煤矿采空区220 kV输电线路转角塔基础沉降及处理

季善浩 ，李 勃

（1.华北电力大学，北京 102206；2.烟台供电公司，山东 烟台 264001；3.山东电力研究院，山东 济南 250002）

0 引言

近年来，随着“西电东送”和全国联网工程项目的建设，实现跨大区域、跨流域的水火电互济，变输煤为输电，进行更大范围内的电力资源优化配置，对提高能源利用有重要意义。同时越来越多的输电线路不得不途经煤矿区［1］。随着我国经济和采矿事业的不断发展，一些矿区特别是浅埋煤矿的开采，引起地面下沉、凹陷甚至坍塌，给经过或坐落于矿区上的高压输电铁塔、线路造成了很大的威胁和危害。2010年，220 kV龙蚕线因途径的洼里煤矿煤层采空后地表出现沉陷，而引起了47号SJT转角耐张塔基础发生不均匀沉降。

1 输电塔偏斜状况

220 kV龙蚕线47号SJT转角耐张塔为自立式六角型双回路转角塔，呼高18 m，总高35.5 m，根开7.285 m，转角度数为右角24.4°，水平档距为330 m，垂直档距330 m，采用4个独立基础。该塔主肢及斜材由不同规格的Q235角钢连接而成，结构型式如图1所示。导线型号为LGJ-400/50，地线型号为GJ-50，其主要参数如表1所示。

图1 220 kV龙招线47号六角形直线塔结构

表1 导（地）线主要参数

2010年，煤矿采空区在采掘撤巷后，由于地表层受力过大，超过允许承受力时，致使地表层断裂下沉，塔身随之产生倾斜 （经监测显示基础沉降和铁塔倾斜有进一步发展的趋势），并产生较大的附加应力。经测量，发现铁塔产生较大的偏斜，塔头向一侧偏斜达1.063 m，根开变为7.185 m/7.195 m/7.205 m/7.225 m。现场测量各塔脚的相对下沉量及设计相对高差如表1所示（以未沉降水平面为基准），塔基平面图以及塔脚编号如图1所示。塔腿编号情况如图2所示，各塔腿垂直沉降量与根开的变化分别如表2及表3所示。且发现输电塔底部杆件发生较大变形，在塔身下部靠近基础的横隔面附近，杆件产生了明显的弯曲变形，有的杆产生外凸、有些杆产生内凹，如图3所示。

表2 垂直沉降量

表3 根开水平改变量

图2 输电塔腿编号示意图

图3 输电塔底部横隔面变形图

2 基础不均匀沉降对输电线路杆塔的影响

输电线路直线自立塔一般为格构型，有4个支脚的针状结构，基础常为分裂式（图4），杆塔承受上拨和下压以及水平剪力的共同作用。

图4 杆塔基础受力分析图

地表的固结、移动和沉降以及大地与基础之间的非弹性特性，使地表下沉产生压力，再加上杆塔及各种荷载，引起相邻各基础之间的不均匀沉降，产生了多种组合的载荷，造成杆塔内部各构件较大的应力。

当基础发生不均匀沉降时，杆塔可能产生两种反应，一种是由于铁塔静定结构设计，杆塔具有一定的刚体性，使之作为一个刚体随基础移动和转动，这时杆塔结构未被破坏。另一种是由于塔材的弹性特性，加之应力超过塔材的弹性极限时，使杆塔发生几何形状的变化，以适应基础的沉降，这时杆塔的结构被破坏，各节点的应力将发生变化。

有关的塔形建筑标准基础沉降量最大允许为0.004B（根开），自立直线塔的根开一般为4～7m，基础沉降量应控制在12～28 mm之间，与研究部门及电力运行单位多年实践总结的1 217～2 514 mm的基础不均匀沉降极限相吻合，当基础发生不均匀沉降时，可以通过计算或试验来分析杆塔各节点，各塔材是否超过极限应力，来判断杆塔是否安全，以确定处理方案和更换铁塔或部分塔材［2］。

3 处理方案的探讨

3.1 指导思想

参照以往纠偏加固工程实践经验，纠偏全过程中应确保4个塔腿底部始终在一个平面上；在不断电的条件下实施纠偏全过程，铁塔不用更换改建；原来4个基础尽量不受破坏，但它们的受力条件要发生改变；纠偏以顶升调平为主［3］。

3.2 方案探讨

方案1：基础带电复位。施工程序为：①做好安全措施稳固塔身。②将塔身支起。③基础开挖。④用液压千斤顶将基础提升，基础下用垫衬垫平。⑤将基础用千斤顶平推归位。⑥塔身与基础联接，基础回填。⑦带电更换部分变形塔材，拆除安全措施。该方案不停电、工期短。但是，安全措施复杂，由于47号塔支腿部位部分杆件已发生严重变形，施工安全难以保证。同时处于相对稳定期的采空区，地表仍有小的变化，杆塔内部还将产生应力。

方案2：带电扶正塔身。在采空区处于活跃期或沉降量不大，且水平移位在规定以内时，做好安全措施，在基础上加垫块扶正塔身（图5）。该方案灵活多变、工期短、投资很小、可做为沉降活跃期的临时方案。但是本次沉降输电塔位移变形较大，此方法无法适用。

3.3 方案实施

方案3：加固原基础。采用钻孔灌注桩托换加固的方法，将原来的4个混凝土基础用钻孔加钢筋，增加4条地梁连成整体，并用钻孔灌注桩托换加固，最后用顶升法调正铁塔的就地纠偏方案［4］。

通过对上述方案的对比，基于安全性和经济性的考虑，决定采取以方案3为基础并同时对危险杆件加固的方案。同时由于塔身受力较大，不宜对杆材进行更换，因此采用增加辅助杆材的方式进行加固，加固形式如图6所示。

首先在四基础地表下0.5 m处混凝土四面用400 mm×20 mm厚的钢板包住，钢板间用HW250×255×14/14的工字钢进行连接以防止水平变形扩大。

然后对3 m处横隔面采用C 180×68×7/10.5的槽钢进行加固。

图5 带电扶正塔身示意图

图6 支腿（加固后）

最后在3.5 m、2.65 m、1.75 m处添加横隔面，横隔面形式如图7所示。

图7 3.5 m、2.65 m和1.75 m处横隔面

4 结果与评定

对加固后的结构进行了有限元建模与计算。对比原始结构计算结果可知，结果显示加固后最大应力值由4 080 MPa减小到108 MPa，同时变形不再进行扩大，如图8、9所示。

图8 加固与未加固支腿应力比对

图9 加固与未加固支腿变形比对

在铁塔加固工作完成后，通过对塔身多点震动测量以及基础部分振动及应变测量，对输电塔加固后的运行状况进行全面检测。加固后输电塔的变形稳定，没再扩大，结果显示，加固方案取得了非常好的效果。

5 结论和建议

1）通过对塔基不均匀沉降及水平移动对塔身承载力的影响进行分析，基础竖向不均匀沉降，使塔身倾斜，导（地）线张力及基地反力均发生变化，使导线发生一侧放松，一侧拉紧的情况，引起结构变形与内力的增加。

2）由于塔腿的水平移动，导致根开减小，在塔身下部靠近基础的横隔面附近，横杆产生了明显的弯曲，底部杆件存在应力过大的现象。

3）铁塔基础发生沉降、倾斜或滑移时，铁塔杆件的破坏顺序为塔底横隔、塔底斜材和塔身下部斜材，采空区特高压铁塔设计中应对这些杆件适当加强。

4）随着地表变形影响不断扩大，超出承载能力极限。随地表变形（尤其是水平位移），加固杆件已经产生屈曲，塔承载能力有进一步下降的趋势。通过对已经产生屈曲的杆件及基础进行加固处理，可防止由杆件继续发生变形从而导致杆塔的倾覆。

5）对于处于采矿区的输电塔应放弃采用分裂式基础，而采用联合式基础。联合式基础抗不均匀沉降能力强，适用于浅埋，即使地表有一定的变化，杆塔及基础也只是做刚体移动和转动，内力变化较小，很少危及杆塔结构，降低杆塔倾覆的危险。

6）为确保煤矿采空区特高压输电线路安全，有关部门应当互相支持、协作。输电线路运行单位应将输电线路杆塔及基础资料提供给煤矿开采企业，在开采时选用适当的采煤方法，减小基础变形量，降低煤矿开采对输电线路安全运行的不利影响。