采动对输电线塔安全影响分析及加固改造设计

孙凯华

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

采动对输电线塔安全影响分析及加固改造设计

孙凯华1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

结合工程实例，对地下煤层开采引起的地表移动变形及相应杆塔移动变形进行了计算分析，并参照输电线路相关运行标准对杆塔的运行安全性进行了评价。结合分析评价结果对每基杆塔制定了针对性的加固改造设计方案，并提出了具体的加固、纠倾及平移措施，保证了输电线塔的安全运行。

采动沉陷区；输电线塔；变形和评价；加固改造

目前国内外对建(构)筑物纠偏加固积累了一定经验[1-2]，对沉陷区的抗采动影响建筑结构设计也有较多的设计及施工经验[3-6]，但对于输电线路杆塔加固纠偏研究还很有限，加固纠偏技术应用的相关报道不多[7-8]，尤其是由于开采造成的采动影响区的输电线路杆塔加固改造，相关的设计和研究还比较少。由于输电线路杆塔属高耸结构，杆塔的材料、结构、受力情况及基础形式与普通建筑物有很大的不同，要针对这些特点采取相应的输电线路杆塔加固纠偏技术。

山西省作为我国的煤炭资源大省，地表多条高压输电线路经过矿区，其中位于临汾的同富新煤业有限公司的10101和10102工作面上方就有同富新—金山35kV线路、东团—光华110kV线路经过。为了实现在“东团—光华110kV线路”28号、29号、30号杆塔安全运行的前提下完成10102工作面全面回采，应对“东团—光华110kV线路”28号、29号、30号杆塔受10102工作面采动影响进行分析，并制定相应的杆塔加固改造设计方案。

1 输电杆塔受采动影响分析及评价

1.1 工作面开采及地表输电杆塔概况

同富新煤业有限公司10102工作面宽160m，长906m，煤层平均厚度约2.71m，煤层倾角0～10°，工作面煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

东团—光华110kV线路有3基杆塔经过10102工作面上方，分别为28号杆、29号塔和30号塔，其中30号塔位于10102工作面开采边界上方，29号塔、28号杆位于10102工作面中部上方。10102工作面开采顺序为从30号塔下方依次经过29号塔、28号杆。其中，30号塔所在位置煤层埋深103m，29号塔所在位置煤层埋深134m，28号杆所在位置煤层埋深128m。3基杆塔与工作面的相对位置如图1所示。

图1 输电线路与工作面相对位置

1.2 开采引起地表移动变形及对线塔的影响分析

利用概率积分法对10102工作面开采引起的地表移动和变形进行预计。根据计算结果，杆塔所在地表在工作面推进过程中所经历的移动变形最大动态值和最终静态值见表2。

表2 杆塔所在地表移动变形预计结果

高压输电线路通过建设在地表的杆塔支撑，地表发生移动变形过程中杆塔连同导线将随地表产生一系列移动和变形。在此过程中，决定杆塔能否安全运行的关键因素为：地基变形引起的腿部变形稳定性和头部位移导致的头部受力状态变化。地基水平变形将引起杆塔基础的移动和变形，从而导致腿部发生受力弯曲。头部位移主要由地表水平移动、倾斜引起，头部位移分顺线路方向和垂直线路方向两种：其中顺线路方向位移易导致头部两侧导线荷载失衡，导线对头部产生反方向的水平荷载，对杆塔体结构稳定性不利，同时亦可导致绝缘子串顺线路方向偏斜角和偏移量过大；而垂直线路方向地表位移引起的导线水平荷载和变形相对顺线路方向较小，只有量值较大时可导致头部垂直荷载作用点偏离基础范围以外，从而形成倾覆力矩，可能引起杆塔倾覆。

1.3 采动影响下杆塔运行安全性评价

电力行业相关规程中对高压输电线路运行过程中主要设施的变形、偏差限值等提出了明确的标准。国家能源局发布的《架空送电线路运行规程》(DL/T 741-2010)及其他相关规程对线路运行标准有如下规定：

(1)杆塔倾斜、横担歪斜最大允许值见表3。

表3 杆塔倾斜及歪斜允许值

(2)杆塔结构根开偏差不得超过0.004B(根开)。

(3)一般情况下导线、地线弧垂允许偏差：110kV及以下线路为+6.0%，-2.5%；220kV及以上线路为+3.0%，-2.5%。

(4)直线杆塔绝缘子串顺线路方向的偏斜角不得大于7.5°，且其最大偏移值不得大于300mm，绝缘横担端部偏移不得大于100mm。

(5)铁塔主材相邻结点间弯曲度不得超过0.2%。

(6)顺线路方向两相邻杆塔间的距离偏差不得大于档距1/300。

(7)直线杆塔转角度数不超过3°。

当输电线路主要设备在运行过程中发生的变形超过上述标准，则需要采取相应的维护措施，以保证线路运行安全。

综合杆塔所在地表及其自身可能发生的移动变形数据，对3基杆塔在10102工作面回采过程中的运行安全性进行评价，具体如下：

28号杆主要受地表东西方向(近顺线路方向)的动态倾斜变形和水平移动影响，造成其顺线路方向倾斜度、绝缘子串偏移量、整体平移量远超出允许值，主要影响时间为工作面推进至杆塔前后约50m范围内。

29号塔主要受地表东西方向(近顺线路方向)的动态倾斜变形、水平移动和水平变形影响，造成其顺线路方向倾斜度、根开偏差、绝缘子串偏移量、整体平移量超出允许值，同时也要注意垂直线路方向的倾斜度，主要影响时间为工作面推进至杆塔前后约50m范围内。

30号塔主要受地表南北方向(近垂直线路方向)倾斜变形和水平移动、东西方向(近顺线路方向)的动态倾斜变形和水平变形等因素影响，造成其顺线路和垂直线路方向的倾斜度、垂直线路方向的平移和绝缘子串偏移量、顺线路方向根开偏差超出最大允许值，主要影响时间为工作面推进至杆塔前后约30m范围内。

由于杆塔与地表同时发生下沉，因此地表沉陷盆地范围内的线路对地距离应能满足运行要求。

2 杆塔加固改造设计

根据预计的地表移动变形值和规程的要求，3坐线塔基础的主要治理措施为地基及基础加固、杆塔纠倾和整体平移。

2.1 杆塔基础加固改造整体方案

为了抵抗地表和地基的水平变形对钢结构铁塔基础的影响，应采取预加固的铁塔基础措施。综合地表变形预计值、工程造价、工期要求及施工条件等因素，采用可调式联体“井”字梁基础改造加固方案。

可调式联体“井”字梁基础改造加固方案：改造原相对独立的基础为整体基础，从而提高基础的适应水平变形和不均匀沉降的能力。使其基础连为整体或加强塔基之间相互联接，以增加其稳定性，将杆塔原独立基础加固改造为可调整联体“井”字钢梁基础架构基础。采动影响前先进行以上基础加固措施；工作面推过线塔下方过程中，根据塔实际发生的倾斜和移动情况进行纠倾和调整塔体两侧线路驰度，纠倾方向主要为顺线路方向。

28号和29号线塔主要以加固和纠倾为主，适宜选取可调式联体“井”字梁基础改造加固方案。30号线塔在选择可调式联体“井”字梁基础改造加固方案的基础上，若现场实测地表水平移动较大，超过规范允许值，影响线塔的安全运行，再考虑对线塔进行平移。

2.2 杆塔基础加固设计与施工工艺

根据以上方案，杆塔基础加固设计与施工工艺如下：线塔塔身为钢结构，基础埋深1800mm，基础为底板尺寸2000mm的台阶钢筋混凝土基础，根开为3400mm。对线塔采用可调式联体“井”字梁基础改造加固技术，其具体施工工艺步骤如下[9]：

(1)线塔原基础及支墩的改造：用风钻在支墩东西两侧各打3排通孔，每排2个，穿入钢筋，将钢筋与开眼钢板焊接，其中钢筋的直径为30mm，钢板厚度为10mm，钢板宽度与支墩等宽，长800mm，钢板紧贴支墩。其余两侧面(南北)也用钢板与支墩紧贴，棱缘与东西侧面钢板焊接。(28号、29号线塔为此方向，30号线塔的施工改造方向相反，即东西和南北进行对调)。

(2)“井”字钢架的安装：将型号为45B工字钢与塔基4个支墩连接，连接方式为与支墩侧面钢板焊接，形成如图2所示的“口”字形；在每个支墩侧面向外焊接3.0m延长梁，从而形成“井”字形状；最后将四面相邻延长梁焊接。

(3)混凝土调整台的建造：调整台以级配砂石为垫层，建造于“井”字形钢架四面两端点下方，调整台的高度为1.0m。

(4)调整丝杆的安装：将调整丝杆分别焊接在“井”字钢架的8个端点处。再将钢架端点与螺母焊接，螺纹丝杆的型号为φ81mm，在混凝土基础台上方丝杆下端加垫20mm厚钢板。

(5)安全辅助措施：为了防止地表不均匀下沉导致的铁塔倾斜，根据地形条件，在东西南北四个方向均匀布置拉线，每根拉线富余调节量为0.3m。

基础加固总体示意图如图2、图3所示。

图2 塔杆基础加固平面

图3 塔杆基础加固剖面

2.3 杆塔的纠倾

由于杆塔随地表会产生一定量的下沉，下沉会对线路导线的对地距离产生不利影响，因此杆塔纠倾不适于迫降法。

铁塔纠倾采用顶升法，顶升装置为螺纹丝杠，通过调节丝杠顶升加固后的整体基础的一侧，使下沉的较大的一侧抬升从而实现对杆塔倾斜的纠正。调整过程中基底下产生的空隙用灌浆方法填补。

基础倾斜的调整方向、调整幅度、调整设备的选择等，都需要在专门技术人员的指导下进行，并由现场专业测量人员进行配合，随调随测。

2.4 杆塔的平移

对于28号和29号线塔而言，其水平移动主要发生在顺线路方向，建议采用调节杆塔两侧线路驰度方式解决线塔水平移动的问题，应对30号线塔的实际地表移动值与预计值的结果进行比较分析，若现场实测南北向(垂直顺线路方向)地表水平移动较大，移动后会偏离中心线，超过规范允许值，有必要对塔身整体进行平移，将其恢复到合理的位置。

平移方案设计主要包括地基基础的改造设计、轨道梁(上下两部分)的结构设计、移动支座和移动装置设计等[10]。

线塔地基基础改造设计：首先应保证移位过程路线的地基有足够的刚度，避免线塔平移过程中出现不均匀沉降和较大的整体沉降；其次，部分移出原基础范围后的新旧基础交错和过渡部分的基础设计；最后，平移到目标位置后，新的地基基础设计。主体结构设计的主要原则是：尽量使上部线塔的荷载通过柱及支承梁直接传递到轨道梁上，关键部分是托换梁及上、下轨道梁的截面设计。

线塔平移的动力施加方式有牵引式、顶推式和前拉后推3种。动力施加方式及动力设备选型取决于平移对象的重量及上下轨道梁之间的摩擦情况，其大小一般为线塔重量的1/10～1/20。

根据线塔的结构和自身重量等特点，选用顶推式螺旋千斤顶作为平移的动力机构。

3 其他辅助措施

3.1 拉线施工与调节

在3基杆塔基础治理工程施工前，均应设置拉线，在拉线上增加可调拉线工具。设置拉线的作用一是为在基础开挖后防止倒塔，二是可辅助杆塔纠倾。

拉线设置：沉陷区的杆塔宜采用十字拉线，每基杆塔设置4根拉线。拉线上端应装设在杆塔导线横担和杆塔体受力处，距离挂线点200～300mm为宜。拉线地锚位于基础对角线的延长线上，其距离基础中心的距离不得小于杆塔高度1.2倍，拉线与地面夹角应不大于45°。

拉线调节：在地表变形过程中，当监测到杆塔发生倾斜或发生某个方向的平移、倾斜时，在进行相应的杆塔纠倾、平移调节的同时，应及时对每条拉线的松紧度进行调整，保证杆塔的整体稳定性和安全性。

3.2 杆塔调节阈值

对杆塔安全性影响较大的移动变形指标为倾斜、垂直线路方向的平移和绝缘子串顺线路方向的偏移，三者可通过杆塔纠倾、平移措施将其控制在允许范围内。为了保证杆塔安全，设定对应3个指标的阈值，当测得杆塔发生的移动变形濒临或超过对应的阈值后，应及时进行相应的调节。

根据输电线路运行相关规定及地表移动变形发生发展的规律，按照2倍的安全系数考虑，将杆塔纠倾、平移调节的阈值设定为：倾斜度不得超过0.5%；垂直线路方向的平移不超过100mm；绝缘子串顺线路方向的偏移值不得超过150mm。

3.3 其他措施

杆塔的修复治理工作需要与及时准确的地面监测工作以及地下工作面推进速度控制配合进行。地表及杆塔移动变形的监测工作应该严格按照设计方案进行，做到及时、准确，监测结果应及时分析并指导调节决策。

4 结束语

输电线路杆塔属高耸结构，杆塔的材料、结构、受力情况及基础形式与普通建筑物有很大的不同，对于采动影响区的输电线塔，要针对这些特点采取相应的输电线路杆塔加固改造设计。

[1]袁开军，吴二军，谭川龙.某高层住宅纠偏与地基加固技术[J].施工技术，2016，45(4)：118-120.

[2]史 军，黄林伟，杨 桦.既有建筑高位基础加固及顶升纠倾施工[J].施工技术，2014，43(22)：78-80.

[3]克拉茨著.马伟民，王金庄，王绍林译.采动损害及其防护[M].北京：煤炭工业出版社，1982.

[4]国家煤炭工业局.《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[5]陈希哲.土力学地基基础(第四版)[M].北京：清华大学出版社，2003.

[6]孙凯华，贾林刚，刘鹏亮.采动区框架结构建筑的变形分析[J].煤炭科学技术，2013，41(10)：5-8.

[7]徐乃忠，邓增兵，孙万明，等.平朔矿区380kV高压输电线下特厚煤层开采技术[J].煤炭科学技术，2016，44(9)：31-35.

[8]孙凯华，谭勇强.高层建筑物抗地表倾斜变形影响能力的初步分析[J].煤矿开采，2009，14(4)：49-51.

[9]郑 彬.采动影响下高压输电线路铁塔的安全性研究[D].焦作：河南理工大学，2009.

[10]刘福勤.整体平移技术在城区改造中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2005.

[责任编辑：徐乃忠]

ReinforcementDesignandSafetyInfluenceAnalysisofTransmissionLineTowerunderMining

SUN Kai-hua1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Surface movement deformation and relevant transmission line tower movement deformation induced by underground coal seam mining were calculated under practical project，and then correspond reinforcement and design scheme for transmission line tower were formulated under the evaluation results，then specific reinforcement,rectification and translation measures were put forward，then the safety of transmission line tower was ensured.

mining subsidence area；transmission line tower；deformation and evaluation；reinforcement

TU746.4

A

1006-6225(2017)05-0064-04

2017-04-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.016

国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045-007-003)；天地科技技术创新基金(KJ-2015-TDKC-03)

孙凯华(1982-)，男，河南长葛人，硕士，副研究员，主要从事采动区建(构)筑物设计及沉陷区环境治理等研究工作。

孙凯华.采动对输电线塔安全影响分析及加固改造设计[J].煤矿开采，2017，22(5)：64-67，70.