輸電線路裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)形式研究

陳 焰，羅 旭，王新寬 ，陳海兵，廖綦楠

（1.重慶電力設(shè)計院有限責任公司，重慶 401121；2.重慶市電力公司，重慶 400014）

桿塔基礎(chǔ)作為輸電線路工程體系中的重要組成部分，其造價、工期、材料和勞動消耗量占很大比重。因此，優(yōu)化、創(chuàng)新輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計意義重大。

目前，國內(nèi)外不少學者圍繞輸電線路裝配式基礎(chǔ)設(shè)計施工、形式優(yōu)化做了很多研究，取得了較為豐富的成果，并在工程中得以推廣應(yīng)用，國家電網(wǎng)公司在總結(jié)近年裝配式基礎(chǔ)應(yīng)用經(jīng)驗基礎(chǔ)上，于2015年頒布了《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計－輸電線路裝配式基礎(chǔ)分冊》。但是，目前對于輸電線路裝配式基礎(chǔ)的研究，絕大多集中在重力式基礎(chǔ)，對于原狀土基礎(chǔ)，尤其巖石錨桿基礎(chǔ)，目前還處于起步階段，成果較少。

1 現(xiàn)有輸電線路基礎(chǔ)

架空輸電線路桿塔基礎(chǔ)形式應(yīng)根據(jù)桿塔、沿線地形、地質(zhì)、水文以及施工、運輸條件等進行綜合考慮確定。常規(guī)的山地基礎(chǔ)有板式（臺階）基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)、挖孔樁基礎(chǔ)、裝配式基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)等。

其中裝配式基礎(chǔ)和板式（臺階）基礎(chǔ)都屬于回填抗拔土體的基礎(chǔ)形式，裝配式基礎(chǔ)可以歸類于大開挖重力式基礎(chǔ)，適于機械施工，但在山區(qū)采用大開挖方式，不夠環(huán)保；而掏挖基礎(chǔ)、挖孔樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)屬于環(huán)保型原狀土基礎(chǔ)，都是發(fā)揮原有天然地基結(jié)構(gòu)性能，基礎(chǔ)開挖量少，其中巖石錨桿基礎(chǔ)發(fā)揮巖石自身的抗剪強度，具有良好的抗拔性能、其經(jīng)濟性能優(yōu)越。

1.1 裝配式基礎(chǔ)

裝配式基礎(chǔ)比較節(jié)省勞動力，縮短工期，質(zhì)量有保證，有利于機械化，能有效降低施工人員的作業(yè)強度和施工難度，符合輸電線路基礎(chǔ)施工的發(fā)展方向。

如前所述，裝配式基礎(chǔ)以土的重力抵抗上拔力，雖然滿足了機械化的要求，但不夠環(huán)保，尤其對于山區(qū)巖石地質(zhì)，大開挖方式不但施工特別困難，基礎(chǔ)開挖量較大，投資較高，還帶來棄土、水土流失問題。

傳統(tǒng)的重力式裝配式基礎(chǔ)，不論金屬角錐支架型、塔腿埋入型、金屬基礎(chǔ)等幾種形式都是將金屬支架置于回填土壤中，雖采取了必要的防腐措施（比如防腐涂等），在水和電解質(zhì)的雙重腐蝕下，耐久性受到較大影響。已有的（重力式）輸電線路裝配式基礎(chǔ)見圖1。

圖1 已有的（重力式）輸電線路裝配式基礎(chǔ)

1.2 錨桿基礎(chǔ)

巖石錨桿基礎(chǔ)是指以水泥砂漿或細石混凝土和錨筋灌注于鉆鑿成型的巖孔內(nèi)的錨樁基礎(chǔ)。巖石錨桿基礎(chǔ)采用錨桿機鉆孔，工藝先進，施工基面小，充分利用了巖石自身的抗剪強度，具有良好的抗拔性能，從而降低了基礎(chǔ)材料的損耗量，棄渣少，土石方開方量少，減少了對山區(qū)原始地貌的破壞，有利于植被及生態(tài)環(huán)境保護。

目前，巖石錨固技術(shù)在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。錨桿基礎(chǔ)在輸電線路中已取得了一定的設(shè)計和施工經(jīng)驗。其較好的經(jīng)濟與環(huán)保效益，已逐漸得到廣泛應(yīng)用，國家電網(wǎng)公司于2017年頒布了《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計－輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)分冊》，是一種應(yīng)用前景較好的一種基礎(chǔ)形式。

錨桿基礎(chǔ)主要有荷載較小的直錨錨桿基礎(chǔ)（由于荷載小不需要承臺），和荷載較大的承臺式（群）錨桿基礎(chǔ)，都是充分利用巖石本身結(jié)構(gòu)性能，錨桿體與巖石間的錨固粘結(jié)作用抵抗基礎(chǔ)上拔力，其設(shè)計理念是盡量減少開挖，盡量減少對原有巖石的擾動，保持原有巖土的結(jié)構(gòu)性能，其環(huán)保優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟節(jié)約。

但是目前施工方法仍然采用現(xiàn)澆方式和注漿方式，沒有裝配式基礎(chǔ)形式。基礎(chǔ)承臺部分采用現(xiàn)澆混凝土不利于推行輸電線路機械化施工，施工現(xiàn)場人力投入大、安全質(zhì)量與效益效率水平較低。

對于荷載較大的承臺式（群）錨桿基礎(chǔ)，承臺由于錨桿或地腳螺栓錨固長度要求，不少于其直徑的35倍左右，導致鋼筋混凝土承臺體量大，一般M48的地腳螺栓承臺高度接近2 m，加上寬度受錨桿最小間距（4～6倍錨孔直徑）的影響，承臺寬度較大，其承臺混凝土及開挖土石方量較大，其優(yōu)勢并不顯著，也是該基礎(chǔ)較難大規(guī)模應(yīng)用的原因之一。常規(guī)輸電線路錨桿基礎(chǔ)見圖2。

圖2 常規(guī)輸電線路錨桿基礎(chǔ)

2 裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)

輸電裝配承臺錨桿基礎(chǔ)，結(jié)合前述兩種基礎(chǔ)形式的優(yōu)點，避免其弱點形成新的基礎(chǔ)形式。原創(chuàng)性的將裝配式基礎(chǔ)與錨桿基礎(chǔ)聯(lián)合，形成裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)。

2.1 基礎(chǔ)方案

（1）錨桿體，置于穩(wěn)定巖層中。

（2）裝配式承臺，是預(yù)制鋼筋混凝土預(yù)制梁式構(gòu)件，中間預(yù)留錨桿孔位，注漿后，用于錨桿在錨桿頂部錨固（螺栓錨固），預(yù)埋螺栓作為錐形支架的地腳螺栓；開挖后的巖石基槽縫隙用細石混凝土填充。

（3）錐形支架，將其置于地面承臺上，以地腳螺栓與承臺連接（承臺與錨桿連接），使幾個承臺與角鋼支架（桁架結(jié)構(gòu)）形成一個組合式承臺，大大減少承臺體積和質(zhì)量，變單一的混凝土結(jié)構(gòu)為組合結(jié)構(gòu)，將原來的單承臺個體基礎(chǔ)分解成多個可拆卸，便于運輸?shù)念A(yù)制構(gòu)件。演化見圖3。

圖3 輸電線路裝配承臺錨桿基礎(chǔ)

2.2 功能分析及特點

2.2.1 輕量化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)件

（1）通過組合支架，將原單腿分化成四個子腿，減小了每個腿的內(nèi)力，使單個基礎(chǔ)體量減小，基礎(chǔ)變成輕量化的預(yù)制基礎(chǔ)成為可能。

（2）借鑒重力式輸電裝配式基礎(chǔ)的埋土部分錐形支架，將其置于地面上（承臺上），以螺栓或錨桿與承臺連接使幾個承臺與支架（桁架結(jié)構(gòu)）形成一個組合式承臺，大大減少承臺體積和質(zhì)量，變單一的體積較大混凝土結(jié)構(gòu)為組合結(jié)構(gòu)，將原來的體量較大單一承臺個體基礎(chǔ)分解成多個可拆卸，便于運輸?shù)念A(yù)制組合構(gòu)件。

（3） 在保證不降低結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，改變錨桿錨固端混凝土錨固為螺栓機械錨固，減少了錨固長度，大大減少承臺高度，進一步輕量化承臺體積。

2.2.2 滿足環(huán)境保護要求

（1）改變原有裝配式基礎(chǔ)的大開挖重力抵抗上拔力，而用體量較小錨桿錨固抵抗上拔力，減少開挖量，減少基礎(chǔ)體量，降低了基礎(chǔ)材料的損耗量，環(huán)保效益顯著。

（2）組合承臺上部錐形支架可根據(jù)地形高差調(diào)整其高度與根開，形成子全方位高低腿，以適應(yīng)不同的地形條件，補充調(diào)節(jié)由于地形高差過大，鐵塔高低腿不夠的情況。通過主體鐵塔全方位高低腿與子腿基礎(chǔ)的全方位高低腿共同配合調(diào)節(jié)，不但可以補充極端陡峭高差地形條件的長短腿配置，同時也可以做到不開挖（或微開挖）基面。

2.2.3 工程力學性能良好

（1）充分利用原狀土地基（巖石）承載力高（巖石自身的抗剪強度）、變形小的特點。充分發(fā)揮地基及基礎(chǔ)各自優(yōu)點，地基和基礎(chǔ)協(xié)同工作。

（2）通過錐形桁架結(jié)構(gòu)體系，既分解了內(nèi)力，又將錨桿合理分散布置，擴大地基受載范圍，使地基受力更合理，避免應(yīng)力集中。

（3）以空間桁架結(jié)構(gòu)替換以往大體量鋼筋混凝土承臺結(jié)構(gòu)，以空間桁架結(jié)構(gòu)替換單一大體量塊體結(jié)構(gòu)，傳力更加簡潔、合理。

（4）以空間桁架結(jié)構(gòu)置于地面以上解決了以往重力式裝配基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件埋在地下易腐蝕的弊端。

2.2.4 操作簡單，便于施工

（1）預(yù)制式裝配承臺更換原來現(xiàn)澆承臺，減少現(xiàn)場混凝土澆筑量，減少濕作業(yè)，承臺及上部桁架施工完全成為搭設(shè)積木方式施工，操作簡單。

（2）組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件體量小，重量控制在便于運輸要求重量為準，可參照以往的鋼筋混凝土水泥桿桿段、底盤預(yù)制構(gòu)件體量控制劃分，便于運輸、安裝、定位。

3 幾種形式

為了提高裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)適用范圍，在工程中確實推廣運用，提高輸電線路機械化施工率，必須因地制宜做好基礎(chǔ)形式的選擇，統(tǒng)籌考慮地形地質(zhì)條件，荷載條件、運輸條件、單構(gòu)件最大運輸和規(guī)格、加工及安裝便捷性等全流程的主要特點，達到安全可靠、規(guī)格通用、快速高效、方便施工要求。

3.1 按地質(zhì)條件分類

（1）對于覆蓋層薄，或裸露硬質(zhì)巖石，按《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》8.1.1條規(guī)定可用（或接近）直錨基礎(chǔ)的巖石。承臺頂面高于原始地面，稱為“承臺出土式”簡稱“出土式”。有兩種形式。

① 通過基礎(chǔ)上部鋼架分化后子腿荷載較小（上拔力小于200 kN）的可以采用直錨式，將原來用承臺錨固的轉(zhuǎn)換成直錨式，可以減少承臺開挖、混凝土澆量。上部直錨承臺可預(yù)制，錨桿錨固端為螺栓錨固，可減少承臺高度，承臺上部采用金屬角錐支架。稱之為直錨式裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)，見圖4。

圖4 直錨式裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)（單塔腿）

② 分化后荷載較大，單一錨桿不足以抵抗上拔，受錨桿間距（一般4～6倍錨孔直徑）構(gòu)造要求的影響，導致鐵塔塔腳板過大，塔腳板厚度增加，需要承臺轉(zhuǎn)換，上部為了便于運輸和安裝定位，盡量輕量化承臺。這種采用承臺金屬支架組合形式的錨桿基礎(chǔ)，稱之裝配式承臺支架組合式，是裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)的經(jīng)典形式，見圖5。

（2）對于覆蓋層較厚的塔位，將支架置于部分（或全部）埋設(shè)地面以下，為了防腐，和便于施工，可以采用混凝土構(gòu)件作組合式支架（也可是金屬支架），預(yù)制承臺可以是條形枕木式。連接節(jié)點可以是榫卯式或螺栓式連接（需防腐），使用裝配式錨桿基礎(chǔ)適用性更廣。由于是與錨桿直接相連接的承臺埋設(shè)與地面以下，稱為“埋入式”，見圖6。

圖5 裝配式承臺式錨桿基礎(chǔ)（單塔腿）

圖6 裝配式承臺埋入式（單塔腿）

3.2 按荷載大小分類

（1）“一”字型承臺

“一”字型承臺（圖7），承臺類似枕木，體積較小。對于荷載小，錨桿數(shù)量少的可用短型一字型承臺，荷載大的用長型一字型承臺。承臺布置方式可以根據(jù)不同荷載情況采用不同布置方式。承臺可以是預(yù)制鋼筋混凝土，為輕量化也可以采用輕骨料混凝土。

（2）“T”字型、“十”字型承臺，適用于荷載較大的，布置方式可采用正交式和斜交式。荷載進一步加大時，可以在“T”字型承臺伸一個支形成“十”字承臺，見圖9、圖10。

圖7 “一”字型承臺式

圖8 “T”型正交陣列

圖9 “T”型（或“十字”）斜交陣列

（3）三角形承臺（圖10），適用于荷載大小一般的輸電線路。三角形承臺的地栓腳螺栓置于中心，受力簡潔，構(gòu)造簡單，承臺可以做得更加輕量化，更便于運輸。

圖10 三角形承臺陣列

3.3 按環(huán)境條件分類

（1）支架材質(zhì)， “出土式”支架采用金屬支架，“埋入式”采用預(yù)制鋼筋混凝土支架。

（2）承臺材質(zhì)，對于覆蓋層薄，或裸露硬質(zhì)巖石，為了進一步輕量化預(yù)制承臺，將承臺改為組合式金屬型材結(jié)構(gòu)（一般為型鋼），為了防腐，原槽澆筑混凝土，為“金屬裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)”，見圖11。

圖11 金屬裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)

3.4 按錐形支架與鐵塔主材坡度分類

（1）荷載較小，根開較小，錐形支架可采用立柱垂直式，與鐵塔主材坡度關(guān)系不一致。這種基礎(chǔ)傳力不夠簡潔，但制作方便。

（2）荷載較大，高電壓等級，根開較大工程，錐形支架可采用與鐵塔主材坡度關(guān)系一致。這種基礎(chǔ)傳力簡潔。

4 計算方法

裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要由錨桿、承臺、錐形支架以及其相互連接節(jié)點四部分組成，都是常用結(jié)構(gòu)構(gòu)件，單個構(gòu)件設(shè)計計算方法成熟，本基礎(chǔ)形式對是其重新組合，形成新的基礎(chǔ)形式。

錨桿、承臺以及錨桿承臺組合體設(shè)計計算方法與傳統(tǒng)輸電線路錨桿基礎(chǔ)設(shè)計計算方法一致，錐形支架的設(shè)計與原大開挖基礎(chǔ)支架設(shè)計計算方法一致，都可以參照現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行即可。

一般輸電線路錨桿基礎(chǔ)設(shè)計時主要針對巖石基礎(chǔ)的上拔承載力進行設(shè)計計算。裝配式錨桿基礎(chǔ)埋置于巖體內(nèi)，因此抗水平承載性能一般能滿足設(shè)計要求；由于基礎(chǔ)承臺大大減小，地基下壓承臺在力可能作為控制指標。

5 技術(shù)經(jīng)濟分析

（1）采用了巖石錨桿基礎(chǔ)，巖石錨桿充分利用巖石自身的抗剪強度，具有良好的抗拔性能，從而降低了基礎(chǔ)材料的損耗量，棄渣少，土石方開方量少，相比其他掏挖基礎(chǔ)、挖孔樁基礎(chǔ)等原狀土較為經(jīng)濟的基礎(chǔ)形式，具有較優(yōu)的經(jīng)濟效益。

（2）上部錐形支架，是組合基礎(chǔ)的一部分，也是鐵塔塔身的一部分，可減少鐵塔高度，基礎(chǔ)工程量僅僅為承臺及錨桿部分，基礎(chǔ)工程量非常少，其經(jīng)濟性十分明顯。

（3）在保證不降低結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，改變錨桿錨固端混凝土錨固為螺栓錨固，減少了錨固長度，大大減少承臺高度，輕量化承臺體積，從而減少鋼筋混凝土用量，提高了經(jīng)濟效益。

（4）通過上部錐形支架為桁架式承臺，改變原有大體積鋼筋混凝土承臺為桁架承臺，結(jié)構(gòu)更為合理，材料消耗大大減少。

6 結(jié)論

裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)，原創(chuàng)性的將裝配式基礎(chǔ)與錨桿基礎(chǔ)組合使用，形成新型基礎(chǔ)形式，可充分發(fā)揮兩種地基的優(yōu)勢。裝配式承臺錨桿基礎(chǔ)能充分利用巖石自身的抗剪切性能很好地抵抗外部載荷；利用裝配式承臺，滿足了機械化施工的要求，減少了現(xiàn)場濕作業(yè)提高了工程質(zhì)量，滿足工程建設(shè)的環(huán)境保護要求，節(jié)約材料量，減小了土石方量，減少對環(huán)境的影響。為山地輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計提供了一種全新的基礎(chǔ)形式，具有較強的推廣和應(yīng)用價值。