巖石錨桿基礎(chǔ)在直流工程中的應(yīng)用

李 群，張 劍，田文博，李 帥，王公陽

（1.中國能源建設(shè)集團甘肅省電力設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.國網(wǎng)臨沂供電公司，山東 臨沂 276003；3.國網(wǎng)山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257091；4.國網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟南 250001）

0 引言

在“±800 kV上海廟—山東特高壓直流輸電線路工程”設(shè)計過程中，根據(jù)沿線地形、地貌、地質(zhì)水文情況，結(jié)合沿線地基土和地下水的腐蝕性，參照基礎(chǔ)設(shè)計原則，在覆蓋層較薄的完整巖石地區(qū)采用巖石錨桿基礎(chǔ)。巖石錨桿基礎(chǔ)采用成孔機械在巖石中鉆孔，然后在巖孔內(nèi)將加工成型的錨筋植入，最后澆筑細石混凝土，使其與基巖粘結(jié)成一良好的整體。該基礎(chǔ)既能利用巖石自身的強度，又具有土方開挖量和棄土量少，施工方便，物料運輸量少，施工周期短，工程成本低等特點，進而保持土體和植被的原生態(tài)，有效地防止水土流失。巖石錨桿基礎(chǔ)的社會、環(huán)保和經(jīng)濟效益優(yōu)勢明顯。這是節(jié)約型社會所提倡的。隨著勘測設(shè)計水平的提高，施工工藝不斷的改進，山東地區(qū)線路工程經(jīng)驗的積累，必將逐步成熟推廣。

1 概述

基礎(chǔ)設(shè)計必須依據(jù)線路工程的地形、地質(zhì)和施工條件，按照“安全可靠、方便施工、便于運行、注重環(huán)保、節(jié)省投資”的原則，綜合考慮地質(zhì)和交通運輸條件，進行基礎(chǔ)方案的選擇與優(yōu)化。在基巖平丘區(qū)覆蓋層較薄的完整巖石地區(qū)，采用巖石錨桿基礎(chǔ)。從技術(shù)合理性、施工可行性和環(huán)保要求的角度考慮，此基礎(chǔ)形式基坑土石方量小，鋼筋量，混凝土方量小，造價低。此基礎(chǔ)形式具有適用范圍廣、施工工程量小、材料消耗低、施工簡易等優(yōu)點。

±800 kV上海廟—山東特高壓直流輸電工程，第14標段（設(shè)計包），起始點為山東省寧陽縣磁窯鎮(zhèn)西南的安子溝北（N4801），終止點為平邑與蒙陰縣分界處（蒙陰縣聯(lián)城鎮(zhèn)李家榛子崖西南）（N4945），路徑長度為71.1 km，沿線地貌單元主要為丘陵與低山為主?；鶐r風化十分復雜，風化程度不一，大部分段強風化層厚度約2～5m，巖體破碎，完整性差，但個別塔位甚至出露有中風化基巖面，巖體完整性相對較好。

在巖體完整性較好的地段，巖石錨桿基礎(chǔ)可充分利用巖石的力學性能，具有節(jié)省材料，減少運輸成本、施工周期短等特點。巖石錨桿基礎(chǔ)是由3種材料（鋼筋、漿體、巖體）兩個界面（鋼筋—漿體界面、漿體—巖石界面）組成的環(huán)保型基礎(chǔ)，對植被、山體破壞非常小，工程沿線地形為平丘，交通運輸方便，在基巖裸露且基巖比較完整的塔位，基礎(chǔ)采用巖石錨桿基礎(chǔ)。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計原則

結(jié)合工程地形、地質(zhì)特點及運輸條件，綜合分析比較，選擇適宜的基礎(chǔ)型式；在安全、可靠的前提下，盡量做到經(jīng)濟、環(huán)保，減少施工對環(huán)境的破壞；充分發(fā)揮每種基礎(chǔ)型式的特點，針對不同的地形、地質(zhì)，選擇不同的基礎(chǔ)型式。

選用適宜的基礎(chǔ)型式，減少基礎(chǔ)水平作用力以及該力引起的彎矩效應(yīng)，優(yōu)化基礎(chǔ)整體受力情況；盡可能利用原狀土地基變形小，承載力高的力學特性，較為合理地采用原狀土基礎(chǔ)；減少水土流失，保護環(huán)境；重視施工過程和質(zhì)量的可控制性。

2.2 設(shè)計條件

以工程中使用的64.0m呼高的直線塔Z27104基礎(chǔ)作用力作為荷載條件，以基巖裸露且基巖比較完整的N4869塔位作為地基參數(shù)條件。

該塔位位于低山丘陵（頂部），青灰色，等粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英、長石及黑云母，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性較差，巖芯呈塊狀/短柱狀；巖體風化強烈，地表0.5m全風化，以下呈強風化狀，2.5m以下見中風化巖。

2.2.1 工程地質(zhì)

N4869塔位巖石地基主要物理力學性質(zhì)指標如表1所示，桿塔基礎(chǔ)荷載如表2所示。

表1 N4869塔位巖石地基主要物理力學性質(zhì)指標

表2 桿塔基礎(chǔ)荷載

鋼筋與砂漿或細石砼間的粘結(jié)強度τa=3 000 kPa；砂漿或細石砼與巖石間的粘結(jié)強度τb=700 kPa；巖石等代極限剪切強度 τs=45 kPa。

2.2.2 基礎(chǔ)材料

混凝土：主柱和承臺的混凝土強度等級采用C30，錨樁填充用的細石混凝土強度采用C30等級，保護帽混凝土采用C15等級。

鋼筋：錨筋、主筋為HRB400級鋼筋，其余為HPB300級鋼筋。

地腳螺栓：采用42CrMo合金鋼。

2.2.3 基礎(chǔ)設(shè)計方案

采用承臺式群錨樁基礎(chǔ)，具體布置如圖1所示。

具體基礎(chǔ)尺寸：錨樁數(shù)量為9；錨筋規(guī)格為HRB400mm；錨筋直徑為42mm，采購問題和貼筋焊接問題，可考慮采用并筋；錨樁直徑為150 mm；錨樁中心間距為500 mm；錨樁邊距為400mm；承臺寬度為1 800mm；承臺高度為1250mm；承臺嵌巖深度為0mm；承臺柱寬度為1000mm；承臺柱長度為1 200mm。

桿塔基礎(chǔ)的主要荷載包括豎向力 （即上拔力和下壓力）、橫向水平力及縱向水平力以及由此產(chǎn)生的彎矩等。所以巖石錨桿基礎(chǔ)強度計算主要有4個承載力的計算要求（單根錨筋承載力Ti、單根錨筋與砂漿粘結(jié)承載力Ti、單根錨樁與巖石間粘結(jié)承載力TE、巖石抗剪承載力TE），計算時均需滿足，并采用基礎(chǔ)的附加分項系數(shù)γf。其次按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的要求，在上拔或下壓情況下，對柱下承臺沖切Fl、承臺受角樁沖切V、承臺受彎M進行驗算。最后滿足構(gòu)造、施工要求。

1）錨筋承載力計算［1-2］：

圖1 群錨樁布置

式中：Ti為單根錨筋強度的上拔力，kN；TE為基礎(chǔ)上拔力設(shè)計值，kN；fy為鋼筋抗拉強度設(shè)計值，N/mm2；A n為單根錨筋截面面積，mm2；γf為基礎(chǔ)附加分項系數(shù)；τa為鋼筋與細石混凝土間的黏結(jié)強度，N/mm2；τb為細石混凝土與巖石間的黏結(jié)強度，N/mm2；τs為巖石等代極限剪切強度，N/mm2；a為群錨樁外切直徑，m；Fl為沖切力設(shè)計值，kN；βhp為承臺受沖切承載力截面高度影響系數(shù)；β0為柱沖切系數(shù)；um為承臺沖切破壞椎體一半有效高度處的周長，m；ft為混凝土抗拉強度設(shè)計值，N/mm2；Nl為錨樁反力設(shè)計值，kN；β1為柱沖切系數(shù)；c為錨樁內(nèi)側(cè)距承臺邊緣的距離，m；a1為主柱邊緣距錨樁內(nèi)側(cè)的距離，m；v為最大剪力設(shè)計值，kN；βhs為受剪切承載力截面高度影響系數(shù)；α為承臺剪切系數(shù)；b0為承臺計算截面處的計算寬度，m；M 為彎矩設(shè)計值，kN·m；A s為鋼筋的截面面積，mm2；α′s為受壓區(qū)鋼筋合力點至截面受壓邊緣的距離，m；d為錨筋直徑，m；D 為錨樁直徑，m；l0為錨筋的有效錨固長度，m；h0為承臺計算截面處的有效高度 （錨樁的有效錨固深度），m；Gf為基礎(chǔ)的自重，kN。按照上述公式計算得出：承載力、沖切、受彎均滿足要求。

3）基礎(chǔ)優(yōu)化。

在巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計的過程中，又對巖石錨桿基礎(chǔ)進行了可行、細致的優(yōu)化設(shè)計工作。在設(shè)計中增加錨筋直徑、減少了錨桿數(shù)量、優(yōu)化錨孔間距、減小錨樁承臺尺寸，減少基礎(chǔ)混凝土量，并對基礎(chǔ)主柱預(yù)偏心，減少或抵消部分由水平力引起的彎矩，進而減少錨桿受力。以上優(yōu)化對基礎(chǔ)自身受力、施工、環(huán)保都起到了很好的作用。

根據(jù)工程地形、地質(zhì)及基礎(chǔ)作用力特點和安全、經(jīng)濟、環(huán)保的原則，推薦本工程基巖條件下采用基礎(chǔ)型式，對于覆蓋層較薄或裸露的硬質(zhì)微風化或中風化巖石塔基，宜優(yōu)先采用巖石錨桿基礎(chǔ)。

2.2.4 機械化施工

隨著特高壓線路工程的陸續(xù)投建，相比傳統(tǒng)的人工開挖方式，機械化開挖在施工效率、安全性等方面的優(yōu)勢日趨突顯。因此，綜合考慮地形地貌、地質(zhì)、環(huán)境保護、水土保持、設(shè)備性能、施工平臺修筑、工期等限制機械化施工因素，通過對基礎(chǔ)施工機械的調(diào)研，提出不同的地質(zhì)、地形條件可采用的施工機械，以滿足機械化施工的要求［4］。

平丘地區(qū)的巖石錨桿基礎(chǔ)在地形和地質(zhì)上能夠滿足機械化施工要求，并具有很好的經(jīng)濟效益，通過在設(shè)計中考慮機械化施工方案，將極大提高施工效率，保證工程質(zhì)量和工期。

巖石錨桿基礎(chǔ)機械化施工主要集中在錨桿鉆孔上，錨桿鉆機是錨桿鉆孔的關(guān)鍵設(shè)備，影響著錨桿基礎(chǔ)的質(zhì)量——錨桿孔的方位、深度、孔徑的準確性。經(jīng)過向施工單位及廠家調(diào)研，施工階段優(yōu)先選擇旋轉(zhuǎn)式鉆機。該鉆機應(yīng)具有足夠的鉆速、扭矩與推力，能夠保證成孔質(zhì)量。機械鉆孔時，根據(jù)巖石硬度的不同選擇合適鉆頭。適用于巖石錨桿施工成孔。

隨著輸電線路工程快速建設(shè)，機械化施工程度高、經(jīng)濟環(huán)保的巖石錨桿基礎(chǔ)應(yīng)用比例將逐步提高。

3 施工及過程控制

巖石成孔后，應(yīng)有地質(zhì)專業(yè)人員驗孔，確定巖性滿足條件，方可進行下一步工作。鉆孔完成后，將錨筋置于孔內(nèi)居中，錨筋周邊與孔壁距離應(yīng)均勻［5］。

錨桿基礎(chǔ)鉆孔時不得擾動周圍地層，鉆孔時應(yīng)有可靠固定措施以防止因移位而產(chǎn)生偏差，鉆孔深度不應(yīng)小于設(shè)計深度，但也不宜超過100mm。

倒換鉆具時，必須用鐵板或木塞等將錨孔封堵，防止鉆頭掉入孔內(nèi)。鉆孔施工完成后，移開鉆孔設(shè)備，清理基面四周的泥水、粉砂、碎石。錨孔清洗前應(yīng)對其他錨孔覆蓋，防止泥水、碎石等雜物掉入孔內(nèi)。

錨桿桿體施工前應(yīng)平直、除油和除銹，安放桿體時應(yīng)防止扭壓和彎曲，桿體垂直放入鉆孔內(nèi)，不得磕碰孔壁，防止雜物帶入孔內(nèi)。

錨孔內(nèi)細石混凝土應(yīng)分層灌注，并搗固密實，分層高度小于300mm，每一次搗固必須徹底均勻。承臺混凝土采用機械搗固，以保證質(zhì)量。錨孔內(nèi)灌注細石砼和搗固時不得撞擊和搖晃錨桿，注細石砼后不得隨意敲擊桿體，也不得在桿體上懸掛重物。

基坑回填土時基坑內(nèi)不得有水及雜物，回填土中樹根雜草必須清除?；靥钔翍?yīng)分層夯實，每層厚200～300mm，坑面上必須筑防沉層，一般土質(zhì)基坑防沉層厚不小于300mm，不易夯實土質(zhì)基坑防沉層厚不小于500mm，防沉層平面尺寸不得小于坑口。

承臺混凝土澆注前應(yīng)清除錨桿外露部分的砂漿，使錨桿露出。承臺施工應(yīng)在灌漿體固結(jié)、初凝后進行。承臺混凝土澆注過程中，應(yīng)反復振搗混凝土，待混凝土初凝后，用砂掩埋養(yǎng)護承臺。

巖石錨桿基礎(chǔ)施工執(zhí)行 《國家電網(wǎng)公司輸變電工程標準工藝》（2014版）第0201010201條，上述規(guī)定如與標準工藝矛盾的以標準工藝為準。

4 結(jié)語

巖石錨桿基礎(chǔ)能夠充分利用原狀土地基變形小，承載力高的力學特性。輸電線路鐵塔基礎(chǔ)相對比較分散，因此總是處于不同地質(zhì)條件中，地基和基礎(chǔ)相互作用，共同承擔著桿塔荷載?；A(chǔ)承載力不僅與基礎(chǔ)自身強度有關(guān)，同時也取決于地基土的特性。與工民建基礎(chǔ)不同，桿塔基礎(chǔ)長期承受拉壓荷載的反復作用，桿塔基礎(chǔ)通常由抗拔和抗傾覆這兩方面的因素控制。大開挖類基礎(chǔ)上拔力主要由回填土及自重承擔，假如沒有充分發(fā)揮回填土的強度，結(jié)果回填土與基坑側(cè)面之間不能形成良好的粘聚力，受上拔作用力時不能形成抗拔倒錐體，使該種基礎(chǔ)抗拔承載力減弱，變形增大。所以，充分利用原狀土地基變形小，承載力高的力學特性，是選取基礎(chǔ)型式的基本原則。巖石錨桿基礎(chǔ)就是充分利用原狀土特性，進而發(fā)揮該基礎(chǔ)型式的優(yōu)點。

優(yōu)化基礎(chǔ)在設(shè)計中增加錨筋直徑、減少了錨桿數(shù)量、優(yōu)化錨孔間距、減小錨樁承臺尺寸，減少基礎(chǔ)混凝土量，并對基礎(chǔ)主柱預(yù)偏心，減少或抵消部分由水平力引起的彎矩，進而減少錨桿受力。以上優(yōu)化對基礎(chǔ)自身受力、施工、環(huán)保都起到了很好的作用。

達到工程的環(huán)保要求。鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計時必須考慮到環(huán)保要求，巖石錨桿基礎(chǔ)完全可以和鐵塔的全方位高低腿結(jié)合使用。盡可能做到不開基面，或少開基面，以最大程度減少棄土工程量，進而保護生態(tài)環(huán)境。

節(jié)約材料量。通過對本基礎(chǔ)與一般掏挖基礎(chǔ)相比較，直線塔一般可節(jié)約混凝土25.1%～30.3%，總造價節(jié)省4.9%～10.6%。由于選擇巖石錨桿基礎(chǔ)，還能進一步減少基礎(chǔ)埋深，減小土石方量，方便施工。

針對工程實際情況選用可行的施工過程機械化，以人為本減輕勞動強度，施工過程機械化，提高成孔質(zhì)量和施工效率，縮短了施工工期。