shí)，在切割前應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固。本工程采用植筋澆筑方法，將臨近道路一側(cè)的2個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)接為新的聯(lián)合基礎(chǔ)。

圖1　車(chē)道與國(guó)岱線42號(hào)鐵塔基礎(chǔ)平面相對(duì)位置示意

由于本工程涉及超高壓輸電線路，應(yīng)高度重視工程各個(gè)環(huán)節(jié)的安全性。在進(jìn)行工程改造和加固前，應(yīng)采取合理、可靠的措施對(duì)輸電鐵塔進(jìn)行臨時(shí)加固，并進(jìn)行不間斷地監(jiān)測(cè)監(jiān)控；應(yīng)盡量避免在大風(fēng)天氣下施工，以免因開(kāi)挖基礎(chǔ)上部填土造成鐵塔基礎(chǔ)抗拔力減小，導(dǎo)致鐵塔傾覆等不良后果。

圖2　道路K9+573.4里程與基礎(chǔ)斷面處相對(duì)位置示意

總體而言，本次施工的總體流程為：輸電鐵塔的臨時(shí)加固→基礎(chǔ)上覆土開(kāi)挖→基礎(chǔ)加固→基礎(chǔ)改造切割→地基回填土。

本工程進(jìn)行置筋加固時(shí)，采用混凝土等級(jí)為C25，受力主筋為HRB400，箍筋為HPB300。

2　輸電鐵塔基礎(chǔ)改造關(guān)鍵技術(shù)

2.1輸電鐵塔臨時(shí)加固和變形監(jiān)測(cè)

輸電鐵塔是一種高聳結(jié)構(gòu)物，在本次施工中，由于對(duì)其獨(dú)立長(zhǎng)柱基礎(chǔ)進(jìn)行改造，涉及地基土開(kāi)挖和基礎(chǔ)切割等工藝，易對(duì)輸電鐵塔造成不均勻沉降和傾斜等影響。因此，在對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行施工前，應(yīng)對(duì)輸電鐵塔做好充分加固措施，同時(shí)做好輸電鐵塔傾斜變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作，避免發(fā)生傾覆。具體實(shí)施辦法為：本次施工共設(shè)置4根保護(hù)拉線(X型四方拉線)，拉線頂部打在橫擔(dān)與塔身連接點(diǎn)處，對(duì)橫擔(dān)水平夾角成45°；4根拉線暫處于松弛狀態(tài)，在施工過(guò)程中必要時(shí)施力，對(duì)輸電鐵塔起保護(hù)作用。

在整個(gè)施工過(guò)程中，應(yīng)有專(zhuān)人進(jìn)行輸電鐵塔的變形監(jiān)測(cè)，尤其是傾斜變形監(jiān)測(cè)，具體辦法如下。

(1)在輸電鐵塔橫擔(dān)方向和相應(yīng)垂直方向，分別設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)距相近塔腿的水平距離為50 m。

(2)在觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置經(jīng)緯儀，在輸電鐵塔主材上設(shè)置觀測(cè)標(biāo)志。

(3)開(kāi)始施工后，每隔30 min(非施工時(shí)間可增加間隔時(shí)間)進(jìn)行1次傾斜變形和基礎(chǔ)不均勻沉降變形觀測(cè)，并做好數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸電鐵塔傾斜值和基礎(chǔ)不均勻沉降形變明顯增大時(shí)，應(yīng)及時(shí)發(fā)出警告，查明原因并正確處理后方可繼續(xù)施工。

2.2長(zhǎng)柱獨(dú)立基礎(chǔ)底階的植筋和混凝土澆筑

基礎(chǔ)在道路一側(cè)進(jìn)行切割后，抗拔力會(huì)被削弱，故應(yīng)事先通過(guò)基礎(chǔ)植筋將受影響一側(cè)的2個(gè)長(zhǎng)柱基礎(chǔ)澆筑成聯(lián)合基礎(chǔ)，施工方法如下。

(1)人工開(kāi)挖基礎(chǔ)覆土，直到露出下部防護(hù)大板為止，覆土開(kāi)挖范圍如圖3中虛線標(biāo)注。開(kāi)挖時(shí)要防止土壁坍塌。

圖3　基礎(chǔ)開(kāi)挖示意

(2)清除開(kāi)挖范圍內(nèi)基礎(chǔ)和大板上部的覆土、污垢等物。

(3)進(jìn)行鋼筋下料工作，待植入鋼筋長(zhǎng)度1 000 m，鋼筋數(shù)量100根，并對(duì)錨固端做好打磨除銹工作；準(zhǔn)備長(zhǎng)度5 500 mm的基礎(chǔ)受力筋和長(zhǎng)度6 000 mm的分布筋，各50根。以上鋼筋直徑均為14 mm，鋼筋等級(jí)為HRB400。

(4)在圖4所示陰影范圍內(nèi)的基礎(chǔ)第1臺(tái)階內(nèi)，先用電錘鑿除基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)保護(hù)層，然后用電鉆機(jī)沿第1臺(tái)階上下邊打孔，靠近大板邊沿時(shí)，與其邊沿孔距為：豎直距離為100 mm，水平間距250 mm，孔間距16 mm，孔深250 mm，鉆孔時(shí)應(yīng)避免截?cái)嗷A(chǔ)原有鋼筋。

圖4　聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)模澆筑示意

(5)用毛刷和電吹風(fēng)機(jī)將孔內(nèi)的粉塵清除干凈，并仔細(xì)檢查孔徑、孔深和粉塵情況，滿足要求后進(jìn)行下一道工序。

(6)按比例調(diào)配結(jié)構(gòu)膠，用鋼筋推入孔內(nèi)，并保證膠量不少于孔深的80 %。

(7)迅速將待植鋼筋插入孔內(nèi)，并保持單向旋轉(zhuǎn)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)深度。

(8)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)2-3 h后，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。本次施工只有1種鋼筋，故進(jìn)行1個(gè)組別共3根鋼筋的拉拔試驗(yàn)驗(yàn)，滿足要求后進(jìn)行下一道工序。

(9)將長(zhǎng)度5 500 mm的底面受力鋼筋兩端與錨固好的端部鋼筋進(jìn)行焊接，焊接時(shí)單面焊縫長(zhǎng)度不小于140 mm。鋪設(shè)分布鋼筋進(jìn)行綁扎，完成底面鋼筋綁扎后，再進(jìn)行上部鋼筋的焊接和綁扎。

(10)在圖4所示的陰影部分架設(shè)模板，澆筑混凝土(C25)，并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.3基礎(chǔ)和大板的切割施工

混凝土施工后至少要養(yǎng)護(hù)3天，再開(kāi)始進(jìn)行基礎(chǔ)和大板的切割施工。

(1)切割范圍如圖4中虛線所示。

(2)切割施工采用自動(dòng)切割機(jī)，先對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)的底階沿圖4中切線切割拆除。由于底階厚度達(dá)到600 mm，應(yīng)分層進(jìn)行切割。每次切割完成后，用電錘和氣割切割外側(cè)混凝土和鋼筋；待局部切割拆除完成后，再用同樣方法切割拆除大板。

2.4地基土回填

切割拆除基礎(chǔ)和大板后，待道路施工單位完成道路U型槽施工，即可回填和壓實(shí)基礎(chǔ)和大板上部地基土?；靥畹鼗?xí)r，應(yīng)分層分區(qū)均勻碾壓，每回填300 mm，碾壓200 mm。

3　 改造后獨(dú)立基礎(chǔ)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

本次基礎(chǔ)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)象是受切割影響的2個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)(均為外側(cè)上拔基礎(chǔ))?，F(xiàn)行《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》及相關(guān)規(guī)程中均未明確規(guī)定輸電鐵塔復(fù)合大板的計(jì)算方法?，F(xiàn)有改造主要從構(gòu)造入手，其作用相當(dāng)于在4個(gè)獨(dú)立長(zhǎng)柱基礎(chǔ)下部增加1個(gè)較厚的墊層，因而無(wú)需另行驗(yàn)算大板底部地基的承載力；同時(shí)由于存在防護(hù)大板，獨(dú)立基礎(chǔ)的抗壓驗(yàn)算均能符合要求。

在基礎(chǔ)改造中，由于對(duì)臨接道路的2個(gè)基礎(chǔ)底階進(jìn)行了切除，使其抗拔承載力受到較大影響，故僅對(duì)改造后獨(dú)立基礎(chǔ)的抗拔穩(wěn)定性進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)算，并考慮一定的安全裕度。在驗(yàn)算時(shí)，不考慮后澆底階(2個(gè)基礎(chǔ)的連接部分)的有利影響作用。

另外，本改造基礎(chǔ)為寬基基礎(chǔ)，基礎(chǔ)主柱露出設(shè)計(jì)地面僅為300 mm，故一般可不驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定和柱頂位移。但為了安全起見(jiàn)，仍需對(duì)垂直基礎(chǔ)切割邊方向的傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1輸電鐵塔概況

500 kV國(guó)岱線42號(hào)輸電鐵塔為JT26型轉(zhuǎn)角塔，轉(zhuǎn)角47.58°，呼高27 m，總高41.5 m，水平檔距453 m，垂直檔距579 m，設(shè)計(jì)風(fēng)速30 m/s，設(shè)計(jì)覆冰10 mm，導(dǎo)線型號(hào)4×LGJ-630/45，地線型號(hào)JL/LB1A-95/55，單塔重28.807 t。

鐵塔基礎(chǔ)為BC96型防護(hù)大板基礎(chǔ)，其具體做法是在4個(gè)鐵塔基礎(chǔ)下部再增設(shè)1塊鋼筋混凝土現(xiàn)澆大板，該鐵塔的三維桁梁結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

圖5　三維桁梁結(jié)構(gòu)有限元模型示意

3.2工程地質(zhì)概況

本工程的地基情況如表1所示。

表1　工程地基土層分布情況

通過(guò)對(duì)圖5所示的桁梁混合結(jié)構(gòu)鐵塔建立有限元模型，并參考鐵塔運(yùn)行參數(shù)計(jì)算鐵塔荷載后，對(duì)模型進(jìn)行加載，確定出獨(dú)立長(zhǎng)柱基礎(chǔ)的驗(yàn)算荷載(標(biāo)準(zhǔn)值)為：

上拔基礎(chǔ)：T=908 kN，Hx=227 kN，Hy=200 kN，

N=553 kN，Hx=227 kN，Hy=200 kN；

下壓基礎(chǔ)：T=336 kN，Hx=84 kN，Hy=74 kN，

N=1 139 kN，Hx=285 kN，Hy=251 kN。

本工程中需要切割改造的基礎(chǔ)均為上拔基礎(chǔ)，其相應(yīng)的基礎(chǔ)作用力(設(shè)計(jì)值)為：

T=1 225.8 kN，Hx=306.45 kN，Hy=270 kN，

N=746.55 kN，Hx=306.45 kN，Hy=270 kN。

其中：T—上拔力；Hx—x方向水平力；Hy—y方向水平力；N—下壓力。

3.3改造后獨(dú)立基礎(chǔ)的抗拔穩(wěn)定驗(yàn)算

本工程基礎(chǔ)的抗拔土體為回填土，且基礎(chǔ)埋深為2.7 m，與基礎(chǔ)邊長(zhǎng)7.4 m之比小于5(見(jiàn)文獻(xiàn)[2])，故本工程中獨(dú)立基礎(chǔ)的抗拔穩(wěn)定性驗(yàn)算采用土重法計(jì)算?？紤]到季節(jié)性變化的影響及安全因素，本工程中覆土和基礎(chǔ)本身的自重均按浮容量計(jì)算。

綜上所述，抗拔穩(wěn)定性驗(yàn)算公式應(yīng)為：

式中：γf—基礎(chǔ)抗拔附加分項(xiàng)系數(shù)，本工程為重力式基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)角塔，取γf=1.10；TE—基礎(chǔ)上拔力設(shè)計(jì)值，kN；γE—水平力影響系數(shù)，由《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》表6.2.1-2按照水平力與上拔力的比值確定；γs—基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，本工程按浮容重考慮，kN/m3；γθ1—基礎(chǔ)底板上平面坡角影響系數(shù)，當(dāng)坡角<45°時(shí)取0.8，當(dāng)坡角≥45°時(shí)取1.0；Vt—基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)土和基礎(chǔ)的體積，m3；ΔVt—相鄰基礎(chǔ)影響的微體積，m3，本例中取0；V0—基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)的基礎(chǔ)體積，m3；Qf—基礎(chǔ)自重力，本工程按混凝土浮容重計(jì)算，kN。

在本工程中，各參數(shù)計(jì)算選取如下：

γf=1.10，TE=1 225.8 kN，

γE=0.96；γs=9.0 kN/m3，

γθ1=1.0，Vt=156.654 m3，

ΔVt=0；V0=41.34 m3，

Qf=14×41.34=578.8 kN。

將參數(shù)代入式(1)可得：

因此，基礎(chǔ)在切割改造后能滿足抗拔穩(wěn)定性的要求。上述計(jì)算中，對(duì)覆土和基礎(chǔ)的自重均按浮容重計(jì)算，比較安全；同時(shí)基礎(chǔ)之間的后澆板帶對(duì)其抗拔能力也有顯著提高作用，改造后的基礎(chǔ)抗拔性能有足夠的安全裕度。

3.4改造后獨(dú)立基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

基礎(chǔ)埋深與側(cè)面寬度之比不大于3階的基礎(chǔ)(臺(tái)階多于2階的均折算成1個(gè)臺(tái)階驗(yàn)算)，其傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)符合下式要求：

式中：γf—基礎(chǔ)抗傾覆附加分項(xiàng)系數(shù)，本工程為重力式基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)角塔，故取γf=1.60；S0—上部結(jié)構(gòu)水平力設(shè)計(jì)值，kN；H0—上部結(jié)構(gòu)水平力作用點(diǎn)距設(shè)計(jì)地面的垂直高度，m；E—被動(dòng)土壓力；E=maht2/2，ht—基礎(chǔ)埋深，m；fβ=tanβ，β為等代內(nèi)摩察角，°；a1，b1—基礎(chǔ)底階和基礎(chǔ)主柱在水平方向上的尺寸，m；a0—基礎(chǔ)底階在水平力垂直方向上的計(jì)算寬度，a0=(h12×K0-h12×K0′)·a/(ht2-h12)，m；h1—基礎(chǔ)主柱在地面以下的長(zhǎng)度，m；K0，K0′為空間增大系數(shù)；θ=h1/ ht；y—地基反力，y=(F+G-γfS0fβ)/(1+fβ2)≤0.8a1a0fa，且y＞0。

本工程中，各參數(shù)計(jì)算選取如下：

γf=1.60，S0= 306.452+2702=408.4 kN，H0=0.3 m，h1=2.7 m，E=1 294.7 kN，β=30°，fβ=0.577，K0=1.23，K0′=1.15，a0=9.53，b0=1.61，θ=0.64，y=1 288，e=1.97。

當(dāng)y取最小值0時(shí)，上式成立。這說(shuō)明在其他各種工況下，改造后獨(dú)立基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性均能滿足要求。

4　 結(jié)束語(yǔ)

(1)在完成基礎(chǔ)的改造加固后，500 kV國(guó)岱線42號(hào)輸電鐵塔基礎(chǔ)的抗拔穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性均能滿足要求，輸電鐵塔基礎(chǔ)及其上部結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

(2)在進(jìn)行基礎(chǔ)改造施工時(shí)，應(yīng)采取措施，盡量減少基礎(chǔ)的水平位移(基礎(chǔ)主柱頂部水平位移不超過(guò)10 mm)。基礎(chǔ)改造后，盡快完成覆土回填和夯實(shí)工作，施工時(shí)應(yīng)分層、分區(qū)均勻夯實(shí)。如有必要，可在基礎(chǔ)覆土回填壓實(shí)后，通過(guò)放松地腳螺栓釋放鐵塔結(jié)構(gòu)的不利應(yīng)力，但必須對(duì)鐵塔采取可靠的臨時(shí)加固措施。

(3)相對(duì)于單純?cè)龃螵?dú)立基礎(chǔ)混凝土，本工程采取植筋后澆筑基礎(chǔ)底階板帶的方法，將外側(cè)2個(gè)上拔基礎(chǔ)澆筑為聯(lián)合基礎(chǔ)，不僅具有優(yōu)良的抗拔和抗傾覆性能，還可避免因道路開(kāi)挖施工對(duì)基礎(chǔ)造成的水平相對(duì)位移等不利作用。本文研究?jī)?nèi)容為以后開(kāi)展此類(lèi)型輸電鐵塔基礎(chǔ)改造工程，提供了工作經(jīng)驗(yàn)，可供同行參考。

參考文獻(xiàn)：

1 四川省建筑科學(xué)研究院.GB50367—2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

2 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T5219—2005 架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

3 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB5009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

4 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB505450—2010 110-750 kV架空送電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民出版社，2010.

5 國(guó)家電力公司東北電力設(shè)計(jì)院.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社， 2003.

6 孟遂民，李光輝.架空輸電線路設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)三峽出版社，2000.

7 劉樹(shù)堂.輸電桿塔結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

8 張朝暉.ANSYS 11.0結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用實(shí)例解析(第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

9 郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

張佰慶(1978-)，男，高級(jí)工程師，從事輸變電設(shè)備運(yùn)檢工作，email：312922109@qq.com。

康宇斌(1978-)，男，高級(jí)工程師，從事輸電運(yùn)檢管理工作。

謝 偉(1985-)，男，工程師，主要從事輸電運(yùn)檢管理工作。

余波明(1986-)，男，工程師，主要從事輸電運(yùn)檢管理工作。

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-10-29。