強風化巖擴底錨樁基礎在220kV新港輸電工程中的應用

王茂成，范士鋒，孟慶波，李 強，劉德華，于 斌，白玉石

（1.煙臺電力設計院，山東省煙臺市，264002；2.山東電力集團公司，濟南市，250001；3.海南中海電力工程有限公司，海口市，570003；4.煙臺供電公司，山東省煙臺市，264000）

0 引言

以往，對于強風化巖地基，220kV輸電線路直線塔基礎一般按立柱板式基礎或斜柱板式基礎設計。近年來，各地對強風化巖石錨樁基礎作了一些試驗研究與嘗試[1-11]，嵌固式基礎和錨樁基礎以具有經濟、環保等特點逐步得到推廣應用。考慮到強風化巖裂隙復雜，雨后存在滲水現象，錨桿的銹蝕問題不可忽視；破壞性試驗過程中，試驗錨桿從等徑錨樁內抽出或等徑錨樁從巖體中脫出的現象，說明了錨桿和錨樁的錨固措施需要完善。2008年，山東電力集團公司科技立項（2008A-14），并聯合煙臺供電公司、煙臺電力設計院、海南中海電力工程有限公司和山東電力工程咨詢院完成了“有覆土層的強風化巖錨樁基礎結構模型的研究”[12]。本文介紹220kV新港輸電工程38號、39號、40號雙回雙分裂直線塔實施全方位高低腿的擴底錨樁基礎的設計、試驗和經濟性比較情況，研究雙樁結構的可行性。

1 擴底錨樁基礎的設計與單錨桿試驗

2008年10—12月，在煙臺地區220kV新港輸電工程中，對位于開發區九目山頂、地質為中/強風化巖的38號、39號、40號直線塔實施了全方位高低腿的擴底錨樁基礎，維持了原有地形地貌，經濟效益、水土保持效果非常明顯。以往板式基礎需要降基面并護坡，而通過38號、39號、40號基礎設計與施工，擴底錨樁基礎基本不需降基面，也不需護坡。

38號塔位于九目山的西半坡，4個塔腿的上部地質為強風化巖，下部為中等風化巖；39號塔位于九目山頂，A、D塔腿的地質為強風化巖，B、C塔腿的地質為中等風化巖；40號塔位于九目山的東半坡，4個塔腿的地質為強風化巖。

根據2008年春季南方冰災經驗和國家電網公司有關最新設計技術規定，塔型選擇和基礎設計均按提高1個強度等級考慮。38號、39號、40號基礎按文獻[1]推薦的結構模型設計。根據塔位周圍的地形，38號和40號基礎按全方位高低腿和不等高承臺設計，39號基礎按等長腿和不等高承臺設計。

經理論計算，3基直線塔基礎錨孔中心距為0.4m，錨孔直線段為φ130 mm×4.0m（39號塔B、C塔腿為φ130 mm×2.8m），錨孔擴底為φ230 mm×0.4m，材質為35號鋼的錨桿M60（39塔B、C塔腿為M42），錨板為φ120 mm×40 mm，承臺和錨樁混凝土規格為C30，承臺嵌入強風化巖層深度為0.5m，嵌入中等風化巖層為0.3m。以地勢最低的塔腿處為±0.0（或鐵塔呼稱高的零點），經現場測量和地質勘探后，確定3基擴底錨樁基礎的設計尺寸如表1所示。40號塔C腿擴底錨樁基礎施工圖，如圖1所示。

圖1 40號塔C腿擴底錨樁基礎施工圖Fig.1 The leg C’s enlarged base anchor pile foundation of NO.40 tower

表1 有覆土層的3基擴底錨樁基礎的設計尺寸Tab.1 The designed dimension of enlarged base anchor pile foundation with a layer of overburden

試驗錨桿選用M60型6.8級螺栓（材質為40Cr），設計抗拔力為840 kN，屈服抗拔力為1 350 kN。選擇每基塔位地質最薄弱的地方做2～4個試驗錨桿，試驗錨桿下端帶直徑略小于錨孔直徑的圓形錨板，并以2個螺母上、下夾緊。經28天養護期后，分別做試驗錨桿的拉拔試驗。對40號塔的1、2號未鍍鋅試驗錨桿和3、4號熱鍍鋅試驗錨桿對比試驗，如表2所示。由試驗結果可知熱鍍鋅錨桿較未鍍鋅錨桿的上拔位移大，但均在允許范圍之內，因此，帶錨板的熱鍍鋅錨桿可以作為基礎錨桿，這樣就解決了錨桿的混凝土保護層不夠的問題。

表2 220kV新港輸電線路40號塔錨桿拉拔試驗結果Tab.2 The pullout testing data of the foundation anchor rod of NO.40 tower

2 擴底錨樁基礎和板式基礎經濟性比較

在38號、39號、40號塔擴底錨樁基礎和板式基礎的造價對比過程中，人力運距為1.0 km，汽車運距為10 km，基礎所處地形攀登困難，確定為高山地形。若采用板式基礎，38號和40號塔位因地勢較陡，需分別降基面3.0m和1.5m。

比較擴底錨樁基礎和板式基礎的預算匯總表可知，2種基礎在工地運輸費和土石方工程費方面差別很大，基礎工程費相差不大；在不考慮試驗錨桿費用的前提下，擴底錨樁基礎較板式基礎節省費用58.8%。圖2為39號和40號塔組立后效果圖。39號塔基礎充分利用地形地貌，未破壞周圍的地表面凸出的巖體；40號塔基礎根據自然形成的地形坡度設計全方位高低腿和不等高基礎承臺，不降基面不護坡，少破壞林木，保持水土不流失，從而實現環保型基礎。

圖2 擴底樁基礎組立效果Fig.2 Erection of enlarged-base piles

鉆孔期間準確勘探塔位的地質條件，并且設計階段取強/中風化巖抗剪強度的下限，可省略試驗錨桿步驟，從而節省試驗費用。由于4樁直錨并未發揮出單錨的抗拔性能，為減少直錨中的樁數提供可能。

3 錨樁基礎的雙樁結構

3.1 幾種基礎錨桿布置方案的比較

以往基礎工程設計中，無論階梯型基礎（俗稱大塊基礎）、板式基礎、掏挖基礎，還是巖石基礎，角鋼塔的塔腳板均由4個預留孔（地腳螺栓或錨桿）組成。3種基礎的錨桿布置方案如圖3所示。

方案1是一種常規的設計方案，塔腳板上的4個預留孔（或錨桿）布置與鐵塔上主角鋼的重心線成對稱布置，以保證各錨桿均勻受力，如圖4所示。文獻[1]試驗證明，同一地點的直錨樁（由4根單錨樁組成）極限抗拔力是單根錨樁的1.5～2倍，而通過理論計算公式[5-6]可得出直錨樁極限抗拔力基本是單錨樁的1.2～2.1倍（強風化硬質巖抗剪強度取17～30 kPa），因此，對于巖石錨桿基礎而言，方案1并非最佳設計方案。若在塔腳板的主角鋼的重心位置預留單孔，由于主角鋼尺寸限制，導致預留孔過小，也無法用扳手擰緊螺母。

圖3 3種基礎錨桿布置方案Fig.3 The anchor bolt layout of three types of foundations

圖4 方案1塔腳板俯視圖Fig.4 The top view of tower foot pad of scheme 1

方案2和方案3的每個塔腿均按2個錨桿設計，方案2按正交鐵塔對角線布置，方案3按鐵塔塔腳板主角鋼的對角線布置，如圖4所示；當承臺完全抵抗水平力時，方案2和方案3在基礎受力方面沒有明顯的差別。若承臺較高、不能完全抵抗水平力，當順線路方向和橫線路方向的水平力大致相同時，比如國網典設2G模塊220kV雙回雙分裂塔型，方案3在基礎穩定性方面優于方案2；當基礎主要受橫線路方向的水平力時，比如國網典設1G模塊110kV雙回塔型，方案2和方案3中的2個錨桿連線應橫線路方向，并與鐵塔塔腳板主角鋼的重心線成對稱布置。根據文獻[12]，當覆土層較厚導致承臺較高時，來自塔腿的雙向水平力在承臺與直錨變形銜接面產生的附加彎矩較大，為直錨基礎的強度薄弱點之一，錨桿的直徑主要受到該截面的抗拉強度控制。

3.2 高強鋼地腳螺栓

通過38號、39號、40號塔巖石基礎的理論計算，方案1基礎的錨桿大致為M42～M60型，材質為35號鋼；若將方案1改為方案3，錨桿直徑將增大，以致無法滿足錨孔中心距、錨孔直徑和錨桿直徑的倍數關系。我國1000kV特高壓線路基礎首次選用了8.8級高強鋼地腳螺栓，替代4.8級地腳螺栓，可降低費用40%～50%[13]。8.8級螺栓的屈服強度為640 N/mm2，抗拉強度設計值取屈服強度的0.7倍，即448 N/mm2，其抗拉強度相當于35號鋼（190 N/mm2）、45號鋼（210 N/mm2）同等規格的2倍多。因此，對于220～500kV雙回直線塔雙樁結構，8.8級螺栓完全可以滿足工程設計要求。

3.3 方案2或方案3的構造措施

不設錨桿的2個孔預埋與錨桿相同規格的短螺栓，螺栓伸入承臺0.3m即可，上端螺母與塔腳板應有3～5 mm的間隙（也不能填充混凝土），避免短螺栓受拉、拔出，短螺栓的作用是：與其他2個錨桿一起抵抗塔腳板因水平力在承臺上而可能發生的側移。另外，塔腳板預留孔是錨桿或螺栓直徑的1.3～1.5倍，因此墊板應與塔腳板焊接。

4 結論

通過220kV新港輸電工程38號、39號、40號基礎設計、施工與經濟比較，在不考慮試驗錨桿費用的前提下，擴底錨樁基礎較板式基礎節省費用50%以上。若設計前準確勘探塔位的地質情況，并且設計階段取強/中風化巖抗剪強度的下限，施工階段注重塔位周圍及各深度的地質情況，可省略試驗錨桿步驟，從而節省試驗費用。理論研究表明，雙樁結構適合于強風化巖錨桿基礎，可以大幅度降低擴底錨桿基礎的費用，大致為40%左右，工期縮短一半左右。對于220～500kV雙回直線塔雙樁結構，8.8級螺栓完全可以滿足工程設計要求。

[1]費香澤，程永鋒，蘇秀成，等.華北地區輸電線路巖石錨桿基礎試驗研究[J].電力建設，2007，28（1）：26-28.

[2]秦慶芝，毛彤宇，劉學軍，等.華北地區巖石錨桿基礎設計及試驗研究[J].電力建設，2007，28（4）：22-33.

[3]宋永發.送電線路巖石錨桿基礎試驗研究[J].巖土工程學報，1995，17（4）：89-94.

[4]宋永發，甘鳳林，金載南，等.群錨基礎承載力的計算方法[J].東北電力學院學報，1996，16（1）：52-56.

[5]張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊[M].2版.北京：中國電力出版社，2005：530-533.

[6]DL/T 5219—2005架空送電線路基礎設計技術規定[S].北京：中國電力出版社，2005：80-86.

[7]張樂文，汪 捻.巖土錨固理論研究之現狀[J].巖土力學，2000，23（5）：627-631.

[8]嚴行鍵.淺述巖石錨樁基礎在輸電線路工程中應用和改進[J].中國電力，1999，32（8）：23-29.

[9]王茂成，林則良，孫玉紅，等.關于柱梁節點結構設計的探討[J].工業建筑，2005，35（Z1）：232-234.

[10]何思命，雷孝章.全長粘結式灌漿錨桿銹脹機制研究[J].四川大學學報，2007，30（6）：30-35.

[11]蘇秀成，高學彬.巖石錨桿基礎施工工藝[J].電力建設，2007，28（4）：25-29.

[12]劉福卿，王茂成，蔣瑞金，等.有覆土層的強風化巖錨樁基礎結構模型的研究[J].電力建設，2009，30（8）：42-46.

[13]劉振亞.特高壓交流輸電技術研究成果專輯（2007年）[M].北京：中國電力出版社，2008：407-416.