临接高速公路的输电铁塔基础改造加固研究

张佰庆，康宇斌，谢 伟，余波明

(国网江苏省电力公司检修分公司，江苏 南京 221102)



临接高速公路的输电铁塔基础改造加固研究

张佰庆，康宇斌，谢 伟，余波明

(国网江苏省电力公司检修分公司，江苏 南京 221102)

〔摘 要〕针对高速公路路面与杆塔基础面和断面布置上产生的冲突，以徐贾快速通道与500 kV国岱线交跨为典型案例，提出了一种解决方案。该方案采取植筋后浇筑基础底阶板带方式，将外侧2个上拔基础浇筑为联合基础，使其具有优良的抗拔和抗倾覆性能，还可避免道路开挖施工对基础造成水平相对位移等影响，为以后开展输电铁塔基础改造工程提供了经验。

〔关键词〕输电铁塔；联合基础；改造加固

0　引言

徐贾快速通道在K9+573.4到K9+596里程段经由500 kV国岱线42号铁塔基础，图1和图2分别为道路与铁路基础的相对平面位置和断面位置示意。由图1，2可知，徐贾快速通道与铁塔基础在平面和断面布置上产生冲突，其道路U型槽的边界进入铁塔基础平面的范围在K9+573.4和K9+596里程处分别达到1.62 m和0.67 m，这给道路施工带来了困难。因此，为了该道路的顺利施工，应将铁塔基础(包括下部的防护大板和上部的独立基础)相应冲突部分拆除，对基础进行加固，以确保道路施工期间和施工完成后，输电铁塔的安全稳定运行。

1　基础改造方法概述

由于道路与基础防护大板以及部分底阶位置突出，必须将防护大板和独立基础的相应部位切割去除，待道路U型槽的侧面墙体施工完成后，再进行基础覆土回填；同时，在切割前应对基础进行加固。本工程采用植筋浇筑方法，将临近道路一侧的2个独立基础接为新的联合基础。

图1　车道与国岱线42号铁塔基础平面相对位置示意

由于本工程涉及超高压输电线路，应高度重视工程各个环节的安全性。在进行工程改造和加固前，应采取合理、可靠的措施对输电铁塔进行临时加固，并进行不间断地监测监控；应尽量避免在大风天气下施工，以免因开挖基础上部填土造成铁塔基础抗拔力减小，导致铁塔倾覆等不良后果。

图2　道路K9+573.4里程与基础断面处相对位置示意

总体而言，本次施工的总体流程为：输电铁塔的临时加固→基础上覆土开挖→基础加固→基础改造切割→地基回填土。

本工程进行置筋加固时，采用混凝土等级为C25，受力主筋为HRB400，箍筋为HPB300。

2　输电铁塔基础改造关键技术

2.1输电铁塔临时加固和变形监测

输电铁塔是一种高耸结构物，在本次施工中，由于对其独立长柱基础进行改造，涉及地基土开挖和基础切割等工艺，易对输电铁塔造成不均匀沉降和倾斜等影响。因此，在对基础进行施工前，应对输电铁塔做好充分加固措施，同时做好输电铁塔倾斜变形的实时监测和预警工作，避免发生倾覆。具体实施办法为：本次施工共设置4根保护拉线(X型四方拉线)，拉线顶部打在横担与塔身连接点处，对横担水平夹角成45°；4根拉线暂处于松弛状态，在施工过程中必要时施力，对输电铁塔起保护作用。

在整个施工过程中，应有专人进行输电铁塔的变形监测，尤其是倾斜变形监测，具体办法如下。

(1)在输电铁塔横担方向和相应垂直方向，分别设置变形观测点，观测点距相近塔腿的水平距离为50 m。

(2)在观测点设置经纬仪，在输电铁塔主材上设置观测标志。

(3)开始施工后，每隔30 min(非施工时间可增加间隔时间)进行1次倾斜变形和基础不均匀沉降变形观测，并做好数据记录。当发现输电铁塔倾斜值和基础不均匀沉降形变明显增大时，应及时发出警告，查明原因并正确处理后方可继续施工。

2.2长柱独立基础底阶的植筋和混凝土浇筑

基础在道路一侧进行切割后，抗拔力会被削弱，故应事先通过基础植筋将受影响一侧的2个长柱基础浇筑成联合基础，施工方法如下。

(1)人工开挖基础覆土，直到露出下部防护大板为止，覆土开挖范围如图3中虚线标注。开挖时要防止土壁坍塌。

图3　基础开挖示意

(2)清除开挖范围内基础和大板上部的覆土、污垢等物。

(3)进行钢筋下料工作，待植入钢筋长度1 000 m，钢筋数量100根，并对锚固端做好打磨除锈工作；准备长度5 500 mm的基础受力筋和长度6 000 mm的分布筋，各50根。以上钢筋直径均为14 mm，钢筋等级为HRB400。

(4)在图4所示阴影范围内的基础第1台阶内，先用电锤凿除基础内侧保护层，然后用电钻机沿第1台阶上下边打孔，靠近大板边沿时，与其边沿孔距为：竖直距离为100 mm，水平间距250 mm，孔间距16 mm，孔深250 mm，钻孔时应避免截断基础原有钢筋。

图4　联合基础设模浇筑示意

(5)用毛刷和电吹风机将孔内的粉尘清除干净，并仔细检查孔径、孔深和粉尘情况，满足要求后进行下一道工序。

(6)按比例调配结构胶，用钢筋推入孔内，并保证胶量不少于孔深的80 %。

(7)迅速将待植钢筋插入孔内，并保持单向旋转，使其达到设计深度。

(8)结构养护2-3 h后，进行拉拔试验。本次施工只有1种钢筋，故进行1个组别共3根钢筋的拉拔试验验，满足要求后进行下一道工序。

(9)将长度5 500 mm的底面受力钢筋两端与锚固好的端部钢筋进行焊接，焊接时单面焊缝长度不小于140 mm。铺设分布钢筋进行绑扎，完成底面钢筋绑扎后，再进行上部钢筋的焊接和绑扎。

(10)在图4所示的阴影部分架设模板，浇筑混凝土(C25)，并进行养护。

2.3基础和大板的切割施工

混凝土施工后至少要养护3天，再开始进行基础和大板的切割施工。

(1)切割范围如图4中虚线所示。

(2)切割施工采用自动切割机，先对独立基础的底阶沿图4中切线切割拆除。由于底阶厚度达到600 mm，应分层进行切割。每次切割完成后，用电锤和气割切割外侧混凝土和钢筋；待局部切割拆除完成后，再用同样方法切割拆除大板。

2.4地基土回填

切割拆除基础和大板后，待道路施工单位完成道路U型槽施工，即可回填和压实基础和大板上部地基土。回填地基土时，应分层分区均匀碾压，每回填300 mm，碾压200 mm。

3　 改造后独立基础稳定性评价

本次基础稳定性评价对象是受切割影响的2个独立基础(均为外侧上拔基础)。现行《架空输电线路基础设计规定》及相关规程中均未明确规定输电铁塔复合大板的计算方法。现有改造主要从构造入手，其作用相当于在4个独立长柱基础下部增加1个较厚的垫层，因而无需另行验算大板底部地基的承载力；同时由于存在防护大板，独立基础的抗压验算均能符合要求。

在基础改造中，由于对临接道路的2个基础底阶进行了切除，使其抗拔承载力受到较大影响，故仅对改造后独立基础的抗拔稳定性进行重点验算，并考虑一定的安全裕度。在验算时，不考虑后浇底阶(2个基础的连接部分)的有利影响作用。

另外，本改造基础为宽基基础，基础主柱露出设计地面仅为300 mm，故一般可不验算抗倾覆稳定和柱顶位移。但为了安全起见，仍需对垂直基础切割边方向的倾覆稳定性进行验算。

3.1输电铁塔概况

500 kV国岱线42号输电铁塔为JT26型转角塔，转角47.58°，呼高27 m，总高41.5 m，水平档距453 m，垂直档距579 m，设计风速30 m/s，设计覆冰10 mm，导线型号4×LGJ-630/45，地线型号JL/LB1A-95/55，单塔重28.807 t。

铁塔基础为BC96型防护大板基础，其具体做法是在4个铁塔基础下部再增设1块钢筋混凝土现浇大板，该铁塔的三维桁梁结构有限元模型如图5所示。

图5　三维桁梁结构有限元模型示意

3.2工程地质概况

本工程的地基情况如表1所示。

表1　工程地基土层分布情况

通过对图5所示的桁梁混合结构铁塔建立有限元模型，并参考铁塔运行参数计算铁塔荷载后，对模型进行加载，确定出独立长柱基础的验算荷载(标准值)为：

上拔基础：T=908 kN，Hx=227 kN，Hy=200 kN，

N=553 kN，Hx=227 kN，Hy=200 kN；

下压基础：T=336 kN，Hx=84 kN，Hy=74 kN，

N=1 139 kN，Hx=285 kN，Hy=251 kN。

本工程中需要切割改造的基础均为上拔基础，其相应的基础作用力(设计值)为：

T=1 225.8 kN，Hx=306.45 kN，Hy=270 kN，

N=746.55 kN，Hx=306.45 kN，Hy=270 kN。

其中：T—上拔力；Hx—x方向水平力；Hy—y方向水平力；N—下压力。

3.3改造后独立基础的抗拔稳定验算

本工程基础的抗拔土体为回填土，且基础埋深为2.7 m，与基础边长7.4 m之比小于5(见文献[2])，故本工程中独立基础的抗拔稳定性验算采用土重法计算。考虑到季节性变化的影响及安全因素，本工程中覆土和基础本身的自重均按浮容量计算。

综上所述，抗拔稳定性验算公式应为：

式中：γf—基础抗拔附加分项系数，本工程为重力式基础，转角塔，取γf=1.10；TE—基础上拔力设计值，kN；γE—水平力影响系数，由《架空送电线路基础设计技术规定》表6.2.1-2按照水平力与上拔力的比值确定；γs—基础底面以上土的加权平均重度，本工程按浮容重考虑，kN/m3；γθ1—基础底板上平面坡角影响系数，当坡角<45°时取0.8，当坡角≥45°时取1.0；Vt—基础埋深范围内土和基础的体积，m3；ΔVt—相邻基础影响的微体积，m3，本例中取0；V0—基础埋深范围内的基础体积，m3；Qf—基础自重力，本工程按混凝土浮容重计算，kN。

在本工程中，各参数计算选取如下：

γf=1.10，TE=1 225.8 kN，

γE=0.96；γs=9.0 kN/m3，

γθ1=1.0，Vt=156.654 m3，

ΔVt=0；V0=41.34 m3，

Qf=14×41.34=578.8 kN。

将参数代入式(1)可得：

因此，基础在切割改造后能满足抗拔稳定性的要求。上述计算中，对覆土和基础的自重均按浮容重计算，比较安全；同时基础之间的后浇板带对其抗拔能力也有显著提高作用，改造后的基础抗拔性能有足够的安全裕度。

3.4改造后独立基础的抗倾覆稳定性验算

基础埋深与侧面宽度之比不大于3阶的基础(台阶多于2阶的均折算成1个台阶验算)，其倾覆稳定验算应符合下式要求：

式中：γf—基础抗倾覆附加分项系数，本工程为重力式基础，转角塔，故取γf=1.60；S0—上部结构水平力设计值，kN；H0—上部结构水平力作用点距设计地面的垂直高度，m；E—被动土压力；E=maht2/2，ht—基础埋深，m；fβ=tanβ，β为等代内摩察角，°；a1，b1—基础底阶和基础主柱在水平方向上的尺寸，m；a0—基础底阶在水平力垂直方向上的计算宽度，a0=(h12×K0-h12×K0′)·a/(ht2-h12)，m；h1—基础主柱在地面以下的长度，m；K0，K0′为空间增大系数；θ=h1/ ht；y—地基反力，y=(F+G-γfS0fβ)/(1+fβ2)≤0.8a1a0fa，且y＞0。

本工程中，各参数计算选取如下：

γf=1.60，S0= 306.452+2702=408.4 kN，H0=0.3 m，h1=2.7 m，E=1 294.7 kN，β=30°，fβ=0.577，K0=1.23，K0′=1.15，a0=9.53，b0=1.61，θ=0.64，y=1 288，e=1.97。

当y取最小值0时，上式成立。这说明在其他各种工况下，改造后独立基础的抗倾覆稳定性均能满足要求。

4　 结束语

(1)在完成基础的改造加固后，500 kV国岱线42号输电铁塔基础的抗拔稳定性和抗倾覆稳定性均能满足要求，输电铁塔基础及其上部结构是安全可靠的。

(2)在进行基础改造施工时，应采取措施，尽量减少基础的水平位移(基础主柱顶部水平位移不超过10 mm)。基础改造后，尽快完成覆土回填和夯实工作，施工时应分层、分区均匀夯实。如有必要，可在基础覆土回填压实后，通过放松地脚螺栓释放铁塔结构的不利应力，但必须对铁塔采取可靠的临时加固措施。

(3)相对于单纯增大独立基础混凝土，本工程采取植筋后浇筑基础底阶板带的方法，将外侧2个上拔基础浇筑为联合基础，不仅具有优良的抗拔和抗倾覆性能，还可避免因道路开挖施工对基础造成的水平相对位移等不利作用。本文研究内容为以后开展此类型输电铁塔基础改造工程，提供了工作经验，可供同行参考。

参考文献：

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2 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5219—2005 架空送电线路基础设计技术规定[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.

3 中华人民共和国建设部.GB5009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

4 中华人民共和国建设部.GB505450—2010 110-750 kV架空送电线路设计规范[S].北京：人民出版社，2010.

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8 张朝晖.ANSYS 11.0结构工程应用实例解析(第2版)[M].北京：机械工业出版社，2008.

9 郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

张佰庆(1978-)，男，高级工程师，从事输变电设备运检工作，email：312922109@qq.com。

康宇斌(1978-)，男，高级工程师，从事输电运检管理工作。

谢 伟(1985-)，男，工程师，主要从事输电运检管理工作。

余波明(1986-)，男，工程师，主要从事输电运检管理工作。

作者简介：

收稿日期：2015-10-29。