采动影响下高压线塔基可调式基础改造加固技术研究

孙德宁

（新矿内蒙古能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯市 016299）

0 引 言

高电压输电线已经成为长程电能传输的主干线和国民经济发展的生命线，其安全可靠和安全可靠是电网发展的关键[1-5]。如何精确预报线路穿越采空区的变形，研究其在开采过程中的变形规律，确定其在开采过程中的稳定性，并在开采过程中应采用什么样的措施和方式，对其进行合理的稳定性评估，成为亟待研究的课题[6-12]。

因此，本项目以我国煤矿开采工程中的典型工程为背景，综合分析开采过程中地面形变特征对电力传输系统的作用，并在此基础上，有目的地进行地基处理和加固。

1 工程概况

矿区属于西北荒漠地带，井田北侧已建两条高压线路，一条是国电公司330 kV 徐露线，另一条是鄂托克前旗电力公司110 kV 花焦线，两条高压线路从井田南侧向北侧穿越而过，高压线路覆盖了矿区北侧的一片区域，总储量为2 794 万t。在进行反复采矿的时候，可能会对高压电线铁塔的底座产生不同形式、不同规模的沉降、开裂、错台和倾斜变形等，从而造成了支持线路的铁塔可能会产生倾斜、变形和基础不均匀沉降，存在着重大的安全风险。

330 kV 徐露线、110 kV 花焦线铁塔位于灵盐台地、低缓丘陵、沙漠和平原地貌上，330 kV 徐露线、110 kV 花焦线铁塔下煤层厚：3 煤层为3.3 m、5 煤层为4.8 m、9 煤层为5.0 m，煤层埋深287.6 ～832.85 m，这些区域在经过采煤作业过程中和采空后，将不可避免地引起高压输电铁塔地面产生不同程度、不同形式的塌陷、变形，导致330 kV 徐露线56#～65#段、110 kV 花焦线65～54 号段地表出现不同程度的开裂、塌陷、地表错层、倾斜等，给线路的安全运行造成倒塔、断线的严重威胁。为解决采空区内高压传输线的安全性问题，解除高压线杆塔下的煤层压力，本项目采用“井”字形梁式一体化可调整技术，对受其冲击的高、矮、平移动进行调整和监控，确保其在采空区内的安全、有效、持续地进行生产。

2 塔基受采动影响分析及评价

2.1 煤矿井下地面运动与位移变化

应用概率积分法，预测了地下采动影响与煤层的运动与变形。通过对该模型的分析，得出了随着采场向前推进，该模型的最大动态量及最后的静力量，如表1 所示。

表1 杆塔所在地表移动变形预计结果

由于架空于地面上的铁塔支持，当地面运动时，铁塔与电线会随着地面的运动而发生相应的位移与变形。其中，基础发生的变形所造成的支脚失稳以及支脚发生的位移所造成的支脚失稳是影响支脚失稳的主要原因。在横向位移作用下，电杆底座会产生位移、位移，进而使电杆底座产生应力屈曲。

2.2 采动影响下杆塔运行安全性评价

在采动影响区内，其主要设备，如高压电塔，导线，避雷线，绝缘子及导线，避雷线的行驶情况，按照《架空送电线路运行规程》和维修技术规范等相关要求，应当符合下列要求：

1）钢筋砼支撑柱的偏移（含偏移）不大于15%，所述横担柱的偏移程度不大于10%；小于50 m 的高的电线杆，其最大可容许的坡度（含偏移）和横担偏坡度（含偏移）分别为10%和10%。

2）在直线高压电杆上，导线的倾斜角度应小于7.5°，最大偏差应小于300 mm，在横担端处偏差应小于100 mm。由于悬挂式绝缘子串联倾斜角度较大，导致电线在卡箍上发生弯曲，会降低电线的安全性，加剧悬挂式电线的应力状态，还会降低电线与横担之间的气隙间距。所以，对于悬挂式的绝缘子通常要与地面保持一定的水平，偏差不能超过7.5°。

3）在110 kV 及以上的线中，导线和避雷线的松弛程度偏差必须大于3%或-2.5%，或大于220 kV以上的线中，松弛程度偏差必须大于3% 或-2.5%。在住宅小区内，220 kV 输电线路至地面间距至少为7.5 m；距离非居住地的距离应在6.5 m 以上；在道路不便的地区，其高度不低于5.5 m。根据最大电弧落差，引线到建筑的纵向最小间距应为6 m；在最大风向下，侧引线到房屋的最小水平间距应为5.0 m；最大电弧垂度和最大风向偏差分别为4.5 m 和4.0 m；导线与山坡、峭壁、岩石的最小净空距离，在行走可以到达的山坡条件下，不少于5.5 m，在行走不能到达的山坡、峭壁和岩石的条件下，不少于4.0 m。

4）引线与地面和障碍之间的最大弯角，其变动幅度，应不大于设计预留的余量。顺线路上两个邻近的高压电杆之间的间距误差，应控制在1/300 以内。

5）直线高压电杆的旋转角度小于3°。

6）柱子的构造张口距离（张口距离）应小于0.004 B。在输变电电缆下开采煤炭时，应采用相应的技术手段，确保其各个要素符合以上的安全性要求。

按照上面提到的高电压传输线的安全操作准则，通过对采掘后的高电压传输线各个要素的变形进行的计算，来对采掘后的高电压传输线的安全性进行了研究，其研究成果见表2。

表2 高压输电线路安全性分析

由表2 可知，工作面进行了采矿，对线塔的稳定性、线塔间档距、近地距离等都产生了一定的影响。在工作面进行了采矿之后，高压电线塔的倾斜程度达到了27.94%，超出了“铁塔倾斜程度的容许范围不大于10%”的要求；线路杆塔横担倾斜度值为2.85%，符合“电杆横担倾斜度值不大于10%”的要求；导线的最短接地间距为26.24 m，满足了在无人居住地区不少于6.5 m 的要求；高压线路杆塔的变速范围在1 200 左右，而高压线路操作规范中所要求的变速范围不大于1/300；开采后，直立高压电塔的旋转角度为0.132°，低于作业规范要求的3°；粗基根和细基根的张开度分别比粗、细两种情况下低0.006 8 m 和低0.007 8 m，这两种情况对地基的根张度有不同程度的影响，但是根张度误差都在规范规定范围内。

3 改造加固技术

3.1 杆塔基础加固改造整体方案

在实际工程中，对于高耸的塔基，必须采用预先加强的方法来克服地面及地基的横向沉降。通过对地面变形量的估算，工程造价，工期要求和工程实际情况的分析，确定了一种可调整的“井”字形组合梁板地基的改建与加固方法。

可调节“井”字形组合结构地基改建与强化设计：将原有的相互分离的地基改建为一个完整的地基，以增强地基在横向位移与差异沉陷中的承受性能。通过对原有的单独的基座进行强化，并对其进行加固，形成可调节的“井”字形钢框架结构，从而提高其稳定性。在采动的作用下，首先对上述地基进行加强；在对铁塔进行顶升时，应按照铁塔在顶升时出现的真实倾角及位移状况，对铁塔两边的铁塔进行纠正，并对铁塔两边的铁塔走动进行修正，纠正的方向以顺铁塔为主。

28、29 线塔架以加强、纠偏为重点，采用可调节“井”字形梁架的组合结构进行改建、加强。30 号线塔在选用“井”字形可调整梁板地基进行改建和加强时，如果地面的横向位移很大，超出了设计规定的容许范围，会对线路的使用造成一定的威胁时，才会进行线路的平移。

3.2 杆塔基础加固设计与施工工艺

按照上述方案，对杆塔地基进行加固，并进行了详细分析，得出以下结论：线塔塔身为钢结构，基础埋深为1 800 mm，基础为底板大小为2 000 mm 的阶梯钢筋混凝土基础，根直径为3 400 mm。铁塔的“井”字形地基是一种新型的可调整的组合结构。

1）铁塔原有地基和墩身的改建：采用气动钻机，在墩身的东向和西向分别钻孔3 列，每个钻孔2 个，打入1 根钢筋与一块有开口的钢片进行焊接，钢片直径30 mm，钢片厚10 mm，宽800 mm，钢片长度与墩身一样是800 mm。另外两个边（北边和南边）也都是用钢板固定在柱子上，边缘则用钢板与东边和西边的钢板焊接在一起。（28、29 号铁塔朝这个方向建造，30号铁塔朝另一个方向建造，也就是将东西南北互换）。

2）“井”字型钢框的设置：将45 B 型的工字型钢框固定在4 个塔底座上，并与其侧边的钢板焊在一起，构成一个“口”字型，见表2；在各墩身的一侧，将3.0 m 的延伸横杆焊到外侧，这样就构成了一个“井”字形结构；4 个邻近的加劲肋在4 个侧面进行焊接。

3）施工砼调节平台：调节平台在“井”型钢框架4 个端部的底部，采用粒状沙砾作为基础，设置平台的底部，调节平台的高度1.0 m。

4）调节螺钉的固定：调节螺钉与“井”字形钢框架的8 个端头焊成一组。将钢架末端与螺帽进行焊接，螺纹丝杆的类型为：81 mm，在水泥基本台之上，在丝杆下端加压20 mm 厚钢板。

5）安全性附属设施：为避免因地面不均衡沉降而引起的塔身倾覆，应视地势情况，将缆绳沿东南西北4 个方位平均配置，每个缆绳多余调整值0.3 m。图1 显示了地基加强的一般原理图。

图1 塔杆基础加固平面和剖面

3.3 杆塔的纠倾

铁塔在地面上有一定的沉降，会铁塔与地面的间距发生较大变化，故采用强制下降方法并不合适。在对铁塔进行纠倾时，使用的是一种以螺旋丝作为顶升的方法，利用调整螺旋丝来对强化后的整个基础的一面进行顶升，将沉降大的一面抬高，来完成对杆塔的矫正。在施工期间，地基底部出现的裂缝，采用注浆的方式进行充填。在调整地基的方向、调整幅度、调整设备的选取等方面，都要在有经验技术人员的带领下完成，并且要与在这方面的专家合作，做到随调随测。

3.4 杆塔的平移

针对28、29 线塔的横向位移多为顺线路向，提出通过调整铁塔两端的走行量来处理横向位移，并结合30 线塔的实测地面位移与预测计算的对比，如果地面位移很大（顺线路向竖直），且位移后会产生偏差，超出设计要求，需要将整个铁塔调整至一个合适的高度，从而使地面位移达到设计要求。

4 应用效果分析

4.1 应用技术创新

本工程完成后，一是可以有效地解决高压电线塔受井田的采动作用而产生的倾斜、坍塌和变形问题，保证矿山及其周围区域的电力供应的安全性和稳定性；二是此项工程施工简便，既节约，又降低了对生态的损害；三是为了防止输电线路由于输电线路的坍塌而导致的人身伤害。

1）采用“井”字梁式整体连续可调技术。高压电杆“井”字形梁式整体性可调整技术，其主体包括承台梁、调整梁、提升装置等，多个基础平台经梁架相连为一体；在调节横杆下面设置有平台横杆，平台横杆上装有提升装置，调节横杆与基础相连，梁体采用钢筋混凝土构造。该可调节式地基在地面形变过程中，既能确保地基间的相互关系不会改变，又能利用提升机械装置，实现塔架的位置与姿势的动态调节，能够在穿越采空区（塌陷区）以及开采煤炭或开采区域的过程中，实现塔架与传输线的安全、平稳、平稳的工作。

2）高压电杆在塌陷地中的监测与报警。在采煤区上330 kV 徐露线10 基铁塔上面应用输电线路杆塔安全在线监测预警系统，着重于其运行状态的实时监控，尤其是与运行状态密切相关的倾斜、振动等情况，为后续的可调整改造工作奠定坚实的基础。使用后，一方面，可以有效地解决高压电线塔受井田的采动作用而产生的倾斜、坍塌和变形现象，保证矿山及其周围区域的电力供应的安全性和稳定性；二是工艺简单，节约能源，降低了污染；三是为了防止输电线路由于输电线路的坍塌而导致的人身伤害。

4.2 经济效益

由于高压线路压覆了井田的北方煤层，所以它具有很大的压煤量，整个井田的压煤量为2796 万t。这个工程的执行能够最大程度的利用这个路段的煤量，从而减少了将近1500 万t 的资源消耗。如果以每吨煤利润347 元进行分析，就可获得1500 万t×347 元/ t = 520 500 万元。在保证掘进速度的前提下，降低了掘进速度，达到了掘进速度的目的。

5 结 论

1）通过对《架空送电线路运行规程》和维修技术规范等相关条款的全面研究，得到在高电压下开采煤炭时，必须达到的所有设备的安全操作要求。这样，在高压电线下开采煤炭时，就可以有章可循，有规可依。

2）通过对矿区采掘引起的地面位移与形变对线路中各种因素如电线塔倾斜、档距变化、线路拐角、近地距离与根张角等的作用进行了计算，并按照高压线路的操作规范，对采掘后的线路进行了安全评估，结果表明，采掘后，除了电线塔倾斜度超出极限以外，其他都符合架空线路操作规范金龙矿认为，只要对2 号线塔做好相应的保护，采区就可以在2 号线塔下面进行开采。