高耸构筑物采动变形特征与地基精准注浆加固机理

郭文兵，赵高博，杨伟强，焦轶恒，马志宝，陈新明

(1. 河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454003;2.煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南 焦作 454003;3.河南理工大学 土木工程学院,河南 焦作 454003)

我国煤炭资源分布广泛，建(构)筑物、水体、铁路下(简称“三下”)压煤量大(约140亿t)，“三下”压煤开采已成为煤矿面临的主要难题。煤矿开采后上覆岩层破坏传递至地表，诱发地表沉陷进而导致建(构)筑物损坏。与一般建(构)筑物不同，高耸构筑物对地表移动变形量的响应与敏感性有其特殊性，研究高耸构筑物采动损害与保护对发展现有采动区域构筑物保护理论等具有重要实际意义。

相关学者对高耸构筑物采动变形与监测进行了大量的研究。何荣等研究了地下开采引起的烟囱变形影响；刘文生采用覆岩离层充填控制地表沉陷技术对工作面开采保护地面高压线路进行了研究；郭文兵等提出了采动影响下高压线塔与地基、基础协同作用模型，并采用地表移动变形预计与现场实测方法研究了放顶煤开采影响下高压线铁塔线路的安全性；蔡来良等提出一种基于平面拟合原理的高压线塔基础倾斜值计算方法；阎跃观等采用开采沉陷预计方法对采动影响区高压线铁塔进行了首采面开切眼优化设计；李逢春等分析了开采引起的地表移动变形对架空输电线路的影响规律，并导出了采动影响下高压架空输电线路近地距离计算方法。

上述研究针对高耸构筑物采动变形规律与变形监测方法取得了较大进展，但对高耸构筑物的注浆加固保护技术及机理研究较少。笔者在系统分析高耸构筑物采动变形特征基础上，提出并实施了基于“下沉量-注浆压力”的高耸构筑物地基精准注浆加固技术，通过理论分析揭示了地基精准注浆加固机理，结合工程实例验证了该技术的合理性，对煤矿绿色开采、提高煤炭资源采出率、预防或减轻高耸构筑物采动损害等具有重要理论与实际意义。

1 地表高耸构筑物概况

地表沉陷将引起地表建(构)筑物损坏，不同类型建(构)筑物的损坏特征不同。其中，地表高耸构筑物指的是高度较大、横断面相对较小的构筑物，以水平荷载(特别是风荷载)为结构设计的主要依据，根据其结构形式可分为自立式塔式结构和拉线式桅式结构，主要包括架空输电线路铁塔、电视广播信号铁塔、烟囱等，如图1所示。

图1 地表高耸构筑物Fig.1 High-rise structures on surface

上述高耸构筑物的结构、材料、高度等与一般建(构)筑物(民房房屋、桥梁、铁路等)不同，对地表移动和变形量的响应及敏感性有其特殊性，因此，高耸构筑物采动变形特征及保护技术与一般建筑物显著不同。

另外，架空输电线路是由导线、铁塔、基础以及附属连接件等组成的连续、耦合的空间体系结构。目前我国各大矿区几乎所有的煤矿井田上方均有高压输电线路通过，如兖州矿区南屯、济宁二号井，高压输电线路压占2 189万t可采储量；晋煤集团寺河煤矿井田内有我国首条1 000 kV晋东南—南阳—荆门特高压试验示范工程经过，压煤量共3 078万t。由于高压输电线路分布的特殊性，尤其是线路铁塔对开采引起的地表移动变形敏感，高压输电线路的安全性显得十分重要。若为高压线路铁塔留设保护煤柱，会损失大量的煤炭资源，并严重影响煤矿井下开拓开采布局。而采取搬迁高压线路(改线)措施不仅投资大、涉及面广、实施难度大，而且存在新路径选择困难、重复压煤、周期长等复杂问题。因此，需要根据高耸构筑物的采动变形特征提出高耸构筑物保护新技术，从而提高煤炭资源采出率，又能确保高耸构筑物安全运行。

2 高耸构筑物采动变形特征

2.1 地表下沉的影响

均匀下沉的影响

均匀下沉对单一高耸构筑物(如烟囱、广播电视信号塔)的影响较小，但对高压输电线路而言，某一高压输电线铁塔的均匀下沉，将通过导线传递至其他铁塔，如图2所示。

图2 高压线铁塔均匀下沉影响示意Fig.2 Schematic diagram of influence of uniformsubsidence on high voltage towers

由图2可知，2号铁塔基础从下沉到，下沉量为(单位为mm)，基础下沉后引起架空线悬挂点下沉，2号铁塔悬挂点的张力、导线的弧垂和近地距离、最大弧垂的位置和倾斜角等都发生了改变，并传递至其临近的1号、3号铁塔，形成牵引力。

另外，地表大面积、平缓、均匀地下沉对高压输电线路的影响较小，但当地表均匀下沉量很大时，特别是在潜水位很高的矿区，地表下沉造成高压线铁塔基础接近或位于地下水位以下时，将造成高压线铁塔地基和基础严重腐蚀，严重威胁高压线铁塔的安全稳定性。

不均匀下沉的影响

高压线铁塔大部分为格构型，常见基础为分裂式，由4个独立基础构成，独立基础间的不均匀下沉引起高压线铁塔桁架结构内部产生附加应力，附加应力大于材料的许可应力时，高压线塔结构将发生破坏或倒塌。当高压线铁塔位于地表下沉盆地中间时(图3(a))，将导致4个独立基础下沉、内收、塔身变形；当高压线铁塔位于地表下沉盆地边缘时(图3(b))，将导致高压线铁塔两侧基础下沉量不一致，其中一侧下沉量较大，并向下沉盆地滑落，塔身发生倾斜变形。

图3 地表下沉盆地内不同位置基础不均匀下沉示意Fig.3 Schematic diagram of uneven subsidence offoundation at different positions in a subsidence basin

由图3可知，当基础发生不均匀沉降时，高压线铁塔将产生2种反应：① 当附加应力超过铁塔材料的弹性极限时，高压线铁塔几何形状就发生改变(图3(a))，以适应基础的不均匀沉降，这时高压线塔结构将破坏；② 高压线铁塔结构在自身具有的刚体性能下作为一个刚体随基础而发生整体的移动和转动(图3(b))，这时高压线铁塔结构未发生破坏。

2.2 地表水平移动与曲率的影响

对于联合基础的高耸构筑物，上部结构不会受到地表水平移动引起的附加应力，但对于独立基础的高压线铁塔桁架结构，当基础水平移动不一致时，导致下部结构承受拉伸或压缩，从而在铁塔结构内部产生附加应力，极易使横杆产生弯曲甚至破坏的现象。

曲率变形对于底面积小的高耸构筑物影响较小。根据国内相关采动区域高耸构筑物观测资料分析得知，高耸构筑物曲率为地表曲率的21.3～78.4%。高耸构筑物刚度越大，地表传递到高耸构筑物上的曲率越小，因此一般不考虑曲率变形对铁塔的作用。

2.3 地表倾斜与水平变形的影响

以单个高压线铁塔为例，采用数值模拟方法分析不同地表倾斜、水平变形(拉伸与压缩)下高压线铁塔最大拉(压)应力变化规律。本次模拟不考虑导线对铁塔的约束作用，仅考虑地表倾斜、水平变形(拉伸与压缩)对高压线铁塔结构应力的影响。

数值模拟方案与模型建立

(1)数值模拟方案。根据模拟目的，设计模拟方案见表1。由表1可知，在模拟过程中将地表倾斜变形量转换成铁塔一侧基础1，2相对静止，另一侧基础3，4均匀下沉(图4(a))，即基础1，2的边界条件为，，三个方向位移固定，基础3，4的边界条件为=0，<0，=0，，，(，，方向旋转自由度)自由；将地表拉伸(压缩)变形量转换成铁塔一侧基础1，2相对静止，另一侧基础3，4均匀水平拉伸(压缩)移动(图4(b)，(c))，即基础1，2的边界条件为，，三个方向位移固定，基础3，4的边界条件为>(或<)0，=0，=0，，，自由。

表1 数值模拟方案

图4 铁塔基础倾斜、水平拉伸(压缩)变形加载示意Fig.4 Loading diagram of slope and horizontal tension(compression) deformation of tower foundations

(2)数值模型建立。以自立式高压线铁塔为原型，该铁塔由各种等边角钢组成，材料主要由Q235(A3F)和Q345(16Mn)组成，该塔总高度为41.5 m，宽侧根开6 m，窄侧根开5.6 m，如图5(a)，(b)所示。利用ANSYS程序对高压输电线铁塔进行建模，建立的有限元分析模型如图5(c)所示。

图5 高压线铁塔基础支座、正视图与数值模型Fig.5 Foundation support,front view andnumerical model of a high voltage tower

本次模拟采用弹塑性本构模型，其中钢材的弹性模量均为206 GPa，泊松比均为0.3，密度均为7 850 kg/m。在模拟过程中，将铁塔简化为空间刚架模型，将铁塔各杆件都简化成梁单元，角钢的联接点简化成单元的节点即刚节点，并假设高压线铁塔基础不发生破坏或较大变形，且在变形过程中，模型节点不先于杆件发生破坏。

数值模拟结果与分析

根据表1中的模拟方案，得到高压线铁塔最大拉(压)应力与不同倾斜、水平变形之间的曲线关系，如图6所示。

图6 高压线铁塔最大应力与倾斜、水平变形量关系曲线Fig.6 Curves of relationship between maximum stress,slope and horizontal deformation of a high voltage tower

由图6可知，随着倾斜与水平变形量的增加，高压线铁塔最大应力均依次经历线性增加、缓慢增加阶段，即弹性阶段与屈服阶段。图6(a)～(b)中弹性阶段与屈服阶段交界处的倾斜、拉伸、压缩变形量分别为30，+6，-6 mm/m。铁塔处于屈服阶段时(倾斜变形量40 mm/m，水平变形量±8 mm/m)的变形示意、轴向应力分布云图、综合位移分布云图如图7～9所示，图中的“MX”代表相应分析的最大值位置，“MN”代表最小值位置。

图7 倾斜变形量40 mm/m时铁塔模拟结果云图Fig.7 Tower simulation results with a slope of 40 mm/m

图8 拉伸变形量+8 mm/m时铁塔模拟结果云图Fig.8 Tower simulation results witha tensiondeformation +8 mm/m

图9 压缩变形量-8 mm/m时铁塔模拟结果云图Fig.9 Tower simulation results witha compressiondeformation -8 mm/m

由图7～9可进一步得到高压线铁塔在屈服时的最大应力、位移及其位置，见表2。

表2 高压线铁塔在屈服时的最大应力、位移及其位置

由表2可知，地表倾斜导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向压应力达到其最大值，拉伸(压缩)变形导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向拉(压)应力达到其最大值；高压线铁塔在屈服阶段时的最大轴向应力位置均位于塔基处。

根据上述分析可知，因煤炭开采导致高耸构筑物变形的原因在于其基础发生了不同程度的下沉、倾斜与水平变形等，有必要提出一种抑制高耸构筑物基础地基变形的技术。

3 高耸构筑物地基精准注浆加固技术

3.1 高耸构筑物地基精准注浆加固技术原理

注浆的分类较多，其中静压注浆可分为充填或裂隙注浆、渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆，其都可用于充填裂隙、加固地基。笔者提出的高耸构筑物地基精准注浆加固技术原理是基于概率积分法预计基础移动变形量，在工作面将要(或正在)影响至高耸构筑物时，对其地基(基础内部与基础周边)进行渗透注浆加固，通过控制不同注浆位置的注浆压力与注浆量，实现提高地基强度、补偿地基下沉、矫正地基角度(倾斜)目的，从而精准保护高耸构筑物。笔者以水泥作为注浆的主要施工材料，以独立基础为例，首先根据采矿地质条件预计4个独立基础的移动变形曲线，其中下沉预计等值线如图10所示。

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图10 高耸构筑物独立基础下沉预计曲线Fig.10 Predicted subsidence curves for high rise structures

根据下沉量预计等值线，实施高耸构筑物精准加固技术，其流程如图11所示。

图11 高耸构筑物精准加固技术流程Fig.11 Flow chart of precise reinforcement technology forhigh rise structures

由图10，11可知，根据概率积分法预计得到高耸构筑物4个独立基础A，B，C，D的下沉量分别为，，，，且基础A的下沉量最大，基础D的下沉量最小。根据图11可知，通过在4个独立基础内与基础周边埋设不同长度的注浆管，控制注浆量与注浆压力实现对地基精准注浆，从而可达到保护高耸构筑物安全运行目的。

3.2 高耸构筑物地基精准注浆加固作用

基于上述理念，进一步深入分析高耸构筑物地基精准注浆加固技术的作用：注浆加固作用、注浆充填作用与注浆调斜作用。

注浆加固作用

高耸构筑物基础地基通常位于为第四系松散层或地表裸露基岩内。当基础位于第四系松散层内时，对基础内及其周边的土体地基注浆，可通过改变土体地基的力学性质(地基由土体变为岩土体)提高地基强度，其中高耸构筑物土体地基注浆前后试样应力-应变曲线如图12所示。

图12 土体地基注浆前后试样应力-应变曲线Fig.12 Stress-strain curves of soil samplesbefore and after grouting

由图12可知，注浆使得地基土试样强度()提高至地基岩土试样的强度()；另外，注浆前，受采动影响当地基应力达到地基土试样强度时，土试样的应变为′；注浆后，受采动影响当地基应力达到地基土试样强度时，岩土试样的应变为，小于′。

当基础位于地表裸露基岩时，对基础内及其周边的基岩地基进行注浆，可通过浆液充填基岩内部存在原有裂隙提高基岩地基强度。

注浆充填作用

通过对基础地基注浆不仅可以提高其强度，也能起到补偿下沉作用。以高耸构筑物的单个基础地基为例，基础地基注浆充填补偿下沉作用如图13所示。

图13 基础地基注浆充填补偿下沉作用示意Fig.13 Effects of foundation grouting fillingcompensation subsidence

根据图13可知，高耸构筑物的基础地基土颗粒间存在原有空隙与空洞(图13(a))，无注浆时，受采动影响，这些原有空隙与空洞被其周边图颗粒填充，置换出的空间形成的部分地表不均匀下沉量(图13(b))；当对基础地基进行注浆时，浆液充填原有空隙与空洞(图13(c))，基础地基受采动影响时，空隙浆液、空洞浆液将起到补偿地表下沉作用。

注浆调斜作用

根据概率积分法预计得到不同位置高耸构筑物的基础下沉量，若下沉量不同，可通过调节不同位置注浆管的注浆压力，控制调节地基反向作用力矫正基础倾斜，达到调斜作用。高耸构筑物基础地基注浆调斜作用如图14所示。

图14 高耸构筑物基础地基注浆调斜作用剖面示意Fig.14 Section sketch of grouting inclination adjustmenteffects for foundation of a high rise structure

由图14可知，开采前基础A，B均位于地平线上，下沉量为；地表预计曲线中基础A的下沉量()大于基础B的下沉量()；实施精准注浆后地表下沉曲线中基础A，B的下沉量均为′。另外，基础A，B地基共布置了9个注浆管(1～9号)，基础周边地基铺设的注浆管长度大于基础内地基注浆管长度，通过调节1号、2号注浆管注浆压力大于8号、9号注浆管压力，实现1号与2号注浆管下地基反作用力大于8号与9号，从而达到基础A与基础B周边地基下沉量一致目的。

综上可知，高耸构筑物地基精准注浆加固作用包括注浆加固作用提高地基强度、注浆充填作用补偿下沉与注浆调斜作用控制地基反力。

3.3 高耸构筑物地基精准注浆加固机理

根据上述高耸构筑物地基精准注浆加固作用，进一步采用半无限空间体集中力作用下的位移公式与数值积分方法，推导理论分析地基下沉量与注浆压力之间的定量关系式。

竖直、水平集中力下土体竖向变形理论分析

在半无限空间饱和土内部距离自由面处受到竖直集中力()与水平集中力()作用时(图15)，土体相应的竖向变形()表达式为

=v+h

(1)

式中，v为竖直集中力作用下方向的土体位移，m；h为水平集中力作用下方向的土体位移，m。

在图15中′-′-′坐标系下，得到h与v的表达式，如式(2)，(3)所示。

图15 半无限饱和土内部受竖直、水平集中力作用Fig.15 Semi-infinite saturated soil subjected tovertical and horizontal concentrated force

(2)

(3)

式中，为土体的剪切模量，Pa。

精准注浆作用下地基竖向变形理论分析

根据上述精准注浆原理，在半无限可渗透注浆的土体内注浆过程中，当注浆压力超过极限注浆压力()时，渗透注浆将变为劈裂注浆。因此当注浆压力小于，才能保证浆液的均匀渗透，进而实现对高耸构筑物地基的精准注浆，其中表达式为

(4)

式中,为地基土层的泊松比，一般小于0.5；为地基土层的抗压强度，Pa；为静止侧压力系数；为地基土层的容重，N/m；为注浆孔深度，m；为扩散半径，m；为注浆孔半径，m。

由式(4)可知，渗透注浆极限压力与地基的抗压强度、地基土层的容重、注浆孔深度与半径、静止侧压力系数、泊松比相关。高耸构筑物地基经浆液渗透、加固后，优化了地基力学性质，并提高了地基的完整性与强度(图12，13)。

为进一步通过控制注浆压力，实现矫正高耸构筑物地基倾斜目的(图14)，建立高耸构筑物精准注浆引起的地基竖向变形计算模型。在实现地基渗透注浆基础上，考虑到地基经浆液渗透、加固后，地基的完整性与强度提高，浆液固结对土体产生变形要远小于开采引起的地表移动变形，提出如下基本假定：① 假定精准注浆过程中，浆液完全充填注浆孔与注浆管间空隙，注浆孔孔壁、孔底分别受与注浆压力相等的水平注浆压力作用、竖直注浆压力作用；② 假定浆液充填注浆孔与注浆管间空隙后对土体产生挤压效益，不考虑浆液性能与土体变形的时效性；③ 假定地基是均质的线弹性体，各向同性，地基变形为小变形；④ 不考虑土体注浆后固结以及浆液固结对土层变形的影响。

根据上述基本假定，高耸构筑物精准注浆引起的地基竖向变形积分包括2个部分：注浆孔四周孔壁受水平注浆压力引起的地基竖向变形积分、注浆孔底部孔底受竖直注浆压力引起的地基竖向变形积分，设空间坐标系--，并对注浆孔内分别受水平、竖直注浆压力的任意微元建立与--平行的局部坐标系--，--，其积分如图16所示。

由图16(b)可知，为孔壁、孔底所取微元位置与孔底圆心连线，并与轴的夹角。对于注浆孔四周孔壁受水平注浆压力()的任意微元，其所受水平集中力为d=d，其中d=dd，为孔壁所取微元位置的深度；由图16(c)可知，对于注浆孔底部孔底受竖直注浆压力的任意微元，其所受竖直集中力为d=d，其中d=dd，为孔底所取微元位置与圆心的距离。根据上述基本假定可知，==，其中为注浆压力。结合图15中′-′-′坐标系，对图16中的坐标系(--、--与-

图16 注浆钻孔四周与底部注浆压力积分剖面示意Fig.16 Schematic diagram of grouting pressure integralcross-section around and at the bottom of grouting borehole

-)进行坐标变换，如式(5)，(6)所示。

(5)

(6)

将式(5)，(6)分别代入式(2)，(3)得

(7)

(8)

对式(7)，(8)进行积分，并结合式(1)，可得在注浆压力作用下，--坐标系中任意点的地基竖向变形量表达式为

(9)

基于地基下沉量的精准注浆压力理论公式

根据上述注浆作用下地基竖向变形理论分析，进一步推导基于地表预计下沉量的不同位置注浆孔注浆压力理论公式。

为简化计算，选取--坐标系中原点的竖向变形量作为精准注浆引起的地表竖向变形量。将式(7)，(8)代入式(9)得

(10)

对式(10)进行变换，得到高耸构筑物一个注浆孔的注浆压力()与其引起地表钻孔中心位置竖向变形量()的关系式为

(11)

由式(11)可知，注浆压力与地表竖向变形量呈线性相关关系，其斜率与土的剪切模量、注浆孔深度、注浆孔半径有关。根据上述高耸构筑物地基精准注浆加固理念，每一个基础周边布置多个等间距注浆钻孔，多个注浆钻孔的间距与其扩散半径()有关，根据式(4)可知，实施高耸构筑物地基精准注浆压力应不大于极限注浆压力，结合式(12)，可进一步推导出注浆孔的扩散半径公式(式(13))，当考虑到每个注浆孔施加的注浆压力都能发挥到地表竖向变形作用，又要考虑到注浆孔之间的相互作用关系，注浆钻孔间的极限距离()应为单个注浆孔扩散半径的2倍，即

(12)

根据上述分析可知，当注浆孔孔距为极限距离()时，每一个注浆孔引起的地表竖向变形相同，整个基础地基布置的多个注浆孔可组合为一个的大地基注浆孔，该地基注浆半径(′)为地基平均尺寸的一半。基于此认识，结合图14，根据地表预计下沉量曲线，欲通过调节注浆压力，使得整个基础地基的地表下沉量由抬升至′，因此可得到整个基础地基的注浆压力(′)计算式：

(13)

式中,′为地基注浆半径，m。

需要指出的是，上述推导出的注浆引起土层变形理论公式，均是基于半无限问题求解方法得到的。对土层注浆是一个复杂的过程，上述假设中仅考虑注浆后土层空间上的变化，未考虑注浆过程中的时间效应。

3.4 高耸构筑物地基精准注浆加固技术内容

基于上述精准注浆加固技术原理与注浆加固机理，进一步总结出高耸构筑物地基精准注浆技术的核心内容，如图17所示。

图17 高耸构筑物地基精准注浆技术核心内容Fig.17 Core content of precise grouting technology forhigh-rise structures

由图17可知，高耸构筑物地基精准注浆加固技术主要包括注浆依据、注浆时机、注浆位置、注浆作用与注浆机理，该技术对保护地表高耸构筑物安全运行具有重要的工程应用价值。

4 工程实例应用

4.1 白坪煤矿与广播信号塔概况

郑煤集团(河南)白坪煤业公司13031工作面上方附近存在一高55 m的广播电视信号铁塔，该铁塔为钢桁架结构，由铁塔、基础以及附属连接件等组成，属于对地表变形敏感的高耸构筑物。13031工作面开采二煤层，地质构造较简单，走向长壁综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板；工作面平均埋深634 m，平均煤层厚度为6 m，煤层倾角平均为10°；工作面类似“刀把型”布局，其中工作面走向长度为1 421 m，倾向长度为192～369 m。为保护该广播电视信号铁塔安全运行，同时保障煤矿产量，对13031工作面应用上述提出的高耸构筑物地基精准注浆加固技术。

根据现场调查与测量情况，铁塔及其基础组成结构为：铁塔钢桁架四角建于4个独立基础支墩上，铁塔支墩约为8 m×8 m间距，基础支墩为钢筋混凝土结构，尺寸为1 m(长)×0.8 m(宽)×0.1 m(高)，基础支墩下部为半径2.2 m的圆形独立混凝土基础，4个基础支墩下部由4根底梁连接形成联合基础，底梁位于圆形基础顶部，基础墩下部，截面为0.3 m×0.5 m。13031工作面与铁塔相对位置如图18所示。

图18 广播电视信号铁塔、基础与13031工作面相对位置Fig.18 Relative position of radio TV signal tower,foundation and 13031 working face

由图18(c)可知，广播电视信号铁塔位于13031工作面中下部，且4个基础从右下角逆时针编号分别为1,2,3,4。13031工作面开采平均厚度6 m。

4.2 广播信号塔地基精准注浆加固技术方案

采用概率积分法预估4个基础的下沉量，并在基础内与基础周边设计注浆孔，如图19所示。其中该工作面预计参数主要参照郑州矿区“三软”煤层开采概率积分法预计参数，确定为：下沉系数0.82，主要影响角正切2.2，开采影响传播角86.7°，水平移动系数0.3。

图19 基础下沉预计等值线与注浆孔平面示意 Fig.19 Estimated contour of foundation subsidenceand grouting hole plan

由图19可知，预计基础2，3的下沉量(1 060 mm)大于基础1，4下沉量(1 000 mm)，下沉量差达60 mm，采用上述精准注浆技术，通过调节注浆压力对基础地基进行加固、充填与矫正。由于上述计算的变形量为最终的静态变形量，所以没有必要在开采过程中一直注浆调整，因此不涉及先注浆区域与后注浆区域。

将土体剪切模量=10 MPa、下沉量差60 mm代入上述式(13)中，分析地基注浆半径(′)、注浆孔深度()与地基注浆压力(′)的关系，如图20所示。

图20 地基注浆压力与注浆半径、注浆孔深度关系曲线Fig.20 Relationship curve of grouting pressure,grouting radius and grouting hole depth

由图20可知，在地基注浆半径为4～8 m、注浆孔深度为1～3 m时，地基注浆压力为0.15～0.38 MPa。因此本次注浆压力应控制在0.15～0.38 MPa。另外，土体泊松比=0.3，土体静止侧压力系数=0.42，土体的抗压强度=140 kPa，地基土层的容重=16 kN/m，单个注浆孔深度=2 m，单个注浆孔半径=21 mm，根据上述计算结果注浆压力取0.38 MPa mm，将上述数值代入式(13)得注浆孔间距为=2.08 m。

基于计算结果，在现场施工时基础内部与周边均铺设间距为2 000 mm注浆孔，半径均为21 mm，基础内部与周边注浆孔深分别为2 000，3 000 mm。根据计算结果调节基础周边注浆压力可达到矫正基础倾斜目的。

4.3 广播信号塔地基精准注浆加固技术实施

本次采用规格为32 mm ×3 mm，材质为Q235的钢管桩，PO32.5水泥作为主要施工材料，精准注浆加固施工顺序为：地面开挖平整→定位放线→打注浆孔→插入钢管桩→封孔→钢管桩压力注浆→尾工及验收。

具体步骤为：① 对铁塔的基础土方进行开挖平整，开挖基础土方至原地平线下1 000 mm；② 达到要求后，根据图20中注浆孔布设参数进行放线定位注浆孔；③ 采用YTP28风动凿岩机进行打孔，孔深2 000～3 000 mm，直径42 mm；④将钢管桩(2 000,3 000 mm)插入注浆孔，注浆钢管桩端部做成锥形，钢管桩下部1 000或2 000 mm范围内侧边每隔250 mm钻制4个孔径为15 mm的出浆孔，钢管桩上部1 000 mm范围内不钻制出浆孔；⑤ 连接注浆泵对钢管桩进行注浆，注浆浆液水灰比为1∶2，单孔注浆所需水泥用量为0.3～0.5 t，单桩注浆量达到要求后，保持压力稳定5 min，注浆压力根据上述计算结果控制在0.15～0.38 MPa；⑥ 铁塔基础注浆加固工作完成后，根据实际情况完成基础土方回填等收尾工作。2021-01-14对广播电视信号铁塔基础注浆现场施工照片如图21所示。

图21 铁塔基础注浆现场施工图片Fig.21 On-site construction pictures of iron towerfoundation grouting

4.4 广播信号塔地基精准注浆加固效果校验

在13031工作面开采过程中，对广播电视信号铁塔基础进行采动变形监测，不同时期4个铁塔基础高程曲线如图22所示。

图22 不同时期铁塔基础高程曲线Fig.22 Elevation curves of tower foundation in different periods

由图22可知，铁塔4个基础在注浆前(2021-01-14)均未受到工作面开采的影响，当工作面与塔基中心距离小于197 m时，4个铁塔基础均沉降值相近，说明注浆后4个塔基变为整体联合基础，实现塔基共同下沉、减小塔身变形目的。为进一步验证上述注浆合理性，进一步分析广播电视铁塔最大变形量，见表3。

结合图22与表3可知，于2020-11-14(工作面距离高耸构筑物282 m)、2020-12-14(工作面距离高耸构筑物249 m)2次测量的广播电视信号铁塔基础间的最大倾斜量分别为4.8,1.9 mm/m，且铁塔整体下沉量为0，因此，此时测出的基础最大倾斜量均属于原始状态。另外，于2021-01-14(工作面距离高耸构筑物197 m)实测得到铁塔整体下沉量为1.8 mm，说明工作面的开采已经开始影响铁塔基础，因此选择此时对广播电视信号铁塔基础进行注浆。实施注浆后，铁塔基础整体下沉量随着工作面的开采继续增加，但实测的基础最大倾斜变形量均处于1.6～4.8 mm/m，均小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(简称“规范”)中电视铁塔的采动极限倾斜变形量(5.0 mm/m)，进一步验证了上述高耸构筑物地基精准注浆加固技术的合理性。

表3 广播电视信号铁塔平均下沉量与基础最大下沉量差

5 结 论

(1)阐述了地表高耸构筑物采动变形特征，并以高压输电线路铁塔为例，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，系统分析了地表下沉、水平移动、曲率、倾斜、水平变形对高耸构筑物采动变形的影响；地表倾斜导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向压应力达到其最大值，拉伸(压缩)变形导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向拉(压)应力达到其最大值。

(2)提出了高耸构筑物地基精准注浆加固技术原理，系统分析了精准注浆加固作用；并通过理论分析揭示了地基精准注浆加固机理，得出基于地基下沉量的精准注浆压力理论公式；凝练出基于地基“下沉量-注浆压力”的高耸构筑物地基精准注浆加固技术核心内容，包括注浆依据、注浆时机、注浆位置、注浆作用与注浆机理。

(3)将高耸构筑物地基精准注浆加固技术应用于某矿广播电视信号铁塔下采煤，精准注浆后基础最大变形量(1.6～4.8 mm/m)小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的极限变形量(5.0 mm/m)，有效保护了该广播电视信号铁塔，验证了高耸构筑物地基精准注浆加固技术的合理性。