巖石錨桿基礎在直流工程中的應用

李 群，張 劍，田文博，李 帥，王公陽

（1.中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.國網臨沂供電公司，山東 臨沂 276003；3.國網山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257091；4.國網山東省電力公司建設公司，山東 濟南 250001）

0 引言

在“±800 kV上海廟—山東特高壓直流輸電線路工程”設計過程中，根據沿線地形、地貌、地質水文情況，結合沿線地基土和地下水的腐蝕性，參照基礎設計原則，在覆蓋層較薄的完整巖石地區采用巖石錨桿基礎。巖石錨桿基礎采用成孔機械在巖石中鉆孔，然后在巖孔內將加工成型的錨筋植入，最后澆筑細石混凝土，使其與基巖粘結成一良好的整體。該基礎既能利用巖石自身的強度，又具有土方開挖量和棄土量少，施工方便，物料運輸量少，施工周期短，工程成本低等特點，進而保持土體和植被的原生態，有效地防止水土流失。巖石錨桿基礎的社會、環保和經濟效益優勢明顯。這是節約型社會所提倡的。隨著勘測設計水平的提高，施工工藝不斷的改進，山東地區線路工程經驗的積累，必將逐步成熟推廣。

1 概述

基礎設計必須依據線路工程的地形、地質和施工條件，按照“安全可靠、方便施工、便于運行、注重環保、節省投資”的原則，綜合考慮地質和交通運輸條件，進行基礎方案的選擇與優化。在基巖平丘區覆蓋層較薄的完整巖石地區，采用巖石錨桿基礎。從技術合理性、施工可行性和環保要求的角度考慮，此基礎形式基坑土石方量小，鋼筋量，混凝土方量小，造價低。此基礎形式具有適用范圍廣、施工工程量小、材料消耗低、施工簡易等優點。

±800 kV上海廟—山東特高壓直流輸電工程，第14標段（設計包），起始點為山東省寧陽縣磁窯鎮西南的安子溝北（N4801），終止點為平邑與蒙陰縣分界處（蒙陰縣聯城鎮李家榛子崖西南）（N4945），路徑長度為71.1 km，沿線地貌單元主要為丘陵與低山為主。基巖風化十分復雜，風化程度不一，大部分段強風化層厚度約2～5m，巖體破碎，完整性差，但個別塔位甚至出露有中風化基巖面，巖體完整性相對較好。

在巖體完整性較好的地段，巖石錨桿基礎可充分利用巖石的力學性能，具有節省材料，減少運輸成本、施工周期短等特點。巖石錨桿基礎是由3種材料（鋼筋、漿體、巖體）兩個界面（鋼筋—漿體界面、漿體—巖石界面）組成的環保型基礎，對植被、山體破壞非常小，工程沿線地形為平丘，交通運輸方便，在基巖裸露且基巖比較完整的塔位，基礎采用巖石錨桿基礎。

2 設計方案

2.1 設計原則

結合工程地形、地質特點及運輸條件，綜合分析比較，選擇適宜的基礎型式；在安全、可靠的前提下，盡量做到經濟、環保，減少施工對環境的破壞；充分發揮每種基礎型式的特點，針對不同的地形、地質，選擇不同的基礎型式。

選用適宜的基礎型式，減少基礎水平作用力以及該力引起的彎矩效應，優化基礎整體受力情況；盡可能利用原狀土地基變形小，承載力高的力學特性，較為合理地采用原狀土基礎；減少水土流失，保護環境；重視施工過程和質量的可控制性。

2.2 設計條件

以工程中使用的64.0m呼高的直線塔Z27104基礎作用力作為荷載條件，以基巖裸露且基巖比較完整的N4869塔位作為地基參數條件。

該塔位位于低山丘陵（頂部），青灰色，等粒結構，塊狀構造，主要成分為石英、長石及黑云母，節理裂隙發育，巖體破碎，完整性較差，巖芯呈塊狀/短柱狀；巖體風化強烈，地表0.5m全風化，以下呈強風化狀，2.5m以下見中風化巖。

2.2.1 工程地質

N4869塔位巖石地基主要物理力學性質指標如表1所示，桿塔基礎荷載如表2所示。

表1 N4869塔位巖石地基主要物理力學性質指標

表2 桿塔基礎荷載

鋼筋與砂漿或細石砼間的粘結強度τa=3 000 kPa；砂漿或細石砼與巖石間的粘結強度τb=700 kPa；巖石等代極限剪切強度 τs=45 kPa。

2.2.2 基礎材料

混凝土：主柱和承臺的混凝土強度等級采用C30，錨樁填充用的細石混凝土強度采用C30等級，保護帽混凝土采用C15等級。

鋼筋：錨筋、主筋為HRB400級鋼筋，其余為HPB300級鋼筋。

地腳螺栓：采用42CrMo合金鋼。

2.2.3 基礎設計方案

采用承臺式群錨樁基礎，具體布置如圖1所示。

具體基礎尺寸：錨樁數量為9；錨筋規格為HRB400mm；錨筋直徑為42mm，采購問題和貼筋焊接問題，可考慮采用并筋；錨樁直徑為150 mm；錨樁中心間距為500 mm；錨樁邊距為400mm；承臺寬度為1 800mm；承臺高度為1250mm；承臺嵌巖深度為0mm；承臺柱寬度為1000mm；承臺柱長度為1 200mm。

桿塔基礎的主要荷載包括豎向力 （即上拔力和下壓力）、橫向水平力及縱向水平力以及由此產生的彎矩等。所以巖石錨桿基礎強度計算主要有4個承載力的計算要求（單根錨筋承載力Ti、單根錨筋與砂漿粘結承載力Ti、單根錨樁與巖石間粘結承載力TE、巖石抗剪承載力TE），計算時均需滿足，并采用基礎的附加分項系數γf。其次按照混凝土結構設計規范的要求，在上拔或下壓情況下，對柱下承臺沖切Fl、承臺受角樁沖切V、承臺受彎M進行驗算。最后滿足構造、施工要求。

1）錨筋承載力計算［1-2］：

圖1 群錨樁布置

式中：Ti為單根錨筋強度的上拔力，kN；TE為基礎上拔力設計值，kN；fy為鋼筋抗拉強度設計值，N/mm2；A n為單根錨筋截面面積，mm2；γf為基礎附加分項系數；τa為鋼筋與細石混凝土間的黏結強度，N/mm2；τb為細石混凝土與巖石間的黏結強度，N/mm2；τs為巖石等代極限剪切強度，N/mm2；a為群錨樁外切直徑，m；Fl為沖切力設計值，kN；βhp為承臺受沖切承載力截面高度影響系數；β0為柱沖切系數；um為承臺沖切破壞椎體一半有效高度處的周長，m；ft為混凝土抗拉強度設計值，N/mm2；Nl為錨樁反力設計值，kN；β1為柱沖切系數；c為錨樁內側距承臺邊緣的距離，m；a1為主柱邊緣距錨樁內側的距離，m；v為最大剪力設計值，kN；βhs為受剪切承載力截面高度影響系數；α為承臺剪切系數；b0為承臺計算截面處的計算寬度，m；M 為彎矩設計值，kN·m；A s為鋼筋的截面面積，mm2；α′s為受壓區鋼筋合力點至截面受壓邊緣的距離，m；d為錨筋直徑，m；D 為錨樁直徑，m；l0為錨筋的有效錨固長度，m；h0為承臺計算截面處的有效高度 （錨樁的有效錨固深度），m；Gf為基礎的自重，kN。按照上述公式計算得出：承載力、沖切、受彎均滿足要求。

3）基礎優化。

在巖石錨桿基礎設計的過程中，又對巖石錨桿基礎進行了可行、細致的優化設計工作。在設計中增加錨筋直徑、減少了錨桿數量、優化錨孔間距、減小錨樁承臺尺寸，減少基礎混凝土量，并對基礎主柱預偏心，減少或抵消部分由水平力引起的彎矩，進而減少錨桿受力。以上優化對基礎自身受力、施工、環保都起到了很好的作用。

根據工程地形、地質及基礎作用力特點和安全、經濟、環保的原則，推薦本工程基巖條件下采用基礎型式，對于覆蓋層較薄或裸露的硬質微風化或中風化巖石塔基，宜優先采用巖石錨桿基礎。

2.2.4 機械化施工

隨著特高壓線路工程的陸續投建，相比傳統的人工開挖方式，機械化開挖在施工效率、安全性等方面的優勢日趨突顯。因此，綜合考慮地形地貌、地質、環境保護、水土保持、設備性能、施工平臺修筑、工期等限制機械化施工因素，通過對基礎施工機械的調研，提出不同的地質、地形條件可采用的施工機械，以滿足機械化施工的要求［4］。

平丘地區的巖石錨桿基礎在地形和地質上能夠滿足機械化施工要求，并具有很好的經濟效益，通過在設計中考慮機械化施工方案，將極大提高施工效率，保證工程質量和工期。

巖石錨桿基礎機械化施工主要集中在錨桿鉆孔上，錨桿鉆機是錨桿鉆孔的關鍵設備，影響著錨桿基礎的質量——錨桿孔的方位、深度、孔徑的準確性。經過向施工單位及廠家調研，施工階段優先選擇旋轉式鉆機。該鉆機應具有足夠的鉆速、扭矩與推力，能夠保證成孔質量。機械鉆孔時，根據巖石硬度的不同選擇合適鉆頭。適用于巖石錨桿施工成孔。

隨著輸電線路工程快速建設，機械化施工程度高、經濟環保的巖石錨桿基礎應用比例將逐步提高。

3 施工及過程控制

巖石成孔后，應有地質專業人員驗孔，確定巖性滿足條件，方可進行下一步工作。鉆孔完成后，將錨筋置于孔內居中，錨筋周邊與孔壁距離應均勻［5］。

錨桿基礎鉆孔時不得擾動周圍地層，鉆孔時應有可靠固定措施以防止因移位而產生偏差，鉆孔深度不應小于設計深度，但也不宜超過100mm。

倒換鉆具時，必須用鐵板或木塞等將錨孔封堵，防止鉆頭掉入孔內。鉆孔施工完成后，移開鉆孔設備，清理基面四周的泥水、粉砂、碎石。錨孔清洗前應對其他錨孔覆蓋，防止泥水、碎石等雜物掉入孔內。

錨桿桿體施工前應平直、除油和除銹，安放桿體時應防止扭壓和彎曲，桿體垂直放入鉆孔內，不得磕碰孔壁，防止雜物帶入孔內。

錨孔內細石混凝土應分層灌注，并搗固密實，分層高度小于300mm，每一次搗固必須徹底均勻。承臺混凝土采用機械搗固，以保證質量。錨孔內灌注細石砼和搗固時不得撞擊和搖晃錨桿，注細石砼后不得隨意敲擊桿體，也不得在桿體上懸掛重物。

基坑回填土時基坑內不得有水及雜物，回填土中樹根雜草必須清除。回填土應分層夯實，每層厚200～300mm，坑面上必須筑防沉層，一般土質基坑防沉層厚不小于300mm，不易夯實土質基坑防沉層厚不小于500mm，防沉層平面尺寸不得小于坑口。

承臺混凝土澆注前應清除錨桿外露部分的砂漿，使錨桿露出。承臺施工應在灌漿體固結、初凝后進行。承臺混凝土澆注過程中，應反復振搗混凝土，待混凝土初凝后，用砂掩埋養護承臺。

巖石錨桿基礎施工執行 《國家電網公司輸變電工程標準工藝》（2014版）第0201010201條，上述規定如與標準工藝矛盾的以標準工藝為準。

4 結語

巖石錨桿基礎能夠充分利用原狀土地基變形小，承載力高的力學特性。輸電線路鐵塔基礎相對比較分散，因此總是處于不同地質條件中，地基和基礎相互作用，共同承擔著桿塔荷載。基礎承載力不僅與基礎自身強度有關，同時也取決于地基土的特性。與工民建基礎不同，桿塔基礎長期承受拉壓荷載的反復作用，桿塔基礎通常由抗拔和抗傾覆這兩方面的因素控制。大開挖類基礎上拔力主要由回填土及自重承擔，假如沒有充分發揮回填土的強度，結果回填土與基坑側面之間不能形成良好的粘聚力，受上拔作用力時不能形成抗拔倒錐體，使該種基礎抗拔承載力減弱，變形增大。所以，充分利用原狀土地基變形小，承載力高的力學特性，是選取基礎型式的基本原則。巖石錨桿基礎就是充分利用原狀土特性，進而發揮該基礎型式的優點。

優化基礎在設計中增加錨筋直徑、減少了錨桿數量、優化錨孔間距、減小錨樁承臺尺寸，減少基礎混凝土量，并對基礎主柱預偏心，減少或抵消部分由水平力引起的彎矩，進而減少錨桿受力。以上優化對基礎自身受力、施工、環保都起到了很好的作用。

達到工程的環保要求。鐵塔基礎設計時必須考慮到環保要求，巖石錨桿基礎完全可以和鐵塔的全方位高低腿結合使用。盡可能做到不開基面，或少開基面，以最大程度減少棄土工程量，進而保護生態環境。

節約材料量。通過對本基礎與一般掏挖基礎相比較，直線塔一般可節約混凝土25.1%～30.3%，總造價節省4.9%～10.6%。由于選擇巖石錨桿基礎，還能進一步減少基礎埋深，減小土石方量，方便施工。

針對工程實際情況選用可行的施工過程機械化，以人為本減輕勞動強度，施工過程機械化，提高成孔質量和施工效率，縮短了施工工期。