岩石锚杆基础在直流工程中的应用

李 群，张 剑，田文博，李 帅，王公阳

（1.中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司，甘肃 兰州 730050；2.国网临沂供电公司，山东 临沂 276003；3.国网山东省电力公司东营供电公司，山东 东营 257091；4.国网山东省电力公司建设公司，山东 济南 250001）

0 引言

在“±800 kV上海庙—山东特高压直流输电线路工程”设计过程中，根据沿线地形、地貌、地质水文情况，结合沿线地基土和地下水的腐蚀性，参照基础设计原则，在覆盖层较薄的完整岩石地区采用岩石锚杆基础。岩石锚杆基础采用成孔机械在岩石中钻孔，然后在岩孔内将加工成型的锚筋植入，最后浇筑细石混凝土，使其与基岩粘结成一良好的整体。该基础既能利用岩石自身的强度，又具有土方开挖量和弃土量少，施工方便，物料运输量少，施工周期短，工程成本低等特点，进而保持土体和植被的原生态，有效地防止水土流失。岩石锚杆基础的社会、环保和经济效益优势明显。这是节约型社会所提倡的。随着勘测设计水平的提高，施工工艺不断的改进，山东地区线路工程经验的积累，必将逐步成熟推广。

1 概述

基础设计必须依据线路工程的地形、地质和施工条件，按照“安全可靠、方便施工、便于运行、注重环保、节省投资”的原则，综合考虑地质和交通运输条件，进行基础方案的选择与优化。在基岩平丘区覆盖层较薄的完整岩石地区，采用岩石锚杆基础。从技术合理性、施工可行性和环保要求的角度考虑，此基础形式基坑土石方量小，钢筋量，混凝土方量小，造价低。此基础形式具有适用范围广、施工工程量小、材料消耗低、施工简易等优点。

±800 kV上海庙—山东特高压直流输电工程，第14标段（设计包），起始点为山东省宁阳县磁窑镇西南的安子沟北（N4801），终止点为平邑与蒙阴县分界处（蒙阴县联城镇李家榛子崖西南）（N4945），路径长度为71.1 km，沿线地貌单元主要为丘陵与低山为主。基岩风化十分复杂，风化程度不一，大部分段强风化层厚度约2～5m，岩体破碎，完整性差，但个别塔位甚至出露有中风化基岩面，岩体完整性相对较好。

在岩体完整性较好的地段，岩石锚杆基础可充分利用岩石的力学性能，具有节省材料，减少运输成本、施工周期短等特点。岩石锚杆基础是由3种材料（钢筋、浆体、岩体）两个界面（钢筋—浆体界面、浆体—岩石界面）组成的环保型基础，对植被、山体破坏非常小，工程沿线地形为平丘，交通运输方便，在基岩裸露且基岩比较完整的塔位，基础采用岩石锚杆基础。

2 设计方案

2.1 设计原则

结合工程地形、地质特点及运输条件，综合分析比较，选择适宜的基础型式；在安全、可靠的前提下，尽量做到经济、环保，减少施工对环境的破坏；充分发挥每种基础型式的特点，针对不同的地形、地质，选择不同的基础型式。

选用适宜的基础型式，减少基础水平作用力以及该力引起的弯矩效应，优化基础整体受力情况；尽可能利用原状土地基变形小，承载力高的力学特性，较为合理地采用原状土基础；减少水土流失，保护环境；重视施工过程和质量的可控制性。

2.2 设计条件

以工程中使用的64.0m呼高的直线塔Z27104基础作用力作为荷载条件，以基岩裸露且基岩比较完整的N4869塔位作为地基参数条件。

该塔位位于低山丘陵（顶部），青灰色，等粒结构，块状构造，主要成分为石英、长石及黑云母，节理裂隙发育，岩体破碎，完整性较差，岩芯呈块状/短柱状；岩体风化强烈，地表0.5m全风化，以下呈强风化状，2.5m以下见中风化岩。

2.2.1 工程地质

N4869塔位岩石地基主要物理力学性质指标如表1所示，杆塔基础荷载如表2所示。

表1 N4869塔位岩石地基主要物理力学性质指标

表2 杆塔基础荷载

钢筋与砂浆或细石砼间的粘结强度τa=3 000 kPa；砂浆或细石砼与岩石间的粘结强度τb=700 kPa；岩石等代极限剪切强度 τs=45 kPa。

2.2.2 基础材料

混凝土：主柱和承台的混凝土强度等级采用C30，锚桩填充用的细石混凝土强度采用C30等级，保护帽混凝土采用C15等级。

钢筋：锚筋、主筋为HRB400级钢筋，其余为HPB300级钢筋。

地脚螺栓：采用42CrMo合金钢。

2.2.3 基础设计方案

采用承台式群锚桩基础，具体布置如图1所示。

具体基础尺寸：锚桩数量为9；锚筋规格为HRB400mm；锚筋直径为42mm，采购问题和贴筋焊接问题，可考虑采用并筋；锚桩直径为150 mm；锚桩中心间距为500 mm；锚桩边距为400mm；承台宽度为1 800mm；承台高度为1250mm；承台嵌岩深度为0mm；承台柱宽度为1000mm；承台柱长度为1 200mm。

杆塔基础的主要荷载包括竖向力 （即上拔力和下压力）、横向水平力及纵向水平力以及由此产生的弯矩等。所以岩石锚杆基础强度计算主要有4个承载力的计算要求（单根锚筋承载力Ti、单根锚筋与砂浆粘结承载力Ti、单根锚桩与岩石间粘结承载力TE、岩石抗剪承载力TE），计算时均需满足，并采用基础的附加分项系数γf。其次按照混凝土结构设计规范的要求，在上拔或下压情况下，对柱下承台冲切Fl、承台受角桩冲切V、承台受弯M进行验算。最后满足构造、施工要求。

1）锚筋承载力计算［1-2］：

图1 群锚桩布置

式中：Ti为单根锚筋强度的上拔力，kN；TE为基础上拔力设计值，kN；fy为钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；A n为单根锚筋截面面积，mm2；γf为基础附加分项系数；τa为钢筋与细石混凝土间的黏结强度，N/mm2；τb为细石混凝土与岩石间的黏结强度，N/mm2；τs为岩石等代极限剪切强度，N/mm2；a为群锚桩外切直径，m；Fl为冲切力设计值，kN；βhp为承台受冲切承载力截面高度影响系数；β0为柱冲切系数；um为承台冲切破坏椎体一半有效高度处的周长，m；ft为混凝土抗拉强度设计值，N/mm2；Nl为锚桩反力设计值，kN；β1为柱冲切系数；c为锚桩内侧距承台边缘的距离，m；a1为主柱边缘距锚桩内侧的距离，m；v为最大剪力设计值，kN；βhs为受剪切承载力截面高度影响系数；α为承台剪切系数；b0为承台计算截面处的计算宽度，m；M 为弯矩设计值，kN·m；A s为钢筋的截面面积，mm2；α′s为受压区钢筋合力点至截面受压边缘的距离，m；d为锚筋直径，m；D 为锚桩直径，m；l0为锚筋的有效锚固长度，m；h0为承台计算截面处的有效高度 （锚桩的有效锚固深度），m；Gf为基础的自重，kN。按照上述公式计算得出：承载力、冲切、受弯均满足要求。

3）基础优化。

在岩石锚杆基础设计的过程中，又对岩石锚杆基础进行了可行、细致的优化设计工作。在设计中增加锚筋直径、减少了锚杆数量、优化锚孔间距、减小锚桩承台尺寸，减少基础混凝土量，并对基础主柱预偏心，减少或抵消部分由水平力引起的弯矩，进而减少锚杆受力。以上优化对基础自身受力、施工、环保都起到了很好的作用。

根据工程地形、地质及基础作用力特点和安全、经济、环保的原则，推荐本工程基岩条件下采用基础型式，对于覆盖层较薄或裸露的硬质微风化或中风化岩石塔基，宜优先采用岩石锚杆基础。

2.2.4 机械化施工

随着特高压线路工程的陆续投建，相比传统的人工开挖方式，机械化开挖在施工效率、安全性等方面的优势日趋突显。因此，综合考虑地形地貌、地质、环境保护、水土保持、设备性能、施工平台修筑、工期等限制机械化施工因素，通过对基础施工机械的调研，提出不同的地质、地形条件可采用的施工机械，以满足机械化施工的要求［4］。

平丘地区的岩石锚杆基础在地形和地质上能够满足机械化施工要求，并具有很好的经济效益，通过在设计中考虑机械化施工方案，将极大提高施工效率，保证工程质量和工期。

岩石锚杆基础机械化施工主要集中在锚杆钻孔上，锚杆钻机是锚杆钻孔的关键设备，影响着锚杆基础的质量——锚杆孔的方位、深度、孔径的准确性。经过向施工单位及厂家调研，施工阶段优先选择旋转式钻机。该钻机应具有足够的钻速、扭矩与推力，能够保证成孔质量。机械钻孔时，根据岩石硬度的不同选择合适钻头。适用于岩石锚杆施工成孔。

随着输电线路工程快速建设，机械化施工程度高、经济环保的岩石锚杆基础应用比例将逐步提高。

3 施工及过程控制

岩石成孔后，应有地质专业人员验孔，确定岩性满足条件，方可进行下一步工作。钻孔完成后，将锚筋置于孔内居中，锚筋周边与孔壁距离应均匀［5］。

锚杆基础钻孔时不得扰动周围地层，钻孔时应有可靠固定措施以防止因移位而产生偏差，钻孔深度不应小于设计深度，但也不宜超过100mm。

倒换钻具时，必须用铁板或木塞等将锚孔封堵，防止钻头掉入孔内。钻孔施工完成后，移开钻孔设备，清理基面四周的泥水、粉砂、碎石。锚孔清洗前应对其他锚孔覆盖，防止泥水、碎石等杂物掉入孔内。

锚杆杆体施工前应平直、除油和除锈，安放杆体时应防止扭压和弯曲，杆体垂直放入钻孔内，不得磕碰孔壁，防止杂物带入孔内。

锚孔内细石混凝土应分层灌注，并捣固密实，分层高度小于300mm，每一次捣固必须彻底均匀。承台混凝土采用机械捣固，以保证质量。锚孔内灌注细石砼和捣固时不得撞击和摇晃锚杆，注细石砼后不得随意敲击杆体，也不得在杆体上悬挂重物。

基坑回填土时基坑内不得有水及杂物，回填土中树根杂草必须清除。回填土应分层夯实，每层厚200～300mm，坑面上必须筑防沉层，一般土质基坑防沉层厚不小于300mm，不易夯实土质基坑防沉层厚不小于500mm，防沉层平面尺寸不得小于坑口。

承台混凝土浇注前应清除锚杆外露部分的砂浆，使锚杆露出。承台施工应在灌浆体固结、初凝后进行。承台混凝土浇注过程中，应反复振捣混凝土，待混凝土初凝后，用砂掩埋养护承台。

岩石锚杆基础施工执行 《国家电网公司输变电工程标准工艺》（2014版）第0201010201条，上述规定如与标准工艺矛盾的以标准工艺为准。

4 结语

岩石锚杆基础能够充分利用原状土地基变形小，承载力高的力学特性。输电线路铁塔基础相对比较分散，因此总是处于不同地质条件中，地基和基础相互作用，共同承担着杆塔荷载。基础承载力不仅与基础自身强度有关，同时也取决于地基土的特性。与工民建基础不同，杆塔基础长期承受拉压荷载的反复作用，杆塔基础通常由抗拔和抗倾覆这两方面的因素控制。大开挖类基础上拔力主要由回填土及自重承担，假如没有充分发挥回填土的强度，结果回填土与基坑侧面之间不能形成良好的粘聚力，受上拔作用力时不能形成抗拔倒锥体，使该种基础抗拔承载力减弱，变形增大。所以，充分利用原状土地基变形小，承载力高的力学特性，是选取基础型式的基本原则。岩石锚杆基础就是充分利用原状土特性，进而发挥该基础型式的优点。

优化基础在设计中增加锚筋直径、减少了锚杆数量、优化锚孔间距、减小锚桩承台尺寸，减少基础混凝土量，并对基础主柱预偏心，减少或抵消部分由水平力引起的弯矩，进而减少锚杆受力。以上优化对基础自身受力、施工、环保都起到了很好的作用。

达到工程的环保要求。铁塔基础设计时必须考虑到环保要求，岩石锚杆基础完全可以和铁塔的全方位高低腿结合使用。尽可能做到不开基面，或少开基面，以最大程度减少弃土工程量，进而保护生态环境。

节约材料量。通过对本基础与一般掏挖基础相比较，直线塔一般可节约混凝土25.1%～30.3%，总造价节省4.9%～10.6%。由于选择岩石锚杆基础，还能进一步减少基础埋深，减小土石方量，方便施工。

针对工程实际情况选用可行的施工过程机械化，以人为本减轻劳动强度，施工过程机械化，提高成孔质量和施工效率，缩短了施工工期。