输电线路工程岩石锚杆基础的应用

程永锋，鲁先龙，郑卫锋

(中国电力科学研究院，北京市，100055)

0 引言

输电线路岩石锚杆基础通过将水泥砂浆或细石混凝土与锚筋注入岩孔内，使得锚筋与岩体胶结成整体，承受上部结构荷载［1-4］。岩石锚杆基础减少了基础混凝土用量、土石方开挖量，降低了水泥、砂石、基础钢材及弃土的运输量，能显著降低运输工程量，特别适用于地形复杂的高山地区。同时，也因显著减少了人工开挖或爆破作业对基础周围岩石基面、林木植被的损害，具有较好的环保效益。本文基于对岩石锚杆基础的理论分析［5-6］，结合大量的现场真型试验［7-9］，对目前输电线路工程中岩石锚杆基础的工程应用现状进行了探讨与分析，提出了相应的解决对策，并对岩石锚杆基础今后的研究方向提出了一些建议。

1 工程应用现状及对策

1.1 工程勘察

1.1.1 应用现状

岩石地基的划分方法：(1)按照岩石坚硬程度(定性判断或根据饱和单轴抗压强度值来确定)划分为硬质岩、软质岩；(2)根据岩石自身结构特性定性划分为未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化； (3)根据岩石基础的坚硬程度与风化程度，确定岩石锚杆基础的相关计算参数。这3种分类方法为定性判别，岩石类别的判定很大程度上依赖于现场勘探技术人员的经验，缺少必要的定量判定方法。

1.1.2 解决对策

由于缺乏统一的勘察和评价方法，应重点加强岩石锚杆基础地段的岩土工程勘察［10-11］。首先，对输电线路岩石进行岩体质量分级［12］；其次，根据岩体质量分级标准确定的相关地质参数，对岩石基础进行现场工程地质勘察，辅以必要的钻探、物探等科学方法，减少主观的评价因素，增加量化评价岩体质量的方法，提高岩石基础设计参数勘测工作的精度与水平。

在具体工程中，首先必须逐基查明塔位的地质状况，采用定性与定量相结合的方法，以现场工程地质调查和测绘为主，辅助以探槽、坑探等实地工作，必要时结合物探手段，以提高勘察工作的精度与水平。

1.2 工程设计

1.2.1 应用现状

规范规定的岩石锚杆基础相关计算参数的取值区间过大，即使精准判定岩石基础的类别，相关计算参数的取值仍存在一定的偏差，设计人员不得不选择最为保守的参数作为设计计算指标，基础安全稳定系数往往偏于保守，不符合“资源节约型、环境友好型”的输电线路工程建设目标。

(1)设计方法。各种行业规范对岩石锚杆承载力计算的规定主要是依据锚筋承载力、锚筋与砂浆的粘结力、砂浆与岩体的粘结力、岩体抗剪承载力等4个方面来确定的［13］。边坡工程、公路路基、铁路路基对岩石锚杆承载力的计算是基于对不稳定岩石边坡的加固处理，由于不存在结构体整体向上拔出的问题，只需验算锚筋承载力、锚筋与砂浆的粘结力、砂浆与岩体的粘结力。针对抗浮锚杆、溢洪道问题，电力行业的解决策略是通过锚杆的作用由岩石向构筑物提供拉力，这样不仅可能发生锚筋断裂、锚筋抽出剪切破坏、锚固体抽出破坏，而且还可能发生锚杆连同岩体一起整体拔出破坏的特殊形式，因此需验算上述4种破坏状态。目前，建筑行业通过增加锚杆长度来抵消抗浮锚杆发生岩石剪切破坏的概率［14］，在设计过程中不予计算。

(2)计算参数的选取。1)锚筋承载力计算。为保证锚筋自身不产生屈服变形破坏，应按照钢筋的抗拉强度设计值进行验算。2)锚筋与砂浆的粘结力计算。现场真型试验的统计结果表明，锚筋与砂浆或细石混凝土间的粘结强度对于C20级砂浆或细石混凝土取 1.80 MPa，C30级砂浆或细石混凝土取2.5 MPa。3)砂浆与岩体的粘结力计算。目前，电力行业按照硬岩与软岩并结合风化程度给出了砂浆或细石混凝土与岩体的粘结强度取值，取值区间过大；而边坡工程、公路路基、铁路路基、建筑行业溢洪道等，均按照岩石坚硬程度分5个等级(坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极软岩)，并给出了取值标准。实际上，岩石的坚硬程度中已考虑了岩石风化程度，结合目前国内通用的工程岩体分级标准，建议电力行业规范按照岩石坚硬程度给出合适的取值。4)岩石抗剪承载力计算。尽管需要将裂缝与变形综合考虑，但大量的现场真型试验结果表明，岩石等代极限剪切强度取值明显偏小，且随着锚杆埋深的增加，一般很难发生岩体剪切破坏，因此应根据岩石坚硬程度，适当考虑提高岩石等代极限剪切强度的取值。

(3)锚杆锚固长度。目前，实际输电线路工程中锚杆锚固长度的设置多依据设计经验，锚固长度往往较长。现场试验表明，锚杆承载力与锚固深度呈非线性关系［15］。相关资料表明，当锚杆长度足够长时，锚杆轴力随深度而衰减，当轴力衰减到一定程度以后，超出部分可以近似认为不承受持荷作用［16-19］。因此，岩石锚杆基础锚固深度存在临界值，超过该值后，增加锚固深度无助于提高锚杆的极限承载力。

1.2.2 解决对策

设计时，根据岩石锚杆基础的勘察结果，结合岩石坚硬程度，对砂浆与岩体的粘结强度、岩石等代极限剪切强度的取值标准进行修正。

设计锚杆锚固长度时，应结合具体现场施工工艺，建议输电线路岩石锚杆基础的锚固深度不小于1.5 m，不宜大于5.0 m。

1.3 工程施工

岩石锚杆基础施工存在2个问题：其一，施工机器具的轻便性不满足要求，对于输电线路工程，材料或施工机械的运输便利性至关重要，因此研发拆装方便、自重轻的机器具是岩石锚杆基础应用的关键之一；其二，施工的规范性有待提高，主要是成孔与灌浆的标准化流程，通过规范机械化操作的施工工艺，能有效控制和提高基础施工质量。

(1)成孔要求。锚孔的成孔包括人工打孔与机械钻孔，成孔直径不得产生负误差，正误差宜为20 mm；成孔深度的允许误差为±20 mm［20-21］。成孔后，必须清除孔内的石粉、浮土及石渣等，并用清水清洗干净，然后用泡沫塑料将水吸干。机械钻孔时，应针对岩石硬度选择不同的钻头，对微风化的硬质岩石，应选择金刚石钻头。

(2)灌浆要求。灌浆效果不好，会出现钢筋腐蚀或锈蚀而导致其使用期限降低，因此应加强对水泥砂浆或细石混凝土等灌浆材料的施工工艺与灌浆质量控制，应保证孔壁干净。现场真型试验表明，高压二次灌浆工艺施工复杂，不建议应用。建议在水泥砂浆或细石混凝土等灌浆料中掺入膨胀剂，以提高浆体与岩土间的粘结强度，但设计中仅仅作为安全储备考虑。

1.3.2 解决对策

施工流程的规范化与施工机器具的研制是岩石锚杆基础工程应用中需要解决的关键问题，研制轻便、便携的岩石锚杆基础钻机，以解决其在输电线路工程中运输不便的问题。

1.4 工程检测

选取2016年12月至2017年12月在我院治疗的ST抬高型急性心肌梗死患者40例为研究对象,其中,男22例,女18例,平均年龄(64.9±4.3)岁。患者均符合急性心肌梗死的相关诊断标准,排除溶栓禁忌症患者。将患者按照随机方法分为A组和B组各20例,A组梗死部位:前壁11例,下壁7例,其他部位2例;既往病史:高血压10例,冠心病14例,心肌梗死3例;B组梗死部位:前壁10例,下壁8例,其他部位2例;既往病史:高血压12例,冠心病15例,心肌梗死2例;两组一般资料差异不存在统计学意义(P>0.05),具有可比性。

由于地质条件千差万别，岩石锚杆基础在施工过程中会遇到各种问题，需加强现场的检测与检验工作，以确保岩石锚杆基础施工的成功率。锚杆质量检测主要包括拉拔试验法与应力波反射法［22-23］。拉拔试验法准确可靠，但试验过程复杂，只能进行少量抽检；应力波反射法在检测岩石锚杆基础锚固质量方面有别于桩基检测，目前很难根据实测信号对锚杆质量给出准确的评价，尚未进入大范围实用阶段。

在施工质量检测方面，建议采用孔内电视［24］等技术提高钻孔的测量精度，同时可清晰揭示孔内的岩石节理、裂隙发育程度。

1.5 经济性分析

从技术经济角度，目前最急需解决的岩石锚杆基础问题是施工计价定额依据［25］。锚杆施工的土石方量小，虽工程应用价值大，但是岩石锚杆基础没有全国统一的电力行业定额，施工单位施工积极性低。另外，应用岩石锚杆基础应充分考虑施工条件和施工工艺的便利性，应尽量集中在线路的某一区段。

2 研究方向

2.1 高强度钢

岩石锚杆基础现场试验的统计结果表明，60％以上的岩石锚杆基础破坏状态为锚筋被拉断破坏，其次是锚筋从砂浆中抽出破坏，而砂浆与岩体的粘结强度及岩石抗剪承载力一般不起控制作用［6］。

目前，输电线路岩石锚筋基础的锚筋普遍采用HPB235、HRB335钢筋，钢筋屈服强度较低，使得岩石的抗剪性能、岩石和砂浆的粘结强度、锚筋和砂浆的粘结强度等无法得到充分发挥，尤其是当基础作用力较大时，使用的锚筋根数大幅增加，使得基础的经济优势不明显。

若将锚筋的屈服强度提高1～2倍，如采用HRB400或40Cr等高强钢，尽管钢材单价会提高，但综合本体造价会节约20％～40％，其环保和经济效应将更加明显［26］。目前，高强度锚筋已在辽宁抚程500 kV送电线路新建工程中试点应用。

2.2 涨壳式新结构

涨壳式锚杆主要用于抢修或紧急输电线路工程，如图1所示。锚杆底部安装有涨壳锚头，锚杆插入孔内后，通过旋转锚杆施加扭矩，可使涨壳锚头张开，紧锁孔壁，在未注浆前即能承受一定的拉拔力，使得基础具备立塔条件，从而节约了砂浆或细石混凝土达到凝固强度的时间。由于底部涨壳锚头的作用，锚杆锚固作用明显提高，压应力及区域明显增大，变形量也明显降低，承载力得到提高，但其整体承载力的提高程度与涨壳锚头型式和施工工艺密切相关。

图1 涨壳式锚杆结构Fig.1 Structure of swelled rock anchor

2.3 扩底锚桩新工艺

扩底锚桩基础如图2所示，其作用机理为通过底部构造措施改善锚杆上部内力集中现象，增加岩石锚杆基础的抗拔稳定性［27］。

图2 岩石扩底锚桩Fig.2 Belled rock-anchor pile

文献［28］进行了扩底锚桩基础的现场真型试验，通过上部缠绕、下部扩底技术来提高基础的承载力。然而，从荷载位移曲线看，其最大位移值仅2.06 mm，未达到破坏标准，现场试验均未达到破坏状态。扩底锚桩的承载性能能否提高，取决于锚杆的破坏状态，目前输电线路工程中的岩石锚杆基础埋深较深，很少发生岩体剪切破坏，因此其承载力不一定能得到提高。实质上，扩底锚桩基础通过上部缠绕方式形成自由段，杆塔荷载能直接传递到锚杆底部，这样就不会再受到表层破碎岩体的影响而限制锚杆的使用范围，从而可扩大岩石锚杆基础的适用范围，这一点是扩底锚桩的优势所在。锚孔扩底施工技术费用较高，与传统的岩石锚杆基础相比经济性差。

2.4 新型基础

针对覆盖层较厚的山区输电线路工程，单纯采用岩石锚杆基础的经济性与环保性不显著，应结合具体地质条件选择合适的新型环保型杆塔基础型式。

针对上部粘土层、下部岩层的山区地质条件，将掏挖基础与岩石锚杆联合形成的复合式基础，如图3所示。复合式基础充分利用原状土、减少土方开挖量，无需爆破岩层、便于施工，利于保护环境。目前，复合式基础的荷载传递机理与变形协调机理尚不清晰，尚无成熟的设计计算方法，因此需要大量的现场真型试验来确保其可靠性。

图3 复合式基础Fig.3 Com posite foundation

针对上部覆盖层为松散土体、下部岩层的山区地质条件，可考虑采用由锚筋构成的锚筋群桩基础，如图4所示。由于锚筋直径相对较细(不大于36mm)，孔径也较小，可采用人工方式进行成孔。但由于锚筋数量较多，其桩间距大小影响整体承载力，因此应加强群锚效应系数的研究，通过真型试验来验证其整体承载性能。

图4 锚筋群桩基础Fig.4 Group steels foundation

3 结语

(1)在勘察方面，首先要逐基、逐腿进行勘测，采用定性分析与定量数据相结合，充分利用先进的物探设备，保证岩石地质勘察的精度与准确性。

(2)在设计方面，要重视砂浆或细石混凝土的粘结强度、岩石等代极限剪切强度的取值标准，要合理确定锚杆长度。

(3)在施工与检测方面，要加强对钻孔与灌浆的标准化流程的监督，同时要积极研发新型轻便型的钻机设备，要加强施工质量的检测技术。

(4)在技术经济方面，要尽快制定岩石锚杆基础的施工计价定额依据。

(5)在新材料、新工艺、新技术方面，通过采用高强度钢材、涨壳技术、锚孔扩底技术等措施改善岩石锚杆基础的承载性能，通过采用新型复合式基础、锚筋群桩基础等基础型式提高岩石锚杆基础的应用范围。

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