輸電線路裝配式承臺錨桿基礎形式研究

陳 焰，羅 旭，王新寬 ，陳海兵，廖綦楠

（1.重慶電力設計院有限責任公司，重慶 401121；2.重慶市電力公司，重慶 400014）

桿塔基礎作為輸電線路工程體系中的重要組成部分，其造價、工期、材料和勞動消耗量占很大比重。因此，優化、創新輸電線路基礎設計意義重大。

目前，國內外不少學者圍繞輸電線路裝配式基礎設計施工、形式優化做了很多研究，取得了較為豐富的成果，并在工程中得以推廣應用，國家電網公司在總結近年裝配式基礎應用經驗基礎上，于2015年頒布了《國家電網公司輸變電工程通用設計－輸電線路裝配式基礎分冊》。但是，目前對于輸電線路裝配式基礎的研究，絕大多集中在重力式基礎，對于原狀土基礎，尤其巖石錨桿基礎，目前還處于起步階段，成果較少。

1 現有輸電線路基礎

架空輸電線路桿塔基礎形式應根據桿塔、沿線地形、地質、水文以及施工、運輸條件等進行綜合考慮確定。常規的山地基礎有板式（臺階）基礎、掏挖基礎、挖孔樁基礎、裝配式基礎和巖石錨桿基礎等。

其中裝配式基礎和板式（臺階）基礎都屬于回填抗拔土體的基礎形式，裝配式基礎可以歸類于大開挖重力式基礎，適于機械施工，但在山區采用大開挖方式，不夠環保；而掏挖基礎、挖孔樁基礎和巖石錨桿基礎屬于環保型原狀土基礎，都是發揮原有天然地基結構性能，基礎開挖量少，其中巖石錨桿基礎發揮巖石自身的抗剪強度，具有良好的抗拔性能、其經濟性能優越。

1.1 裝配式基礎

裝配式基礎比較節省勞動力，縮短工期，質量有保證，有利于機械化，能有效降低施工人員的作業強度和施工難度，符合輸電線路基礎施工的發展方向。

如前所述，裝配式基礎以土的重力抵抗上拔力，雖然滿足了機械化的要求，但不夠環保，尤其對于山區巖石地質，大開挖方式不但施工特別困難，基礎開挖量較大，投資較高，還帶來棄土、水土流失問題。

傳統的重力式裝配式基礎，不論金屬角錐支架型、塔腿埋入型、金屬基礎等幾種形式都是將金屬支架置于回填土壤中，雖采取了必要的防腐措施（比如防腐涂等），在水和電解質的雙重腐蝕下，耐久性受到較大影響。已有的（重力式）輸電線路裝配式基礎見圖1。

圖1 已有的（重力式）輸電線路裝配式基礎

1.2 錨桿基礎

巖石錨桿基礎是指以水泥砂漿或細石混凝土和錨筋灌注于鉆鑿成型的巖孔內的錨樁基礎。巖石錨桿基礎采用錨桿機鉆孔，工藝先進，施工基面小，充分利用了巖石自身的抗剪強度，具有良好的抗拔性能，從而降低了基礎材料的損耗量，棄渣少，土石方開方量少，減少了對山區原始地貌的破壞，有利于植被及生態環境保護。

目前，巖石錨固技術在許多領域內得到了廣泛的應用。錨桿基礎在輸電線路中已取得了一定的設計和施工經驗。其較好的經濟與環保效益，已逐漸得到廣泛應用，國家電網公司于2017年頒布了《國家電網公司輸變電工程通用設計－輸電線路巖石錨桿基礎分冊》，是一種應用前景較好的一種基礎形式。

錨桿基礎主要有荷載較小的直錨錨桿基礎（由于荷載小不需要承臺），和荷載較大的承臺式（群）錨桿基礎，都是充分利用巖石本身結構性能，錨桿體與巖石間的錨固粘結作用抵抗基礎上拔力，其設計理念是盡量減少開挖，盡量減少對原有巖石的擾動，保持原有巖土的結構性能，其環保優勢明顯，經濟節約。

但是目前施工方法仍然采用現澆方式和注漿方式，沒有裝配式基礎形式。基礎承臺部分采用現澆混凝土不利于推行輸電線路機械化施工，施工現場人力投入大、安全質量與效益效率水平較低。

對于荷載較大的承臺式（群）錨桿基礎，承臺由于錨桿或地腳螺栓錨固長度要求，不少于其直徑的35倍左右，導致鋼筋混凝土承臺體量大，一般M48的地腳螺栓承臺高度接近2 m，加上寬度受錨桿最小間距（4～6倍錨孔直徑）的影響，承臺寬度較大，其承臺混凝土及開挖土石方量較大，其優勢并不顯著，也是該基礎較難大規模應用的原因之一。常規輸電線路錨桿基礎見圖2。

圖2 常規輸電線路錨桿基礎

2 裝配式承臺錨桿基礎

輸電裝配承臺錨桿基礎，結合前述兩種基礎形式的優點，避免其弱點形成新的基礎形式。原創性的將裝配式基礎與錨桿基礎聯合，形成裝配式承臺錨桿基礎。

2.1 基礎方案

（1）錨桿體，置于穩定巖層中。

（2）裝配式承臺，是預制鋼筋混凝土預制梁式構件，中間預留錨桿孔位，注漿后，用于錨桿在錨桿頂部錨固（螺栓錨固），預埋螺栓作為錐形支架的地腳螺栓；開挖后的巖石基槽縫隙用細石混凝土填充。

（3）錐形支架，將其置于地面承臺上，以地腳螺栓與承臺連接（承臺與錨桿連接），使幾個承臺與角鋼支架（桁架結構）形成一個組合式承臺，大大減少承臺體積和質量，變單一的混凝土結構為組合結構，將原來的單承臺個體基礎分解成多個可拆卸，便于運輸的預制構件。演化見圖3。

圖3 輸電線路裝配承臺錨桿基礎

2.2 功能分析及特點

2.2.1 輕量化基礎結構構件

（1）通過組合支架，將原單腿分化成四個子腿，減小了每個腿的內力，使單個基礎體量減小，基礎變成輕量化的預制基礎成為可能。

（2）借鑒重力式輸電裝配式基礎的埋土部分錐形支架，將其置于地面上（承臺上），以螺栓或錨桿與承臺連接使幾個承臺與支架（桁架結構）形成一個組合式承臺，大大減少承臺體積和質量，變單一的體積較大混凝土結構為組合結構，將原來的體量較大單一承臺個體基礎分解成多個可拆卸，便于運輸的預制組合構件。

（3） 在保證不降低結構可靠性的前提下，改變錨桿錨固端混凝土錨固為螺栓機械錨固，減少了錨固長度，大大減少承臺高度，進一步輕量化承臺體積。

2.2.2 滿足環境保護要求

（1）改變原有裝配式基礎的大開挖重力抵抗上拔力，而用體量較小錨桿錨固抵抗上拔力，減少開挖量，減少基礎體量，降低了基礎材料的損耗量，環保效益顯著。

（2）組合承臺上部錐形支架可根據地形高差調整其高度與根開，形成子全方位高低腿，以適應不同的地形條件，補充調節由于地形高差過大，鐵塔高低腿不夠的情況。通過主體鐵塔全方位高低腿與子腿基礎的全方位高低腿共同配合調節，不但可以補充極端陡峭高差地形條件的長短腿配置，同時也可以做到不開挖（或微開挖）基面。

2.2.3 工程力學性能良好

（1）充分利用原狀土地基（巖石）承載力高（巖石自身的抗剪強度）、變形小的特點。充分發揮地基及基礎各自優點，地基和基礎協同工作。

（2）通過錐形桁架結構體系，既分解了內力，又將錨桿合理分散布置，擴大地基受載范圍，使地基受力更合理，避免應力集中。

（3）以空間桁架結構替換以往大體量鋼筋混凝土承臺結構，以空間桁架結構替換單一大體量塊體結構，傳力更加簡潔、合理。

（4）以空間桁架結構置于地面以上解決了以往重力式裝配基礎鋼結構構件埋在地下易腐蝕的弊端。

2.2.4 操作簡單，便于施工

（1）預制式裝配承臺更換原來現澆承臺，減少現場混凝土澆筑量，減少濕作業，承臺及上部桁架施工完全成為搭設積木方式施工，操作簡單。

（2）組合結構構件體量小，重量控制在便于運輸要求重量為準，可參照以往的鋼筋混凝土水泥桿桿段、底盤預制構件體量控制劃分，便于運輸、安裝、定位。

3 幾種形式

為了提高裝配式承臺錨桿基礎適用范圍，在工程中確實推廣運用，提高輸電線路機械化施工率，必須因地制宜做好基礎形式的選擇，統籌考慮地形地質條件，荷載條件、運輸條件、單構件最大運輸和規格、加工及安裝便捷性等全流程的主要特點，達到安全可靠、規格通用、快速高效、方便施工要求。

3.1 按地質條件分類

（1）對于覆蓋層薄，或裸露硬質巖石，按《架空輸電線路基礎設計技術規程》8.1.1條規定可用（或接近）直錨基礎的巖石。承臺頂面高于原始地面，稱為“承臺出土式”簡稱“出土式”。有兩種形式。

① 通過基礎上部鋼架分化后子腿荷載較小（上拔力小于200 kN）的可以采用直錨式，將原來用承臺錨固的轉換成直錨式，可以減少承臺開挖、混凝土澆量。上部直錨承臺可預制，錨桿錨固端為螺栓錨固，可減少承臺高度，承臺上部采用金屬角錐支架。稱之為直錨式裝配式承臺錨桿基礎，見圖4。

圖4 直錨式裝配式承臺錨桿基礎（單塔腿）

② 分化后荷載較大，單一錨桿不足以抵抗上拔，受錨桿間距（一般4～6倍錨孔直徑）構造要求的影響，導致鐵塔塔腳板過大，塔腳板厚度增加，需要承臺轉換，上部為了便于運輸和安裝定位，盡量輕量化承臺。這種采用承臺金屬支架組合形式的錨桿基礎，稱之裝配式承臺支架組合式，是裝配式承臺錨桿基礎的經典形式，見圖5。

（2）對于覆蓋層較厚的塔位，將支架置于部分（或全部）埋設地面以下，為了防腐，和便于施工，可以采用混凝土構件作組合式支架（也可是金屬支架），預制承臺可以是條形枕木式。連接節點可以是榫卯式或螺栓式連接（需防腐），使用裝配式錨桿基礎適用性更廣。由于是與錨桿直接相連接的承臺埋設與地面以下，稱為“埋入式”，見圖6。

圖5 裝配式承臺式錨桿基礎（單塔腿）

圖6 裝配式承臺埋入式（單塔腿）

3.2 按荷載大小分類

（1）“一”字型承臺

“一”字型承臺（圖7），承臺類似枕木，體積較小。對于荷載小，錨桿數量少的可用短型一字型承臺，荷載大的用長型一字型承臺。承臺布置方式可以根據不同荷載情況采用不同布置方式。承臺可以是預制鋼筋混凝土，為輕量化也可以采用輕骨料混凝土。

（2）“T”字型、“十”字型承臺，適用于荷載較大的，布置方式可采用正交式和斜交式。荷載進一步加大時，可以在“T”字型承臺伸一個支形成“十”字承臺，見圖9、圖10。

圖7 “一”字型承臺式

圖8 “T”型正交陣列

圖9 “T”型（或“十字”）斜交陣列

（3）三角形承臺（圖10），適用于荷載大小一般的輸電線路。三角形承臺的地栓腳螺栓置于中心，受力簡潔，構造簡單，承臺可以做得更加輕量化，更便于運輸。

圖10 三角形承臺陣列

3.3 按環境條件分類

（1）支架材質， “出土式”支架采用金屬支架，“埋入式”采用預制鋼筋混凝土支架。

（2）承臺材質，對于覆蓋層薄，或裸露硬質巖石，為了進一步輕量化預制承臺，將承臺改為組合式金屬型材結構（一般為型鋼），為了防腐，原槽澆筑混凝土，為“金屬裝配式承臺錨桿基礎”，見圖11。

圖11 金屬裝配式承臺錨桿基礎

3.4 按錐形支架與鐵塔主材坡度分類

（1）荷載較小，根開較小，錐形支架可采用立柱垂直式，與鐵塔主材坡度關系不一致。這種基礎傳力不夠簡潔，但制作方便。

（2）荷載較大，高電壓等級，根開較大工程，錐形支架可采用與鐵塔主材坡度關系一致。這種基礎傳力簡潔。

4 計算方法

裝配式承臺錨桿基礎結構構件主要由錨桿、承臺、錐形支架以及其相互連接節點四部分組成，都是常用結構構件，單個構件設計計算方法成熟，本基礎形式對是其重新組合，形成新的基礎形式。

錨桿、承臺以及錨桿承臺組合體設計計算方法與傳統輸電線路錨桿基礎設計計算方法一致，錐形支架的設計與原大開挖基礎支架設計計算方法一致，都可以參照現行規范執行即可。

一般輸電線路錨桿基礎設計時主要針對巖石基礎的上拔承載力進行設計計算。裝配式錨桿基礎埋置于巖體內，因此抗水平承載性能一般能滿足設計要求；由于基礎承臺大大減小，地基下壓承臺在力可能作為控制指標。

5 技術經濟分析

（1）采用了巖石錨桿基礎，巖石錨桿充分利用巖石自身的抗剪強度，具有良好的抗拔性能，從而降低了基礎材料的損耗量，棄渣少，土石方開方量少，相比其他掏挖基礎、挖孔樁基礎等原狀土較為經濟的基礎形式，具有較優的經濟效益。

（2）上部錐形支架，是組合基礎的一部分，也是鐵塔塔身的一部分，可減少鐵塔高度，基礎工程量僅僅為承臺及錨桿部分，基礎工程量非常少，其經濟性十分明顯。

（3）在保證不降低結構可靠性的前提下，改變錨桿錨固端混凝土錨固為螺栓錨固，減少了錨固長度，大大減少承臺高度，輕量化承臺體積，從而減少鋼筋混凝土用量，提高了經濟效益。

（4）通過上部錐形支架為桁架式承臺，改變原有大體積鋼筋混凝土承臺為桁架承臺，結構更為合理，材料消耗大大減少。

6 結論

裝配式承臺錨桿基礎，原創性的將裝配式基礎與錨桿基礎組合使用，形成新型基礎形式，可充分發揮兩種地基的優勢。裝配式承臺錨桿基礎能充分利用巖石自身的抗剪切性能很好地抵抗外部載荷；利用裝配式承臺，滿足了機械化施工的要求，減少了現場濕作業提高了工程質量，滿足工程建設的環境保護要求，節約材料量，減小了土石方量，減少對環境的影響。為山地輸電線路基礎設計提供了一種全新的基礎形式，具有較強的推廣和應用價值。