煤礦采空區(qū)220 kV輸電線路轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)沉降及處理

季善浩 ，李 勃

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；3.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

近年來，隨著“西電東送”和全國聯(lián)網(wǎng)工程項目的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)跨大區(qū)域、跨流域的水火電互濟(jì)，變輸煤為輸電，進(jìn)行更大范圍內(nèi)的電力資源優(yōu)化配置，對提高能源利用有重要意義。同時越來越多的輸電線路不得不途經(jīng)煤礦區(qū)［1］。隨著我國經(jīng)濟(jì)和采礦事業(yè)的不斷發(fā)展，一些礦區(qū)特別是淺埋煤礦的開采，引起地面下沉、凹陷甚至坍塌，給經(jīng)過或坐落于礦區(qū)上的高壓輸電鐵塔、線路造成了很大的威脅和危害。2010年，220 kV龍蠶線因途徑的洼里煤礦煤層采空后地表出現(xiàn)沉陷，而引起了47號SJT轉(zhuǎn)角耐張塔基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降。

1 輸電塔偏斜狀況

220 kV龍蠶線47號SJT轉(zhuǎn)角耐張塔為自立式六角型雙回路轉(zhuǎn)角塔，呼高18 m，總高35.5 m，根開7.285 m，轉(zhuǎn)角度數(shù)為右角24.4°，水平檔距為330 m，垂直檔距330 m，采用4個獨(dú)立基礎(chǔ)。該塔主肢及斜材由不同規(guī)格的Q235角鋼連接而成，結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。導(dǎo)線型號為LGJ-400/50，地線型號為GJ-50，其主要參數(shù)如表1所示。

圖1 220 kV龍招線47號六角形直線塔結(jié)構(gòu)

表1 導(dǎo)（地）線主要參數(shù)

2010年，煤礦采空區(qū)在采掘撤巷后，由于地表層受力過大，超過允許承受力時，致使地表層斷裂下沉，塔身隨之產(chǎn)生傾斜 （經(jīng)監(jiān)測顯示基礎(chǔ)沉降和鐵塔傾斜有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢），并產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力。經(jīng)測量，發(fā)現(xiàn)鐵塔產(chǎn)生較大的偏斜，塔頭向一側(cè)偏斜達(dá)1.063 m，根開變?yōu)?.185 m/7.195 m/7.205 m/7.225 m。現(xiàn)場測量各塔腳的相對下沉量及設(shè)計相對高差如表1所示（以未沉降水平面為基準(zhǔn)），塔基平面圖以及塔腳編號如圖1所示。塔腿編號情況如圖2所示，各塔腿垂直沉降量與根開的變化分別如表2及表3所示。且發(fā)現(xiàn)輸電塔底部桿件發(fā)生較大變形，在塔身下部靠近基礎(chǔ)的橫隔面附近，桿件產(chǎn)生了明顯的彎曲變形，有的桿產(chǎn)生外凸、有些桿產(chǎn)生內(nèi)凹，如圖3所示。

表2 垂直沉降量

表3 根開水平改變量

圖2 輸電塔腿編號示意圖

圖3 輸電塔底部橫隔面變形圖

2 基礎(chǔ)不均勻沉降對輸電線路桿塔的影響

輸電線路直線自立塔一般為格構(gòu)型，有4個支腳的針狀結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)常為分裂式（圖4），桿塔承受上撥和下壓以及水平剪力的共同作用。

圖4 桿塔基礎(chǔ)受力分析圖

地表的固結(jié)、移動和沉降以及大地與基礎(chǔ)之間的非彈性特性，使地表下沉產(chǎn)生壓力，再加上桿塔及各種荷載，引起相鄰各基礎(chǔ)之間的不均勻沉降，產(chǎn)生了多種組合的載荷，造成桿塔內(nèi)部各構(gòu)件較大的應(yīng)力。

當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時，桿塔可能產(chǎn)生兩種反應(yīng)，一種是由于鐵塔靜定結(jié)構(gòu)設(shè)計，桿塔具有一定的剛體性，使之作為一個剛體隨基礎(chǔ)移動和轉(zhuǎn)動，這時桿塔結(jié)構(gòu)未被破壞。另一種是由于塔材的彈性特性，加之應(yīng)力超過塔材的彈性極限時，使桿塔發(fā)生幾何形狀的變化，以適應(yīng)基礎(chǔ)的沉降，這時桿塔的結(jié)構(gòu)被破壞，各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力將發(fā)生變化。

有關(guān)的塔形建筑標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)沉降量最大允許為0.004B（根開），自立直線塔的根開一般為4～7m，基礎(chǔ)沉降量應(yīng)控制在12～28 mm之間，與研究部門及電力運(yùn)行單位多年實(shí)踐總結(jié)的1 217～2 514 mm的基礎(chǔ)不均勻沉降極限相吻合，當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時，可以通過計算或試驗來分析桿塔各節(jié)點(diǎn)，各塔材是否超過極限應(yīng)力，來判斷桿塔是否安全，以確定處理方案和更換鐵塔或部分塔材［2］。

3 處理方案的探討

3.1 指導(dǎo)思想

參照以往糾偏加固工程實(shí)踐經(jīng)驗，糾偏全過程中應(yīng)確保4個塔腿底部始終在一個平面上；在不斷電的條件下實(shí)施糾偏全過程，鐵塔不用更換改建；原來4個基礎(chǔ)盡量不受破壞，但它們的受力條件要發(fā)生改變；糾偏以頂升調(diào)平為主［3］。

3.2 方案探討

方案1：基礎(chǔ)帶電復(fù)位。施工程序為：①做好安全措施穩(wěn)固塔身。②將塔身支起。③基礎(chǔ)開挖。④用液壓千斤頂將基礎(chǔ)提升，基礎(chǔ)下用墊襯墊平。⑤將基礎(chǔ)用千斤頂平推歸位。⑥塔身與基礎(chǔ)聯(lián)接，基礎(chǔ)回填。⑦帶電更換部分變形塔材，拆除安全措施。該方案不停電、工期短。但是，安全措施復(fù)雜，由于47號塔支腿部位部分桿件已發(fā)生嚴(yán)重變形，施工安全難以保證。同時處于相對穩(wěn)定期的采空區(qū)，地表仍有小的變化，桿塔內(nèi)部還將產(chǎn)生應(yīng)力。

方案2：帶電扶正塔身。在采空區(qū)處于活躍期或沉降量不大，且水平移位在規(guī)定以內(nèi)時，做好安全措施，在基礎(chǔ)上加墊塊扶正塔身（圖5）。該方案靈活多變、工期短、投資很小、可做為沉降活躍期的臨時方案。但是本次沉降輸電塔位移變形較大，此方法無法適用。

3.3 方案實(shí)施

方案3：加固原基礎(chǔ)。采用鉆孔灌注樁托換加固的方法，將原來的4個混凝土基礎(chǔ)用鉆孔加鋼筋，增加4條地梁連成整體，并用鉆孔灌注樁托換加固，最后用頂升法調(diào)正鐵塔的就地糾偏方案［4］。

通過對上述方案的對比，基于安全性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，決定采取以方案3為基礎(chǔ)并同時對危險桿件加固的方案。同時由于塔身受力較大，不宜對桿材進(jìn)行更換，因此采用增加輔助桿材的方式進(jìn)行加固，加固形式如圖6所示。

首先在四基礎(chǔ)地表下0.5 m處混凝土四面用400 mm×20 mm厚的鋼板包住，鋼板間用HW250×255×14/14的工字鋼進(jìn)行連接以防止水平變形擴(kuò)大。

然后對3 m處橫隔面采用C 180×68×7/10.5的槽鋼進(jìn)行加固。

圖5 帶電扶正塔身示意圖

圖6 支腿（加固后）

最后在3.5 m、2.65 m、1.75 m處添加橫隔面，橫隔面形式如圖7所示。

圖7 3.5 m、2.65 m和1.75 m處橫隔面

4 結(jié)果與評定

對加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模與計算。對比原始結(jié)構(gòu)計算結(jié)果可知，結(jié)果顯示加固后最大應(yīng)力值由4 080 MPa減小到108 MPa，同時變形不再進(jìn)行擴(kuò)大，如圖8、9所示。

圖8 加固與未加固支腿應(yīng)力比對

圖9 加固與未加固支腿變形比對

在鐵塔加固工作完成后，通過對塔身多點(diǎn)震動測量以及基礎(chǔ)部分振動及應(yīng)變測量，對輸電塔加固后的運(yùn)行狀況進(jìn)行全面檢測。加固后輸電塔的變形穩(wěn)定，沒再擴(kuò)大，結(jié)果顯示，加固方案取得了非常好的效果。

5 結(jié)論和建議

1）通過對塔基不均勻沉降及水平移動對塔身承載力的影響進(jìn)行分析，基礎(chǔ)豎向不均勻沉降，使塔身傾斜，導(dǎo)（地）線張力及基地反力均發(fā)生變化，使導(dǎo)線發(fā)生一側(cè)放松，一側(cè)拉緊的情況，引起結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力的增加。

2）由于塔腿的水平移動，導(dǎo)致根開減小，在塔身下部靠近基礎(chǔ)的橫隔面附近，橫桿產(chǎn)生了明顯的彎曲，底部桿件存在應(yīng)力過大的現(xiàn)象。

3）鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生沉降、傾斜或滑移時，鐵塔桿件的破壞順序為塔底橫隔、塔底斜材和塔身下部斜材，采空區(qū)特高壓鐵塔設(shè)計中應(yīng)對這些桿件適當(dāng)加強(qiáng)。

4）隨著地表變形影響不斷擴(kuò)大，超出承載能力極限。隨地表變形（尤其是水平位移），加固桿件已經(jīng)產(chǎn)生屈曲，塔承載能力有進(jìn)一步下降的趨勢。通過對已經(jīng)產(chǎn)生屈曲的桿件及基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，可防止由桿件繼續(xù)發(fā)生變形從而導(dǎo)致桿塔的傾覆。

5）對于處于采礦區(qū)的輸電塔應(yīng)放棄采用分裂式基礎(chǔ)，而采用聯(lián)合式基礎(chǔ)。聯(lián)合式基礎(chǔ)抗不均勻沉降能力強(qiáng)，適用于淺埋，即使地表有一定的變化，桿塔及基礎(chǔ)也只是做剛體移動和轉(zhuǎn)動，內(nèi)力變化較小，很少危及桿塔結(jié)構(gòu)，降低桿塔傾覆的危險。

6）為確保煤礦采空區(qū)特高壓輸電線路安全，有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)互相支持、協(xié)作。輸電線路運(yùn)行單位應(yīng)將輸電線路桿塔及基礎(chǔ)資料提供給煤礦開采企業(yè)，在開采時選用適當(dāng)?shù)牟擅悍椒?，減小基礎(chǔ)變形量，降低煤礦開采對輸電線路安全運(yùn)行的不利影響。