輸電線路工程巖石錨桿基礎的應用

程永鋒，魯先龍，鄭衛鋒

(中國電力科學研究院，北京市，100055)

0 引言

輸電線路巖石錨桿基礎通過將水泥砂漿或細石混凝土與錨筋注入巖孔內，使得錨筋與巖體膠結成整體，承受上部結構荷載［1-4］。巖石錨桿基礎減少了基礎混凝土用量、土石方開挖量，降低了水泥、砂石、基礎鋼材及棄土的運輸量，能顯著降低運輸工程量，特別適用于地形復雜的高山地區。同時，也因顯著減少了人工開挖或爆破作業對基礎周圍巖石基面、林木植被的損害，具有較好的環保效益。本文基于對巖石錨桿基礎的理論分析［5-6］，結合大量的現場真型試驗［7-9］，對目前輸電線路工程中巖石錨桿基礎的工程應用現狀進行了探討與分析，提出了相應的解決對策，并對巖石錨桿基礎今后的研究方向提出了一些建議。

1 工程應用現狀及對策

1.1 工程勘察

1.1.1 應用現狀

巖石地基的劃分方法：(1)按照巖石堅硬程度(定性判斷或根據飽和單軸抗壓強度值來確定)劃分為硬質巖、軟質巖；(2)根據巖石自身結構特性定性劃分為未風化、微風化、中等風化、強風化、全風化； (3)根據巖石基礎的堅硬程度與風化程度，確定巖石錨桿基礎的相關計算參數。這3種分類方法為定性判別，巖石類別的判定很大程度上依賴于現場勘探技術人員的經驗，缺少必要的定量判定方法。

1.1.2 解決對策

由于缺乏統一的勘察和評價方法，應重點加強巖石錨桿基礎地段的巖土工程勘察［10-11］。首先，對輸電線路巖石進行巖體質量分級［12］；其次，根據巖體質量分級標準確定的相關地質參數，對巖石基礎進行現場工程地質勘察，輔以必要的鉆探、物探等科學方法，減少主觀的評價因素，增加量化評價巖體質量的方法，提高巖石基礎設計參數勘測工作的精度與水平。

在具體工程中，首先必須逐基查明塔位的地質狀況，采用定性與定量相結合的方法，以現場工程地質調查和測繪為主，輔助以探槽、坑探等實地工作，必要時結合物探手段，以提高勘察工作的精度與水平。

1.2 工程設計

1.2.1 應用現狀

規范規定的巖石錨桿基礎相關計算參數的取值區間過大，即使精準判定巖石基礎的類別，相關計算參數的取值仍存在一定的偏差，設計人員不得不選擇最為保守的參數作為設計計算指標，基礎安全穩定系數往往偏于保守，不符合“資源節約型、環境友好型”的輸電線路工程建設目標。

(1)設計方法。各種行業規范對巖石錨桿承載力計算的規定主要是依據錨筋承載力、錨筋與砂漿的粘結力、砂漿與巖體的粘結力、巖體抗剪承載力等4個方面來確定的［13］。邊坡工程、公路路基、鐵路路基對巖石錨桿承載力的計算是基于對不穩定巖石邊坡的加固處理，由于不存在結構體整體向上拔出的問題，只需驗算錨筋承載力、錨筋與砂漿的粘結力、砂漿與巖體的粘結力。針對抗浮錨桿、溢洪道問題，電力行業的解決策略是通過錨桿的作用由巖石向構筑物提供拉力，這樣不僅可能發生錨筋斷裂、錨筋抽出剪切破壞、錨固體抽出破壞，而且還可能發生錨桿連同巖體一起整體拔出破壞的特殊形式，因此需驗算上述4種破壞狀態。目前，建筑行業通過增加錨桿長度來抵消抗浮錨桿發生巖石剪切破壞的概率［14］，在設計過程中不予計算。

(2)計算參數的選取。1)錨筋承載力計算。為保證錨筋自身不產生屈服變形破壞，應按照鋼筋的抗拉強度設計值進行驗算。2)錨筋與砂漿的粘結力計算。現場真型試驗的統計結果表明，錨筋與砂漿或細石混凝土間的粘結強度對于C20級砂漿或細石混凝土取 1.80 MPa，C30級砂漿或細石混凝土取2.5 MPa。3)砂漿與巖體的粘結力計算。目前，電力行業按照硬巖與軟巖并結合風化程度給出了砂漿或細石混凝土與巖體的粘結強度取值，取值區間過大；而邊坡工程、公路路基、鐵路路基、建筑行業溢洪道等，均按照巖石堅硬程度分5個等級(堅硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖)，并給出了取值標準。實際上，巖石的堅硬程度中已考慮了巖石風化程度，結合目前國內通用的工程巖體分級標準，建議電力行業規范按照巖石堅硬程度給出合適的取值。4)巖石抗剪承載力計算。盡管需要將裂縫與變形綜合考慮，但大量的現場真型試驗結果表明，巖石等代極限剪切強度取值明顯偏小，且隨著錨桿埋深的增加，一般很難發生巖體剪切破壞，因此應根據巖石堅硬程度，適當考慮提高巖石等代極限剪切強度的取值。

(3)錨桿錨固長度。目前，實際輸電線路工程中錨桿錨固長度的設置多依據設計經驗，錨固長度往往較長。現場試驗表明，錨桿承載力與錨固深度呈非線性關系［15］。相關資料表明，當錨桿長度足夠長時，錨桿軸力隨深度而衰減，當軸力衰減到一定程度以后，超出部分可以近似認為不承受持荷作用［16-19］。因此，巖石錨桿基礎錨固深度存在臨界值，超過該值后，增加錨固深度無助于提高錨桿的極限承載力。

1.2.2 解決對策

設計時，根據巖石錨桿基礎的勘察結果，結合巖石堅硬程度，對砂漿與巖體的粘結強度、巖石等代極限剪切強度的取值標準進行修正。

設計錨桿錨固長度時，應結合具體現場施工工藝，建議輸電線路巖石錨桿基礎的錨固深度不小于1.5 m，不宜大于5.0 m。

1.3 工程施工

巖石錨桿基礎施工存在2個問題：其一，施工機器具的輕便性不滿足要求，對于輸電線路工程，材料或施工機械的運輸便利性至關重要，因此研發拆裝方便、自重輕的機器具是巖石錨桿基礎應用的關鍵之一；其二，施工的規范性有待提高，主要是成孔與灌漿的標準化流程，通過規范機械化操作的施工工藝，能有效控制和提高基礎施工質量。

(1)成孔要求。錨孔的成孔包括人工打孔與機械鉆孔，成孔直徑不得產生負誤差，正誤差宜為20 mm；成孔深度的允許誤差為±20 mm［20-21］。成孔后，必須清除孔內的石粉、浮土及石渣等，并用清水清洗干凈，然后用泡沫塑料將水吸干。機械鉆孔時，應針對巖石硬度選擇不同的鉆頭，對微風化的硬質巖石，應選擇金剛石鉆頭。

(2)灌漿要求。灌漿效果不好，會出現鋼筋腐蝕或銹蝕而導致其使用期限降低，因此應加強對水泥砂漿或細石混凝土等灌漿材料的施工工藝與灌漿質量控制，應保證孔壁干凈。現場真型試驗表明，高壓二次灌漿工藝施工復雜，不建議應用。建議在水泥砂漿或細石混凝土等灌漿料中摻入膨脹劑，以提高漿體與巖土間的粘結強度，但設計中僅僅作為安全儲備考慮。

1.3.2 解決對策

施工流程的規范化與施工機器具的研制是巖石錨桿基礎工程應用中需要解決的關鍵問題，研制輕便、便攜的巖石錨桿基礎鉆機，以解決其在輸電線路工程中運輸不便的問題。

1.4 工程檢測

選取2016年12月至2017年12月在我院治療的ST抬高型急性心肌梗死患者40例為研究對象,其中,男22例,女18例,平均年齡(64.9±4.3)歲。患者均符合急性心肌梗死的相關診斷標準,排除溶栓禁忌癥患者。將患者按照隨機方法分為A組和B組各20例,A組梗死部位:前壁11例,下壁7例,其他部位2例;既往病史:高血壓10例,冠心病14例,心肌梗死3例;B組梗死部位:前壁10例,下壁8例,其他部位2例;既往病史:高血壓12例,冠心病15例,心肌梗死2例;兩組一般資料差異不存在統計學意義(P>0.05),具有可比性。

由于地質條件千差萬別，巖石錨桿基礎在施工過程中會遇到各種問題，需加強現場的檢測與檢驗工作，以確保巖石錨桿基礎施工的成功率。錨桿質量檢測主要包括拉拔試驗法與應力波反射法［22-23］。拉拔試驗法準確可靠，但試驗過程復雜，只能進行少量抽檢；應力波反射法在檢測巖石錨桿基礎錨固質量方面有別于樁基檢測，目前很難根據實測信號對錨桿質量給出準確的評價，尚未進入大范圍實用階段。

在施工質量檢測方面，建議采用孔內電視［24］等技術提高鉆孔的測量精度，同時可清晰揭示孔內的巖石節理、裂隙發育程度。

1.5 經濟性分析

從技術經濟角度，目前最急需解決的巖石錨桿基礎問題是施工計價定額依據［25］。錨桿施工的土石方量小，雖工程應用價值大，但是巖石錨桿基礎沒有全國統一的電力行業定額，施工單位施工積極性低。另外，應用巖石錨桿基礎應充分考慮施工條件和施工工藝的便利性，應盡量集中在線路的某一區段。

2 研究方向

2.1 高強度鋼

巖石錨桿基礎現場試驗的統計結果表明，60％以上的巖石錨桿基礎破壞狀態為錨筋被拉斷破壞，其次是錨筋從砂漿中抽出破壞，而砂漿與巖體的粘結強度及巖石抗剪承載力一般不起控制作用［6］。

目前，輸電線路巖石錨筋基礎的錨筋普遍采用HPB235、HRB335鋼筋，鋼筋屈服強度較低，使得巖石的抗剪性能、巖石和砂漿的粘結強度、錨筋和砂漿的粘結強度等無法得到充分發揮，尤其是當基礎作用力較大時，使用的錨筋根數大幅增加，使得基礎的經濟優勢不明顯。

若將錨筋的屈服強度提高1～2倍，如采用HRB400或40Cr等高強鋼，盡管鋼材單價會提高，但綜合本體造價會節約20％～40％，其環保和經濟效應將更加明顯［26］。目前，高強度錨筋已在遼寧撫程500 kV送電線路新建工程中試點應用。

2.2 漲殼式新結構

漲殼式錨桿主要用于搶修或緊急輸電線路工程，如圖1所示。錨桿底部安裝有漲殼錨頭，錨桿插入孔內后，通過旋轉錨桿施加扭矩，可使漲殼錨頭張開，緊鎖孔壁，在未注漿前即能承受一定的拉拔力，使得基礎具備立塔條件，從而節約了砂漿或細石混凝土達到凝固強度的時間。由于底部漲殼錨頭的作用，錨桿錨固作用明顯提高，壓應力及區域明顯增大，變形量也明顯降低，承載力得到提高，但其整體承載力的提高程度與漲殼錨頭型式和施工工藝密切相關。

圖1 漲殼式錨桿結構Fig.1 Structure of swelled rock anchor

2.3 擴底錨樁新工藝

擴底錨樁基礎如圖2所示，其作用機理為通過底部構造措施改善錨桿上部內力集中現象，增加巖石錨桿基礎的抗拔穩定性［27］。

圖2 巖石擴底錨樁Fig.2 Belled rock-anchor pile

文獻［28］進行了擴底錨樁基礎的現場真型試驗，通過上部纏繞、下部擴底技術來提高基礎的承載力。然而，從荷載位移曲線看，其最大位移值僅2.06 mm，未達到破壞標準，現場試驗均未達到破壞狀態。擴底錨樁的承載性能能否提高，取決于錨桿的破壞狀態，目前輸電線路工程中的巖石錨桿基礎埋深較深，很少發生巖體剪切破壞，因此其承載力不一定能得到提高。實質上，擴底錨樁基礎通過上部纏繞方式形成自由段，桿塔荷載能直接傳遞到錨桿底部，這樣就不會再受到表層破碎巖體的影響而限制錨桿的使用范圍，從而可擴大巖石錨桿基礎的適用范圍，這一點是擴底錨樁的優勢所在。錨孔擴底施工技術費用較高，與傳統的巖石錨桿基礎相比經濟性差。

2.4 新型基礎

針對覆蓋層較厚的山區輸電線路工程，單純采用巖石錨桿基礎的經濟性與環保性不顯著，應結合具體地質條件選擇合適的新型環保型桿塔基礎型式。

針對上部粘土層、下部巖層的山區地質條件，將掏挖基礎與巖石錨桿聯合形成的復合式基礎，如圖3所示。復合式基礎充分利用原狀土、減少土方開挖量，無需爆破巖層、便于施工，利于保護環境。目前，復合式基礎的荷載傳遞機理與變形協調機理尚不清晰，尚無成熟的設計計算方法，因此需要大量的現場真型試驗來確保其可靠性。

圖3 復合式基礎Fig.3 Com posite foundation

針對上部覆蓋層為松散土體、下部巖層的山區地質條件，可考慮采用由錨筋構成的錨筋群樁基礎，如圖4所示。由于錨筋直徑相對較細(不大于36mm)，孔徑也較小，可采用人工方式進行成孔。但由于錨筋數量較多，其樁間距大小影響整體承載力，因此應加強群錨效應系數的研究，通過真型試驗來驗證其整體承載性能。

圖4 錨筋群樁基礎Fig.4 Group steels foundation

3 結語

(1)在勘察方面，首先要逐基、逐腿進行勘測，采用定性分析與定量數據相結合，充分利用先進的物探設備，保證巖石地質勘察的精度與準確性。

(2)在設計方面，要重視砂漿或細石混凝土的粘結強度、巖石等代極限剪切強度的取值標準，要合理確定錨桿長度。

(3)在施工與檢測方面，要加強對鉆孔與灌漿的標準化流程的監督，同時要積極研發新型輕便型的鉆機設備，要加強施工質量的檢測技術。

(4)在技術經濟方面，要盡快制定巖石錨桿基礎的施工計價定額依據。

(5)在新材料、新工藝、新技術方面，通過采用高強度鋼材、漲殼技術、錨孔擴底技術等措施改善巖石錨桿基礎的承載性能，通過采用新型復合式基礎、錨筋群樁基礎等基礎型式提高巖石錨桿基礎的應用范圍。

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