杭來灣煤礦采空區35 kV架空輸電線路基礎設計

呂 振 李小利

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

我國幅員遼闊，礦產資源豐富，已探明的礦產有159種，礦山10萬多處，其中煤炭儲量為1 145億t。如此豐富的資源背景下，礦區開采后地面的沉陷問題則備受關注。受煤礦采空區地表沉降的影響，輸電線路基礎往往發生沉降、水平位移、傾斜、不均勻沉降等破壞，使鐵塔的根開和各塔腿高差發生變化，塔體結構產生較大的附加應力，直接威脅鐵塔安全和線路的穩定運行[1]。目前國內對煤礦采空區架空輸電線路基礎的設計、施工及運行維護有一定的研究[1-10]。采空區輸電線路基礎型式應用最廣的有復合大板基礎、聯合式基礎、大板基礎+墊板。復合大板基礎不會由于獨基的不均勻沉降造成鐵塔破壞，但基礎根開可能發生變化。聯合基礎的整體性較好，鐵塔會隨地基不均勻沉降整體傾斜，只能糾偏扶正，基礎不易復位，但基礎根開不發生變化。大板基礎+墊板對地基沉降有一定的自我調節能力，大板不隨著地基的不均勻沉降發生傾斜，墊板作為千斤頂的支撐結構，對基礎進行復位，且具備前兩種基礎的優點。前兩種基礎型式都會使鐵塔發生傾斜，對鐵塔運行造成了一些安全隱患，第三種基礎型式適用于采空區沉陷量較小的地區，基礎復位有一定難度。結合工程實例，設計出一種適用于煤礦采空區沉降量較大地區的基礎，為采空區架空輸電線路基礎的設計提供參考。

1 工程簡介及地質資料

杭來灣煤礦位于陜西省榆林市榆陽區北部，行政區劃隸屬榆陽區金雞灘鎮管轄。杭來灣煤礦設計規模8.0 Mt/年，杭來灣井田附近電源點主要有金雞灘110/35 kV變電站(6.0 km)及榆樹灣110/35/10 kV變電站(7.0 km)各一座，同時已建成產業園區配套電廠一座(5×330 MW)，本礦井供電源一回取自金雞灘110/35 kV變電站，另一回取自已建成的產業園區配套電廠。配套同等規模的選煤廠，項目于2009年9月開始建設，2018年1月通過綜合竣工驗收。杭來灣煤礦接續風井及302盤區工程風井場地35 kV架空輸電線路起始于工業場地35 kV開閉所，終止于風井場地35 kV變電站，為雙回路35 kV輸電線路，全長11.77 km。

輸電線路大部分鐵塔基礎位于煤礦采空區之上，因此線路路徑通過煤礦采空區是必須面對的問題。采空區形成時間為2013年—2017年，從現場情況看，線路沿線的地面沉陷仍在不斷發展中，采空區沉陷較均勻，至2018年元月初地面沉陷一般在1.20 m～2.20 m之間，最大沉陷值達3.20 m，沉陷平均值為1.20 m。

2 基礎選型

煤礦采空區地基變形引起的塔基位移主要有3種型式，即垂直位移、水平位移和傾斜位移。垂直位移和水平位移可通過預留塔高、塔頭間隙予以解決，而地基的傾斜變形是造成基礎不均勻沉降的主要原因，它可以造成基礎傾斜、彎曲、開裂甚至破壞[2]。

輸電線路基礎的選型及設計在滿足正常設計條件的同時考慮能抵御地基變形的能力[3]，結合工程實例，提出獨立基礎+槽型筏板的基礎型式，如圖1，圖2所示。該基礎型式是4個獨立基礎坐落在槽型筏板上。獨基與筏板之間鋪HDPE(高密度聚乙烯塑料)墊層，使獨基與筏板之間具有一定的滑動性，獨基上預埋φ100鋼管，預埋鋼管和槽筏內均填充粗砂。每個獨基上接塔基混凝土主柱，主柱高出地坪1.0 m。當沉陷量或荷載較大時，獨基之間可設置拉梁。槽筏應設置合理的泄水孔，防止地表水流入聚集。

這種基礎型式的優點：當地基不均勻沉降較小時，筏板會隨之沉降，預埋鋼管和槽筏內的粗砂會自動填充沉降引起的縫隙，保證獨基不發生傾斜，降低彎矩和附加應力，不會造成鐵塔破壞，這種基礎型式對較小的地基不均勻沉降有一定的自我調節能力。當地基不均勻沉降較大時，隨時間的積累，粗砂的流動性變差，基礎的自我調節能力不能滿足變形要求，獨基會隨筏板一起下沉，由于槽筏的側壁還能保證基礎根開不發生較大變化，筏板剛度大，可作為千斤頂的支撐結構，對獨基進行復位，再通過注漿法對獨基周圍縫隙進行填充，保證基礎穩定。筏板柔性較大，抗地基變形能力強，底板面積大，地基承載力要求小，基礎埋深可以減小，基坑開挖量減少。

這種基礎型式的缺點：鐵塔自重較大和現場條件限制，施工材料運輸困難，后期基礎復位和注漿會有不便；底板面積較大，斜坡地面應用受到一定的限制。

3 地基方案、基礎措施及管理維護

基礎設計時，明確了基礎型式，確定經濟合理的地基處理方案，對基礎進行受力分析及計算配筋，制定管理維護措施，做好采空區數據的收集和整理工作，確保工程穩定運行。

1)地基方案。基礎設計時，根據巖土工程勘察報告，對塔基進行分析處理，一般采用灰土墊層或砂石墊層，且滿足地基承載力要求。如基礎位于邊坡附近，應先治理后開挖。基坑開挖時如遇地下水，應進行基坑降水，基坑降水應進行專門設計，且應做好坑外防排水措施，保護坡體穩定。待基礎土建施工完成且基坑回填至平場標高后方能停止降水。山區塔位，施工后的基面應能較好的排水，否則，應修排水溝。采空區還可通過注漿管將水泥或水泥粉煤灰漿注入地層空隙部位，漿液經過固化形成結石體，對上部形成支撐作用，保證基礎的穩定。2)基礎措施。通過基礎結構設計提高基礎對地基變形的適應能力。根據采空區沉陷量大小，預留鐵塔高度和塔基混凝土主柱高出地坪高度，便于基礎復位后主柱上接鋼柱，使鐵塔柱腳平齊；加長塔基地腳螺栓外露長度，不均勻沉降時，通過在塔腳板和基礎之間插入鋼墊板調整塔身復位，鐵塔和地腳螺栓的強度要有一定的儲備。3)管理維護。開采前應考慮到鐵塔基礎周邊還有采煤的可能性，鐵塔基礎外邊線水平向下移動角范圍內不允許采煤；對壓覆煤層的輸電線路塔基可參考相關規范采取保護煤柱留設與壓煤開采，確保鐵塔與地下資源相對應；后期對采空區的輸電線路塔基定期進行觀測和巡視，及時發現問題和隱患，迅速處理和維護，保證輸電線路正常、安全運行。

4 結語

杭來灣煤礦接續風井及302盤區工程風井場地35 kV架空輸電線路經過采空區，選用獨立基礎+槽型筏板的型式，當地基不均勻沉降較小時，預埋鋼管和槽型筏板內的粗砂會填充沉降引起的縫隙，保證獨立基礎不發生傾斜，對地基不均勻沉降有一定的自我調節能力；當地基不均勻沉降較大時，自我調節能力不能滿足變形要求，鐵塔可能會發生整體傾斜，將筏板作為支撐結構，采用千斤頂對獨立基礎進行復位，再通過注漿管將水泥或水泥粉煤灰漿注入縫隙中，漿液經過固化形成結石體，對上部形成支撐作用，保證基礎的穩定。該線路已經于2019年投入使用，鐵塔施工完后采空區沉陷兩次，最大沉陷值達2.0 m左右，通過糾偏及防護措施的處理，目前運行良好。

隨著我國礦產資源的不斷開采，越來越多的輸電線路工程會途經采空區，結合實際工程，通過采空區架空輸電線路基礎的設計及研究，為輸電線路基礎設計提供理論依據和參考，為輸電線路安全穩定運行制定出管理維護措施。