高聳構筑物采動變形特征與地基精準注漿加固機理

郭文兵，趙高博，楊偉強，焦軼恒，馬志寶，陳新明

(1. 河南理工大學 能源科學與工程學院,河南 焦作 454003;2.煤炭安全生產河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454003;3.河南理工大學 土木工程學院,河南 焦作 454003)

我國煤炭資源分布廣泛，建(構)筑物、水體、鐵路下(簡稱“三下”)壓煤量大(約140億t)，“三下”壓煤開采已成為煤礦面臨的主要難題。煤礦開采后上覆巖層破壞傳遞至地表，誘發(fā)地表沉陷進而導致建(構)筑物損壞。與一般建(構)筑物不同，高聳構筑物對地表移動變形量的響應與敏感性有其特殊性，研究高聳構筑物采動損害與保護對發(fā)展現(xiàn)有采動區(qū)域構筑物保護理論等具有重要實際意義。

相關學者對高聳構筑物采動變形與監(jiān)測進行了大量的研究。何榮等研究了地下開采引起的煙囪變形影響；劉文生采用覆巖離層充填控制地表沉陷技術對工作面開采保護地面高壓線路進行了研究；郭文兵等提出了采動影響下高壓線塔與地基、基礎協(xié)同作用模型，并采用地表移動變形預計與現(xiàn)場實測方法研究了放頂煤開采影響下高壓線鐵塔線路的安全性；蔡來良等提出一種基于平面擬合原理的高壓線塔基礎傾斜值計算方法；閻躍觀等采用開采沉陷預計方法對采動影響區(qū)高壓線鐵塔進行了首采面開切眼優(yōu)化設計；李逢春等分析了開采引起的地表移動變形對架空輸電線路的影響規(guī)律，并導出了采動影響下高壓架空輸電線路近地距離計算方法。

上述研究針對高聳構筑物采動變形規(guī)律與變形監(jiān)測方法取得了較大進展，但對高聳構筑物的注漿加固保護技術及機理研究較少。筆者在系統(tǒng)分析高聳構筑物采動變形特征基礎上，提出并實施了基于“下沉量-注漿壓力”的高聳構筑物地基精準注漿加固技術，通過理論分析揭示了地基精準注漿加固機理，結合工程實例驗證了該技術的合理性，對煤礦綠色開采、提高煤炭資源采出率、預防或減輕高聳構筑物采動損害等具有重要理論與實際意義。

1 地表高聳構筑物概況

地表沉陷將引起地表建(構)筑物損壞，不同類型建(構)筑物的損壞特征不同。其中，地表高聳構筑物指的是高度較大、橫斷面相對較小的構筑物，以水平荷載(特別是風荷載)為結構設計的主要依據，根據其結構形式可分為自立式塔式結構和拉線式桅式結構，主要包括架空輸電線路鐵塔、電視廣播信號鐵塔、煙囪等，如圖1所示。

圖1 地表高聳構筑物Fig.1 High-rise structures on surface

上述高聳構筑物的結構、材料、高度等與一般建(構)筑物(民房房屋、橋梁、鐵路等)不同，對地表移動和變形量的響應及敏感性有其特殊性，因此，高聳構筑物采動變形特征及保護技術與一般建筑物顯著不同。

另外，架空輸電線路是由導線、鐵塔、基礎以及附屬連接件等組成的連續(xù)、耦合的空間體系結構。目前我國各大礦區(qū)幾乎所有的煤礦井田上方均有高壓輸電線路通過，如兗州礦區(qū)南屯、濟寧二號井，高壓輸電線路壓占2 189萬t可采儲量；晉煤集團寺河煤礦井田內有我國首條1 000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓試驗示范工程經過，壓煤量共3 078萬t。由于高壓輸電線路分布的特殊性，尤其是線路鐵塔對開采引起的地表移動變形敏感，高壓輸電線路的安全性顯得十分重要。若為高壓線路鐵塔留設保護煤柱，會損失大量的煤炭資源，并嚴重影響煤礦井下開拓開采布局。而采取搬遷高壓線路(改線)措施不僅投資大、涉及面廣、實施難度大，而且存在新路徑選擇困難、重復壓煤、周期長等復雜問題。因此，需要根據高聳構筑物的采動變形特征提出高聳構筑物保護新技術，從而提高煤炭資源采出率，又能確保高聳構筑物安全運行。

2 高聳構筑物采動變形特征

2.1 地表下沉的影響

均勻下沉的影響

均勻下沉對單一高聳構筑物(如煙囪、廣播電視信號塔)的影響較小，但對高壓輸電線路而言，某一高壓輸電線鐵塔的均勻下沉，將通過導線傳遞至其他鐵塔，如圖2所示。

圖2 高壓線鐵塔均勻下沉影響示意Fig.2 Schematic diagram of influence of uniformsubsidence on high voltage towers

由圖2可知，2號鐵塔基礎從下沉到，下沉量為(單位為mm)，基礎下沉后引起架空線懸掛點下沉，2號鐵塔懸掛點的張力、導線的弧垂和近地距離、最大弧垂的位置和傾斜角等都發(fā)生了改變，并傳遞至其臨近的1號、3號鐵塔，形成牽引力。

另外，地表大面積、平緩、均勻地下沉對高壓輸電線路的影響較小，但當地表均勻下沉量很大時，特別是在潛水位很高的礦區(qū)，地表下沉造成高壓線鐵塔基礎接近或位于地下水位以下時，將造成高壓線鐵塔地基和基礎嚴重腐蝕，嚴重威脅高壓線鐵塔的安全穩(wěn)定性。

不均勻下沉的影響

高壓線鐵塔大部分為格構型，常見基礎為分裂式，由4個獨立基礎構成，獨立基礎間的不均勻下沉引起高壓線鐵塔桁架結構內部產生附加應力，附加應力大于材料的許可應力時，高壓線塔結構將發(fā)生破壞或倒塌。當高壓線鐵塔位于地表下沉盆地中間時(圖3(a))，將導致4個獨立基礎下沉、內收、塔身變形；當高壓線鐵塔位于地表下沉盆地邊緣時(圖3(b))，將導致高壓線鐵塔兩側基礎下沉量不一致，其中一側下沉量較大，并向下沉盆地滑落，塔身發(fā)生傾斜變形。

圖3 地表下沉盆地內不同位置基礎不均勻下沉示意Fig.3 Schematic diagram of uneven subsidence offoundation at different positions in a subsidence basin

由圖3可知，當基礎發(fā)生不均勻沉降時，高壓線鐵塔將產生2種反應：① 當附加應力超過鐵塔材料的彈性極限時，高壓線鐵塔幾何形狀就發(fā)生改變(圖3(a))，以適應基礎的不均勻沉降，這時高壓線塔結構將破壞；② 高壓線鐵塔結構在自身具有的剛體性能下作為一個剛體隨基礎而發(fā)生整體的移動和轉動(圖3(b))，這時高壓線鐵塔結構未發(fā)生破壞。

2.2 地表水平移動與曲率的影響

對于聯(lián)合基礎的高聳構筑物，上部結構不會受到地表水平移動引起的附加應力，但對于獨立基礎的高壓線鐵塔桁架結構，當基礎水平移動不一致時，導致下部結構承受拉伸或壓縮，從而在鐵塔結構內部產生附加應力，極易使橫桿產生彎曲甚至破壞的現(xiàn)象。

曲率變形對于底面積小的高聳構筑物影響較小。根據國內相關采動區(qū)域高聳構筑物觀測資料分析得知，高聳構筑物曲率為地表曲率的21.3～78.4%。高聳構筑物剛度越大，地表傳遞到高聳構筑物上的曲率越小，因此一般不考慮曲率變形對鐵塔的作用。

2.3 地表傾斜與水平變形的影響

以單個高壓線鐵塔為例，采用數值模擬方法分析不同地表傾斜、水平變形(拉伸與壓縮)下高壓線鐵塔最大拉(壓)應力變化規(guī)律。本次模擬不考慮導線對鐵塔的約束作用，僅考慮地表傾斜、水平變形(拉伸與壓縮)對高壓線鐵塔結構應力的影響。

數值模擬方案與模型建立

(1)數值模擬方案。根據模擬目的，設計模擬方案見表1。由表1可知，在模擬過程中將地表傾斜變形量轉換成鐵塔一側基礎1，2相對靜止，另一側基礎3，4均勻下沉(圖4(a))，即基礎1，2的邊界條件為，，三個方向位移固定，基礎3，4的邊界條件為=0，<0，=0，，，(，，方向旋轉自由度)自由；將地表拉伸(壓縮)變形量轉換成鐵塔一側基礎1，2相對靜止，另一側基礎3，4均勻水平拉伸(壓縮)移動(圖4(b)，(c))，即基礎1，2的邊界條件為，，三個方向位移固定，基礎3，4的邊界條件為>(或<)0，=0，=0，，，自由。

表1 數值模擬方案

圖4 鐵塔基礎傾斜、水平拉伸(壓縮)變形加載示意Fig.4 Loading diagram of slope and horizontal tension(compression) deformation of tower foundations

(2)數值模型建立。以自立式高壓線鐵塔為原型，該鐵塔由各種等邊角鋼組成，材料主要由Q235(A3F)和Q345(16Mn)組成，該塔總高度為41.5 m，寬側根開6 m，窄側根開5.6 m，如圖5(a)，(b)所示。利用ANSYS程序對高壓輸電線鐵塔進行建模，建立的有限元分析模型如圖5(c)所示。

圖5 高壓線鐵塔基礎支座、正視圖與數值模型Fig.5 Foundation support,front view andnumerical model of a high voltage tower

本次模擬采用彈塑性本構模型，其中鋼材的彈性模量均為206 GPa，泊松比均為0.3，密度均為7 850 kg/m。在模擬過程中，將鐵塔簡化為空間剛架模型，將鐵塔各桿件都簡化成梁單元，角鋼的聯(lián)接點簡化成單元的節(jié)點即剛節(jié)點，并假設高壓線鐵塔基礎不發(fā)生破壞或較大變形，且在變形過程中，模型節(jié)點不先于桿件發(fā)生破壞。

數值模擬結果與分析

根據表1中的模擬方案，得到高壓線鐵塔最大拉(壓)應力與不同傾斜、水平變形之間的曲線關系，如圖6所示。

圖6 高壓線鐵塔最大應力與傾斜、水平變形量關系曲線Fig.6 Curves of relationship between maximum stress,slope and horizontal deformation of a high voltage tower

由圖6可知，隨著傾斜與水平變形量的增加，高壓線鐵塔最大應力均依次經歷線性增加、緩慢增加階段，即彈性階段與屈服階段。圖6(a)～(b)中彈性階段與屈服階段交界處的傾斜、拉伸、壓縮變形量分別為30，+6，-6 mm/m。鐵塔處于屈服階段時(傾斜變形量40 mm/m，水平變形量±8 mm/m)的變形示意、軸向應力分布云圖、綜合位移分布云圖如圖7～9所示，圖中的“MX”代表相應分析的最大值位置，“MN”代表最小值位置。

圖7 傾斜變形量40 mm/m時鐵塔模擬結果云圖Fig.7 Tower simulation results with a slope of 40 mm/m

圖8 拉伸變形量+8 mm/m時鐵塔模擬結果云圖Fig.8 Tower simulation results witha tensiondeformation +8 mm/m

圖9 壓縮變形量-8 mm/m時鐵塔模擬結果云圖Fig.9 Tower simulation results witha compressiondeformation -8 mm/m

由圖7～9可進一步得到高壓線鐵塔在屈服時的最大應力、位移及其位置，見表2。

表2 高壓線鐵塔在屈服時的最大應力、位移及其位置

由表2可知，地表傾斜導致鐵塔屈服主要是由于塔基處軸向壓應力達到其最大值，拉伸(壓縮)變形導致鐵塔屈服主要是由于塔基處軸向拉(壓)應力達到其最大值；高壓線鐵塔在屈服階段時的最大軸向應力位置均位于塔基處。

根據上述分析可知，因煤炭開采導致高聳構筑物變形的原因在于其基礎發(fā)生了不同程度的下沉、傾斜與水平變形等，有必要提出一種抑制高聳構筑物基礎地基變形的技術。

3 高聳構筑物地基精準注漿加固技術

3.1 高聳構筑物地基精準注漿加固技術原理

注漿的分類較多，其中靜壓注漿可分為充填或裂隙注漿、滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿，其都可用于充填裂隙、加固地基。筆者提出的高聳構筑物地基精準注漿加固技術原理是基于概率積分法預計基礎移動變形量，在工作面將要(或正在)影響至高聳構筑物時，對其地基(基礎內部與基礎周邊)進行滲透注漿加固，通過控制不同注漿位置的注漿壓力與注漿量，實現(xiàn)提高地基強度、補償地基下沉、矯正地基角度(傾斜)目的，從而精準保護高聳構筑物。筆者以水泥作為注漿的主要施工材料，以獨立基礎為例，首先根據采礦地質條件預計4個獨立基礎的移動變形曲線，其中下沉預計等值線如圖10所示。

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圖10 高聳構筑物獨立基礎下沉預計曲線Fig.10 Predicted subsidence curves for high rise structures

根據下沉量預計等值線，實施高聳構筑物精準加固技術，其流程如圖11所示。

圖11 高聳構筑物精準加固技術流程Fig.11 Flow chart of precise reinforcement technology forhigh rise structures

由圖10，11可知，根據概率積分法預計得到高聳構筑物4個獨立基礎A，B，C，D的下沉量分別為，，，，且基礎A的下沉量最大，基礎D的下沉量最小。根據圖11可知，通過在4個獨立基礎內與基礎周邊埋設不同長度的注漿管，控制注漿量與注漿壓力實現(xiàn)對地基精準注漿，從而可達到保護高聳構筑物安全運行目的。

3.2 高聳構筑物地基精準注漿加固作用

基于上述理念，進一步深入分析高聳構筑物地基精準注漿加固技術的作用：注漿加固作用、注漿充填作用與注漿調斜作用。

注漿加固作用

高聳構筑物基礎地基通常位于為第四系松散層或地表裸露基巖內。當基礎位于第四系松散層內時，對基礎內及其周邊的土體地基注漿，可通過改變土體地基的力學性質(地基由土體變?yōu)閹r土體)提高地基強度，其中高聳構筑物土體地基注漿前后試樣應力-應變曲線如圖12所示。

圖12 土體地基注漿前后試樣應力-應變曲線Fig.12 Stress-strain curves of soil samplesbefore and after grouting

由圖12可知，注漿使得地基土試樣強度()提高至地基巖土試樣的強度()；另外，注漿前，受采動影響當地基應力達到地基土試樣強度時，土試樣的應變?yōu)椤洌蛔{后，受采動影響當地基應力達到地基土試樣強度時，巖土試樣的應變?yōu)椋∮凇洹?/p>

當基礎位于地表裸露基巖時，對基礎內及其周邊的基巖地基進行注漿，可通過漿液充填基巖內部存在原有裂隙提高基巖地基強度。

注漿充填作用

通過對基礎地基注漿不僅可以提高其強度，也能起到補償下沉作用。以高聳構筑物的單個基礎地基為例，基礎地基注漿充填補償下沉作用如圖13所示。

圖13 基礎地基注漿充填補償下沉作用示意Fig.13 Effects of foundation grouting fillingcompensation subsidence

根據圖13可知，高聳構筑物的基礎地基土顆粒間存在原有空隙與空洞(圖13(a))，無注漿時，受采動影響，這些原有空隙與空洞被其周邊圖顆粒填充，置換出的空間形成的部分地表不均勻下沉量(圖13(b))；當對基礎地基進行注漿時，漿液充填原有空隙與空洞(圖13(c))，基礎地基受采動影響時，空隙漿液、空洞漿液將起到補償地表下沉作用。

注漿調斜作用

根據概率積分法預計得到不同位置高聳構筑物的基礎下沉量，若下沉量不同，可通過調節(jié)不同位置注漿管的注漿壓力，控制調節(jié)地基反向作用力矯正基礎傾斜，達到調斜作用。高聳構筑物基礎地基注漿調斜作用如圖14所示。

圖14 高聳構筑物基礎地基注漿調斜作用剖面示意Fig.14 Section sketch of grouting inclination adjustmenteffects for foundation of a high rise structure

由圖14可知，開采前基礎A，B均位于地平線上，下沉量為；地表預計曲線中基礎A的下沉量()大于基礎B的下沉量()；實施精準注漿后地表下沉曲線中基礎A，B的下沉量均為′。另外，基礎A，B地基共布置了9個注漿管(1～9號)，基礎周邊地基鋪設的注漿管長度大于基礎內地基注漿管長度，通過調節(jié)1號、2號注漿管注漿壓力大于8號、9號注漿管壓力，實現(xiàn)1號與2號注漿管下地基反作用力大于8號與9號，從而達到基礎A與基礎B周邊地基下沉量一致目的。

綜上可知，高聳構筑物地基精準注漿加固作用包括注漿加固作用提高地基強度、注漿充填作用補償下沉與注漿調斜作用控制地基反力。

3.3 高聳構筑物地基精準注漿加固機理

根據上述高聳構筑物地基精準注漿加固作用，進一步采用半無限空間體集中力作用下的位移公式與數值積分方法，推導理論分析地基下沉量與注漿壓力之間的定量關系式。

豎直、水平集中力下土體豎向變形理論分析

在半無限空間飽和土內部距離自由面處受到豎直集中力()與水平集中力()作用時(圖15)，土體相應的豎向變形()表達式為

=v+h

(1)

式中，v為豎直集中力作用下方向的土體位移，m；h為水平集中力作用下方向的土體位移，m。

在圖15中′-′-′坐標系下，得到h與v的表達式，如式(2)，(3)所示。

圖15 半無限飽和土內部受豎直、水平集中力作用Fig.15 Semi-infinite saturated soil subjected tovertical and horizontal concentrated force

(2)

(3)

式中，為土體的剪切模量，Pa。

精準注漿作用下地基豎向變形理論分析

根據上述精準注漿原理，在半無限可滲透注漿的土體內注漿過程中，當注漿壓力超過極限注漿壓力()時，滲透注漿將變?yōu)榕炎{。因此當注漿壓力小于，才能保證漿液的均勻滲透，進而實現(xiàn)對高聳構筑物地基的精準注漿，其中表達式為

(4)

式中,為地基土層的泊松比，一般小于0.5；為地基土層的抗壓強度，Pa；為靜止側壓力系數；為地基土層的容重，N/m；為注漿孔深度，m；為擴散半徑，m；為注漿孔半徑，m。

由式(4)可知，滲透注漿極限壓力與地基的抗壓強度、地基土層的容重、注漿孔深度與半徑、靜止側壓力系數、泊松比相關。高聳構筑物地基經漿液滲透、加固后，優(yōu)化了地基力學性質，并提高了地基的完整性與強度(圖12，13)。

為進一步通過控制注漿壓力，實現(xiàn)矯正高聳構筑物地基傾斜目的(圖14)，建立高聳構筑物精準注漿引起的地基豎向變形計算模型。在實現(xiàn)地基滲透注漿基礎上，考慮到地基經漿液滲透、加固后，地基的完整性與強度提高，漿液固結對土體產生變形要遠小于開采引起的地表移動變形，提出如下基本假定：① 假定精準注漿過程中，漿液完全充填注漿孔與注漿管間空隙，注漿孔孔壁、孔底分別受與注漿壓力相等的水平注漿壓力作用、豎直注漿壓力作用；② 假定漿液充填注漿孔與注漿管間空隙后對土體產生擠壓效益，不考慮漿液性能與土體變形的時效性；③ 假定地基是均質的線彈性體，各向同性，地基變形為小變形；④ 不考慮土體注漿后固結以及漿液固結對土層變形的影響。

根據上述基本假定，高聳構筑物精準注漿引起的地基豎向變形積分包括2個部分：注漿孔四周孔壁受水平注漿壓力引起的地基豎向變形積分、注漿孔底部孔底受豎直注漿壓力引起的地基豎向變形積分，設空間坐標系--，并對注漿孔內分別受水平、豎直注漿壓力的任意微元建立與--平行的局部坐標系--，--，其積分如圖16所示。

由圖16(b)可知，為孔壁、孔底所取微元位置與孔底圓心連線，并與軸的夾角。對于注漿孔四周孔壁受水平注漿壓力()的任意微元，其所受水平集中力為d=d，其中d=dd，為孔壁所取微元位置的深度；由圖16(c)可知，對于注漿孔底部孔底受豎直注漿壓力的任意微元，其所受豎直集中力為d=d，其中d=dd，為孔底所取微元位置與圓心的距離。根據上述基本假定可知，==，其中為注漿壓力。結合圖15中′-′-′坐標系，對圖16中的坐標系(--、--與-

圖16 注漿鉆孔四周與底部注漿壓力積分剖面示意Fig.16 Schematic diagram of grouting pressure integralcross-section around and at the bottom of grouting borehole

-)進行坐標變換，如式(5)，(6)所示。

(5)

(6)

將式(5)，(6)分別代入式(2)，(3)得

(7)

(8)

對式(7)，(8)進行積分，并結合式(1)，可得在注漿壓力作用下，--坐標系中任意點的地基豎向變形量表達式為

(9)

基于地基下沉量的精準注漿壓力理論公式

根據上述注漿作用下地基豎向變形理論分析，進一步推導基于地表預計下沉量的不同位置注漿孔注漿壓力理論公式。

為簡化計算，選取--坐標系中原點的豎向變形量作為精準注漿引起的地表豎向變形量。將式(7)，(8)代入式(9)得

(10)

對式(10)進行變換，得到高聳構筑物一個注漿孔的注漿壓力()與其引起地表鉆孔中心位置豎向變形量()的關系式為

(11)

由式(11)可知，注漿壓力與地表豎向變形量呈線性相關關系，其斜率與土的剪切模量、注漿孔深度、注漿孔半徑有關。根據上述高聳構筑物地基精準注漿加固理念，每一個基礎周邊布置多個等間距注漿鉆孔，多個注漿鉆孔的間距與其擴散半徑()有關，根據式(4)可知，實施高聳構筑物地基精準注漿壓力應不大于極限注漿壓力，結合式(12)，可進一步推導出注漿孔的擴散半徑公式(式(13))，當考慮到每個注漿孔施加的注漿壓力都能發(fā)揮到地表豎向變形作用，又要考慮到注漿孔之間的相互作用關系，注漿鉆孔間的極限距離()應為單個注漿孔擴散半徑的2倍，即

(12)

根據上述分析可知，當注漿孔孔距為極限距離()時，每一個注漿孔引起的地表豎向變形相同，整個基礎地基布置的多個注漿孔可組合為一個的大地基注漿孔，該地基注漿半徑(′)為地基平均尺寸的一半。基于此認識，結合圖14，根據地表預計下沉量曲線，欲通過調節(jié)注漿壓力，使得整個基礎地基的地表下沉量由抬升至′，因此可得到整個基礎地基的注漿壓力(′)計算式：

(13)

式中,′為地基注漿半徑，m。

需要指出的是，上述推導出的注漿引起土層變形理論公式，均是基于半無限問題求解方法得到的。對土層注漿是一個復雜的過程，上述假設中僅考慮注漿后土層空間上的變化，未考慮注漿過程中的時間效應。

3.4 高聳構筑物地基精準注漿加固技術內容

基于上述精準注漿加固技術原理與注漿加固機理，進一步總結出高聳構筑物地基精準注漿技術的核心內容，如圖17所示。

圖17 高聳構筑物地基精準注漿技術核心內容Fig.17 Core content of precise grouting technology forhigh-rise structures

由圖17可知，高聳構筑物地基精準注漿加固技術主要包括注漿依據、注漿時機、注漿位置、注漿作用與注漿機理，該技術對保護地表高聳構筑物安全運行具有重要的工程應用價值。

4 工程實例應用

4.1 白坪煤礦與廣播信號塔概況

鄭煤集團(河南)白坪煤業(yè)公司13031工作面上方附近存在一高55 m的廣播電視信號鐵塔，該鐵塔為鋼桁架結構，由鐵塔、基礎以及附屬連接件等組成，屬于對地表變形敏感的高聳構筑物。13031工作面開采二煤層，地質構造較簡單，走向長壁綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板；工作面平均埋深634 m，平均煤層厚度為6 m，煤層傾角平均為10°；工作面類似“刀把型”布局，其中工作面走向長度為1 421 m，傾向長度為192～369 m。為保護該廣播電視信號鐵塔安全運行，同時保障煤礦產量，對13031工作面應用上述提出的高聳構筑物地基精準注漿加固技術。

根據現(xiàn)場調查與測量情況，鐵塔及其基礎組成結構為：鐵塔鋼桁架四角建于4個獨立基礎支墩上，鐵塔支墩約為8 m×8 m間距，基礎支墩為鋼筋混凝土結構，尺寸為1 m(長)×0.8 m(寬)×0.1 m(高)，基礎支墩下部為半徑2.2 m的圓形獨立混凝土基礎，4個基礎支墩下部由4根底梁連接形成聯(lián)合基礎，底梁位于圓形基礎頂部，基礎墩下部，截面為0.3 m×0.5 m。13031工作面與鐵塔相對位置如圖18所示。

圖18 廣播電視信號鐵塔、基礎與13031工作面相對位置Fig.18 Relative position of radio TV signal tower,foundation and 13031 working face

由圖18(c)可知，廣播電視信號鐵塔位于13031工作面中下部，且4個基礎從右下角逆時針編號分別為1,2,3,4。13031工作面開采平均厚度6 m。

4.2 廣播信號塔地基精準注漿加固技術方案

采用概率積分法預估4個基礎的下沉量，并在基礎內與基礎周邊設計注漿孔，如圖19所示。其中該工作面預計參數主要參照鄭州礦區(qū)“三軟”煤層開采概率積分法預計參數，確定為：下沉系數0.82，主要影響角正切2.2，開采影響傳播角86.7°，水平移動系數0.3。

圖19 基礎下沉預計等值線與注漿孔平面示意 Fig.19 Estimated contour of foundation subsidenceand grouting hole plan

由圖19可知，預計基礎2，3的下沉量(1 060 mm)大于基礎1，4下沉量(1 000 mm)，下沉量差達60 mm，采用上述精準注漿技術，通過調節(jié)注漿壓力對基礎地基進行加固、充填與矯正。由于上述計算的變形量為最終的靜態(tài)變形量，所以沒有必要在開采過程中一直注漿調整，因此不涉及先注漿區(qū)域與后注漿區(qū)域。

將土體剪切模量=10 MPa、下沉量差60 mm代入上述式(13)中，分析地基注漿半徑(′)、注漿孔深度()與地基注漿壓力(′)的關系，如圖20所示。

圖20 地基注漿壓力與注漿半徑、注漿孔深度關系曲線Fig.20 Relationship curve of grouting pressure,grouting radius and grouting hole depth

由圖20可知，在地基注漿半徑為4～8 m、注漿孔深度為1～3 m時，地基注漿壓力為0.15～0.38 MPa。因此本次注漿壓力應控制在0.15～0.38 MPa。另外，土體泊松比=0.3，土體靜止側壓力系數=0.42，土體的抗壓強度=140 kPa，地基土層的容重=16 kN/m，單個注漿孔深度=2 m，單個注漿孔半徑=21 mm，根據上述計算結果注漿壓力取0.38 MPa mm，將上述數值代入式(13)得注漿孔間距為=2.08 m。

基于計算結果，在現(xiàn)場施工時基礎內部與周邊均鋪設間距為2 000 mm注漿孔，半徑均為21 mm，基礎內部與周邊注漿孔深分別為2 000，3 000 mm。根據計算結果調節(jié)基礎周邊注漿壓力可達到矯正基礎傾斜目的。

4.3 廣播信號塔地基精準注漿加固技術實施

本次采用規(guī)格為32 mm ×3 mm，材質為Q235的鋼管樁，PO32.5水泥作為主要施工材料，精準注漿加固施工順序為：地面開挖平整→定位放線→打注漿孔→插入鋼管樁→封孔→鋼管樁壓力注漿→尾工及驗收。

具體步驟為：① 對鐵塔的基礎土方進行開挖平整，開挖基礎土方至原地平線下1 000 mm；② 達到要求后，根據圖20中注漿孔布設參數進行放線定位注漿孔；③ 采用YTP28風動鑿巖機進行打孔，孔深2 000～3 000 mm，直徑42 mm；④將鋼管樁(2 000,3 000 mm)插入注漿孔，注漿鋼管樁端部做成錐形，鋼管樁下部1 000或2 000 mm范圍內側邊每隔250 mm鉆制4個孔徑為15 mm的出漿孔，鋼管樁上部1 000 mm范圍內不鉆制出漿孔；⑤ 連接注漿泵對鋼管樁進行注漿，注漿漿液水灰比為1∶2，單孔注漿所需水泥用量為0.3～0.5 t，單樁注漿量達到要求后，保持壓力穩(wěn)定5 min，注漿壓力根據上述計算結果控制在0.15～0.38 MPa；⑥ 鐵塔基礎注漿加固工作完成后，根據實際情況完成基礎土方回填等收尾工作。2021-01-14對廣播電視信號鐵塔基礎注漿現(xiàn)場施工照片如圖21所示。

圖21 鐵塔基礎注漿現(xiàn)場施工圖片F(xiàn)ig.21 On-site construction pictures of iron towerfoundation grouting

4.4 廣播信號塔地基精準注漿加固效果校驗

在13031工作面開采過程中，對廣播電視信號鐵塔基礎進行采動變形監(jiān)測，不同時期4個鐵塔基礎高程曲線如圖22所示。

圖22 不同時期鐵塔基礎高程曲線Fig.22 Elevation curves of tower foundation in different periods

由圖22可知，鐵塔4個基礎在注漿前(2021-01-14)均未受到工作面開采的影響，當工作面與塔基中心距離小于197 m時，4個鐵塔基礎均沉降值相近，說明注漿后4個塔基變?yōu)檎w聯(lián)合基礎，實現(xiàn)塔基共同下沉、減小塔身變形目的。為進一步驗證上述注漿合理性，進一步分析廣播電視鐵塔最大變形量，見表3。

結合圖22與表3可知，于2020-11-14(工作面距離高聳構筑物282 m)、2020-12-14(工作面距離高聳構筑物249 m)2次測量的廣播電視信號鐵塔基礎間的最大傾斜量分別為4.8,1.9 mm/m，且鐵塔整體下沉量為0，因此，此時測出的基礎最大傾斜量均屬于原始狀態(tài)。另外，于2021-01-14(工作面距離高聳構筑物197 m)實測得到鐵塔整體下沉量為1.8 mm，說明工作面的開采已經開始影響鐵塔基礎，因此選擇此時對廣播電視信號鐵塔基礎進行注漿。實施注漿后，鐵塔基礎整體下沉量隨著工作面的開采繼續(xù)增加，但實測的基礎最大傾斜變形量均處于1.6～4.8 mm/m，均小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(簡稱“規(guī)范”)中電視鐵塔的采動極限傾斜變形量(5.0 mm/m)，進一步驗證了上述高聳構筑物地基精準注漿加固技術的合理性。

表3 廣播電視信號鐵塔平均下沉量與基礎最大下沉量差

5 結 論

(1)闡述了地表高聳構筑物采動變形特征，并以高壓輸電線路鐵塔為例，采用理論分析與數值模擬相結合的方法，系統(tǒng)分析了地表下沉、水平移動、曲率、傾斜、水平變形對高聳構筑物采動變形的影響；地表傾斜導致鐵塔屈服主要是由于塔基處軸向壓應力達到其最大值，拉伸(壓縮)變形導致鐵塔屈服主要是由于塔基處軸向拉(壓)應力達到其最大值。

(2)提出了高聳構筑物地基精準注漿加固技術原理，系統(tǒng)分析了精準注漿加固作用；并通過理論分析揭示了地基精準注漿加固機理，得出基于地基下沉量的精準注漿壓力理論公式；凝練出基于地基“下沉量-注漿壓力”的高聳構筑物地基精準注漿加固技術核心內容，包括注漿依據、注漿時機、注漿位置、注漿作用與注漿機理。

(3)將高聳構筑物地基精準注漿加固技術應用于某礦廣播電視信號鐵塔下采煤，精準注漿后基礎最大變形量(1.6～4.8 mm/m)小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》中的極限變形量(5.0 mm/m)，有效保護了該廣播電視信號鐵塔，驗證了高聳構筑物地基精準注漿加固技術的合理性。