臨接高速公路的輸電鐵塔基礎改造加固研究

張佰慶，康宇斌，謝 偉，余波明

(國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 221102)

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臨接高速公路的輸電鐵塔基礎改造加固研究

張佰慶，康宇斌，謝 偉，余波明

(國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 221102)

〔摘 要〕針對高速公路路面與桿塔基礎面和斷面布置上產生的沖突，以徐賈快速通道與500 kV國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底階板帶方式，將外側2個上拔基礎澆筑為聯合基礎，使其具有優良的抗拔和抗傾覆性能，還可避免道路開挖施工對基礎造成水平相對位移等影響，為以后開展輸電鐵塔基礎改造工程提供了經驗。

〔關鍵詞〕輸電鐵塔；聯合基礎；改造加固

0　引言

徐賈快速通道在K9+573.4到K9+596里程段經由500 kV國岱線42號鐵塔基礎，圖1和圖2分別為道路與鐵路基礎的相對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在平面和斷面布置上產生沖突，其道路U型槽的邊界進入鐵塔基礎平面的范圍在K9+573.4和K9+596里程處分別達到1.62 m和0.67 m，這給道路施工帶來了困難。因此，為了該道路的順利施工，應將鐵塔基礎(包括下部的防護大板和上部的獨立基礎)相應沖突部分拆除，對基礎進行加固，以確保道路施工期間和施工完成后，輸電鐵塔的安全穩定運行。

1　基礎改造方法概述

由于道路與基礎防護大板以及部分底階位置突出，必須將防護大板和獨立基礎的相應部位切割去除，待道路U型槽的側面墻體施工完成后，再進行基礎覆土回填；同時，在切割前應對基礎進行加固。本工程采用植筋澆筑方法，將臨近道路一側的2個獨立基礎接為新的聯合基礎。

圖1　車道與國岱線42號鐵塔基礎平面相對位置示意

由于本工程涉及超高壓輸電線路，應高度重視工程各個環節的安全性。在進行工程改造和加固前，應采取合理、可靠的措施對輸電鐵塔進行臨時加固，并進行不間斷地監測監控；應盡量避免在大風天氣下施工，以免因開挖基礎上部填土造成鐵塔基礎抗拔力減小，導致鐵塔傾覆等不良后果。

圖2　道路K9+573.4里程與基礎斷面處相對位置示意

總體而言，本次施工的總體流程為：輸電鐵塔的臨時加固→基礎上覆土開挖→基礎加固→基礎改造切割→地基回填土。

本工程進行置筋加固時，采用混凝土等級為C25，受力主筋為HRB400，箍筋為HPB300。

2　輸電鐵塔基礎改造關鍵技術

2.1輸電鐵塔臨時加固和變形監測

輸電鐵塔是一種高聳結構物，在本次施工中，由于對其獨立長柱基礎進行改造，涉及地基土開挖和基礎切割等工藝，易對輸電鐵塔造成不均勻沉降和傾斜等影響。因此，在對基礎進行施工前，應對輸電鐵塔做好充分加固措施，同時做好輸電鐵塔傾斜變形的實時監測和預警工作，避免發生傾覆。具體實施辦法為：本次施工共設置4根保護拉線(X型四方拉線)，拉線頂部打在橫擔與塔身連接點處，對橫擔水平夾角成45°；4根拉線暫處于松弛狀態，在施工過程中必要時施力，對輸電鐵塔起保護作用。

在整個施工過程中，應有專人進行輸電鐵塔的變形監測，尤其是傾斜變形監測，具體辦法如下。

(1)在輸電鐵塔橫擔方向和相應垂直方向，分別設置變形觀測點，觀測點距相近塔腿的水平距離為50 m。

(2)在觀測點設置經緯儀，在輸電鐵塔主材上設置觀測標志。

(3)開始施工后，每隔30 min(非施工時間可增加間隔時間)進行1次傾斜變形和基礎不均勻沉降變形觀測，并做好數據記錄。當發現輸電鐵塔傾斜值和基礎不均勻沉降形變明顯增大時，應及時發出警告，查明原因并正確處理后方可繼續施工。

2.2長柱獨立基礎底階的植筋和混凝土澆筑

基礎在道路一側進行切割后，抗拔力會被削弱，故應事先通過基礎植筋將受影響一側的2個長柱基礎澆筑成聯合基礎，施工方法如下。

(1)人工開挖基礎覆土，直到露出下部防護大板為止，覆土開挖范圍如圖3中虛線標注。開挖時要防止土壁坍塌。

圖3　基礎開挖示意

(2)清除開挖范圍內基礎和大板上部的覆土、污垢等物。

(3)進行鋼筋下料工作，待植入鋼筋長度1 000 m，鋼筋數量100根，并對錨固端做好打磨除銹工作；準備長度5 500 mm的基礎受力筋和長度6 000 mm的分布筋，各50根。以上鋼筋直徑均為14 mm，鋼筋等級為HRB400。

(4)在圖4所示陰影范圍內的基礎第1臺階內，先用電錘鑿除基礎內側保護層，然后用電鉆機沿第1臺階上下邊打孔，靠近大板邊沿時，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，鉆孔時應避免截斷基礎原有鋼筋。

圖4　聯合基礎設模澆筑示意

(5)用毛刷和電吹風機將孔內的粉塵清除干凈，并仔細檢查孔徑、孔深和粉塵情況，滿足要求后進行下一道工序。

(6)按比例調配結構膠，用鋼筋推入孔內，并保證膠量不少于孔深的80 %。

(7)迅速將待植鋼筋插入孔內，并保持單向旋轉，使其達到設計深度。

(8)結構養護2-3 h后，進行拉拔試驗。本次施工只有1種鋼筋，故進行1個組別共3根鋼筋的拉拔試驗驗，滿足要求后進行下一道工序。

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

(10)在圖4所示的陰影部分架設模板，澆筑混凝土(C25)，并進行養護。

2.3基礎和大板的切割施工

混凝土施工后至少要養護3天，再開始進行基礎和大板的切割施工。

(1)切割范圍如圖4中虛線所示。

(2)切割施工采用自動切割機，先對獨立基礎的底階沿圖4中切線切割拆除。由于底階厚度達到600 mm，應分層進行切割。每次切割完成后，用電錘和氣割切割外側混凝土和鋼筋；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，即可回填和壓實基礎和大板上部地基土?；靥畹鼗習r，應分層分區均勻碾壓，每回填300 mm，碾壓200 mm。

3　 改造后獨立基礎穩定性評價

本次基礎穩定性評價對象是受切割影響的2個獨立基礎(均為外側上拔基礎)?，F行《架空輸電線路基礎設計規定》及相關規程中均未明確規定輸電鐵塔復合大板的計算方法?，F有改造主要從構造入手，其作用相當于在4個獨立長柱基礎下部增加1個較厚的墊層，因而無需另行驗算大板底部地基的承載力；同時由于存在防護大板，獨立基礎的抗壓驗算均能符合要求。

在基礎改造中，由于對臨接道路的2個基礎底階進行了切除，使其抗拔承載力受到較大影響，故僅對改造后獨立基礎的抗拔穩定性進行重點驗算，并考慮一定的安全裕度。在驗算時，不考慮后澆底階(2個基礎的連接部分)的有利影響作用。

另外，本改造基礎為寬基基礎，基礎主柱露出設計地面僅為300 mm，故一般可不驗算抗傾覆穩定和柱頂位移。但為了安全起見，仍需對垂直基礎切割邊方向的傾覆穩定性進行驗算。

3.1輸電鐵塔概況

500 kV國岱線42號輸電鐵塔為JT26型轉角塔，轉角47.58°，呼高27 m，總高41.5 m，水平檔距453 m，垂直檔距579 m，設計風速30 m/s，設計覆冰10 mm，導線型號4×LGJ-630/45，地線型號JL/LB1A-95/55，單塔重28.807 t。

鐵塔基礎為BC96型防護大板基礎，其具體做法是在4個鐵塔基礎下部再增設1塊鋼筋混凝土現澆大板，該鐵塔的三維桁梁結構有限元模型如圖5所示。

圖5　三維桁梁結構有限元模型示意

3.2工程地質概況

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

通過對圖5所示的桁梁混合結構鐵塔建立有限元模型，并參考鐵塔運行參數計算鐵塔荷載后，對模型進行加載，確定出獨立長柱基礎的驗算荷載(標準值)為：

上拔基礎：T=908 kN，Hx=227 kN，Hy=200 kN，

N=553 kN，Hx=227 kN，Hy=200 kN；

下壓基礎：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均為上拔基礎，其相應的基礎作用力(設計值)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改造后獨立基礎的抗拔穩定驗算

本工程基礎的抗拔土體為回填土，且基礎埋深為2.7 m，與基礎邊長7.4 m之比小于5(見文獻[2])，故本工程中獨立基礎的抗拔穩定性驗算采用土重法計算?？紤]到季節性變化的影響及安全因素，本工程中覆土和基礎本身的自重均按浮容量計算。

綜上所述，抗拔穩定性驗算公式應為：

式中：γf—基礎抗拔附加分項系數，本工程為重力式基礎，轉角塔，取γf=1.10；TE—基礎上拔力設計值，kN；γE—水平力影響系數，由《架空送電線路基礎設計技術規定》表6.2.1-2按照水平力與上拔力的比值確定；γs—基礎底面以上土的加權平均重度，本工程按浮容重考慮，kN/m3；γθ1—基礎底板上平面坡角影響系數，當坡角<45°時取0.8，當坡角≥45°時取1.0；Vt—基礎埋深范圍內土和基礎的體積，m3；ΔVt—相鄰基礎影響的微體積，m3，本例中取0；V0—基礎埋深范圍內的基礎體積，m3；Qf—基礎自重力，本工程按混凝土浮容重計算，kN。

在本工程中，各參數計算選取如下：

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。

將參數代入式(1)可得：

因此，基礎在切割改造后能滿足抗拔穩定性的要求。上述計算中，對覆土和基礎的自重均按浮容重計算，比較安全；同時基礎之間的后澆板帶對其抗拔能力也有顯著提高作用，改造后的基礎抗拔性能有足夠的安全裕度。

3.4改造后獨立基礎的抗傾覆穩定性驗算

基礎埋深與側面寬度之比不大于3階的基礎(臺階多于2階的均折算成1個臺階驗算)，其傾覆穩定驗算應符合下式要求：

式中：γf—基礎抗傾覆附加分項系數，本工程為重力式基礎，轉角塔，故取γf=1.60；S0—上部結構水平力設計值，kN；H0—上部結構水平力作用點距設計地面的垂直高度，m；E—被動土壓力；E=maht2/2，ht—基礎埋深，m；fβ=tanβ，β為等代內摩察角，°；a1，b1—基礎底階和基礎主柱在水平方向上的尺寸，m；a0—基礎底階在水平力垂直方向上的計算寬度，a0=(h12×K0-h12×K0′)·a/(ht2-h12)，m；h1—基礎主柱在地面以下的長度，m；K0，K0′為空間增大系數；θ=h1/ ht；y—地基反力，y=(F+G-γfS0fβ)/(1+fβ2)≤0.8a1a0fa，且y＞0。

本工程中，各參數計算選取如下：

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y取最小值0時，上式成立。這說明在其他各種工況下，改造后獨立基礎的抗傾覆穩定性均能滿足要求。

4　 結束語

(1)在完成基礎的改造加固后，500 kV國岱線42號輸電鐵塔基礎的抗拔穩定性和抗傾覆穩定性均能滿足要求，輸電鐵塔基礎及其上部結構是安全可靠的。

(2)在進行基礎改造施工時，應采取措施，盡量減少基礎的水平位移(基礎主柱頂部水平位移不超過10 mm)?；A改造后，盡快完成覆土回填和夯實工作，施工時應分層、分區均勻夯實。如有必要，可在基礎覆土回填壓實后，通過放松地腳螺栓釋放鐵塔結構的不利應力，但必須對鐵塔采取可靠的臨時加固措施。

(3)相對于單純增大獨立基礎混凝土，本工程采取植筋后澆筑基礎底階板帶的方法，將外側2個上拔基礎澆筑為聯合基礎，不僅具有優良的抗拔和抗傾覆性能，還可避免因道路開挖施工對基礎造成的水平相對位移等不利作用。本文研究內容為以后開展此類型輸電鐵塔基礎改造工程，提供了工作經驗，可供同行參考。

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9 郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

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

康宇斌(1978-)，男，高級工程師，從事輸電運檢管理工作。

謝 偉(1985-)，男，工程師，主要從事輸電運檢管理工作。

余波明(1986-)，男，工程師，主要從事輸電運檢管理工作。

作者簡介：

收稿日期：2015-10-29。