输电线路装配式承台锚杆基础形式研究

陈 焰，罗 旭，王新宽 ，陈海兵，廖綦楠

（1.重庆电力设计院有限责任公司，重庆 401121；2.重庆市电力公司，重庆 400014）

杆塔基础作为输电线路工程体系中的重要组成部分，其造价、工期、材料和劳动消耗量占很大比重。因此，优化、创新输电线路基础设计意义重大。

目前，国内外不少学者围绕输电线路装配式基础设计施工、形式优化做了很多研究，取得了较为丰富的成果，并在工程中得以推广应用，国家电网公司在总结近年装配式基础应用经验基础上，于2015年颁布了《国家电网公司输变电工程通用设计－输电线路装配式基础分册》。但是，目前对于输电线路装配式基础的研究，绝大多集中在重力式基础，对于原状土基础，尤其岩石锚杆基础，目前还处于起步阶段，成果较少。

1 现有输电线路基础

架空输电线路杆塔基础形式应根据杆塔、沿线地形、地质、水文以及施工、运输条件等进行综合考虑确定。常规的山地基础有板式（台阶）基础、掏挖基础、挖孔桩基础、装配式基础和岩石锚杆基础等。

其中装配式基础和板式（台阶）基础都属于回填抗拔土体的基础形式，装配式基础可以归类于大开挖重力式基础，适于机械施工，但在山区采用大开挖方式，不够环保；而掏挖基础、挖孔桩基础和岩石锚杆基础属于环保型原状土基础，都是发挥原有天然地基结构性能，基础开挖量少，其中岩石锚杆基础发挥岩石自身的抗剪强度，具有良好的抗拔性能、其经济性能优越。

1.1 装配式基础

装配式基础比较节省劳动力，缩短工期，质量有保证，有利于机械化，能有效降低施工人员的作业强度和施工难度，符合输电线路基础施工的发展方向。

如前所述，装配式基础以土的重力抵抗上拔力，虽然满足了机械化的要求，但不够环保，尤其对于山区岩石地质，大开挖方式不但施工特别困难，基础开挖量较大，投资较高，还带来弃土、水土流失问题。

传统的重力式装配式基础，不论金属角锥支架型、塔腿埋入型、金属基础等几种形式都是将金属支架置于回填土壤中，虽采取了必要的防腐措施（比如防腐涂等），在水和电解质的双重腐蚀下，耐久性受到较大影响。已有的（重力式）输电线路装配式基础见图1。

图1 已有的（重力式）输电线路装配式基础

1.2 锚杆基础

岩石锚杆基础是指以水泥砂浆或细石混凝土和锚筋灌注于钻凿成型的岩孔内的锚桩基础。岩石锚杆基础采用锚杆机钻孔，工艺先进，施工基面小，充分利用了岩石自身的抗剪强度，具有良好的抗拔性能，从而降低了基础材料的损耗量，弃渣少，土石方开方量少，减少了对山区原始地貌的破坏，有利于植被及生态环境保护。

目前，岩石锚固技术在许多领域内得到了广泛的应用。锚杆基础在输电线路中已取得了一定的设计和施工经验。其较好的经济与环保效益，已逐渐得到广泛应用，国家电网公司于2017年颁布了《国家电网公司输变电工程通用设计－输电线路岩石锚杆基础分册》，是一种应用前景较好的一种基础形式。

锚杆基础主要有荷载较小的直锚锚杆基础（由于荷载小不需要承台），和荷载较大的承台式（群）锚杆基础，都是充分利用岩石本身结构性能，锚杆体与岩石间的锚固粘结作用抵抗基础上拔力，其设计理念是尽量减少开挖，尽量减少对原有岩石的扰动，保持原有岩土的结构性能，其环保优势明显，经济节约。

但是目前施工方法仍然采用现浇方式和注浆方式，没有装配式基础形式。基础承台部分采用现浇混凝土不利于推行输电线路机械化施工，施工现场人力投入大、安全质量与效益效率水平较低。

对于荷载较大的承台式（群）锚杆基础，承台由于锚杆或地脚螺栓锚固长度要求，不少于其直径的35倍左右，导致钢筋混凝土承台体量大，一般M48的地脚螺栓承台高度接近2 m，加上宽度受锚杆最小间距（4～6倍锚孔直径）的影响，承台宽度较大，其承台混凝土及开挖土石方量较大，其优势并不显著，也是该基础较难大规模应用的原因之一。常规输电线路锚杆基础见图2。

图2 常规输电线路锚杆基础

2 装配式承台锚杆基础

输电装配承台锚杆基础，结合前述两种基础形式的优点，避免其弱点形成新的基础形式。原创性的将装配式基础与锚杆基础联合，形成装配式承台锚杆基础。

2.1 基础方案

（1）锚杆体，置于稳定岩层中。

（2）装配式承台，是预制钢筋混凝土预制梁式构件，中间预留锚杆孔位，注浆后，用于锚杆在锚杆顶部锚固（螺栓锚固），预埋螺栓作为锥形支架的地脚螺栓；开挖后的岩石基槽缝隙用细石混凝土填充。

（3）锥形支架，将其置于地面承台上，以地脚螺栓与承台连接（承台与锚杆连接），使几个承台与角钢支架（桁架结构）形成一个组合式承台，大大减少承台体积和质量，变单一的混凝土结构为组合结构，将原来的单承台个体基础分解成多个可拆卸，便于运输的预制构件。演化见图3。

图3 输电线路装配承台锚杆基础

2.2 功能分析及特点

2.2.1 轻量化基础结构构件

（1）通过组合支架，将原单腿分化成四个子腿，减小了每个腿的内力，使单个基础体量减小，基础变成轻量化的预制基础成为可能。

（2）借鉴重力式输电装配式基础的埋土部分锥形支架，将其置于地面上（承台上），以螺栓或锚杆与承台连接使几个承台与支架（桁架结构）形成一个组合式承台，大大减少承台体积和质量，变单一的体积较大混凝土结构为组合结构，将原来的体量较大单一承台个体基础分解成多个可拆卸，便于运输的预制组合构件。

（3） 在保证不降低结构可靠性的前提下，改变锚杆锚固端混凝土锚固为螺栓机械锚固，减少了锚固长度，大大减少承台高度，进一步轻量化承台体积。

2.2.2 满足环境保护要求

（1）改变原有装配式基础的大开挖重力抵抗上拔力，而用体量较小锚杆锚固抵抗上拔力，减少开挖量，减少基础体量，降低了基础材料的损耗量，环保效益显著。

（2）组合承台上部锥形支架可根据地形高差调整其高度与根开，形成子全方位高低腿，以适应不同的地形条件，补充调节由于地形高差过大，铁塔高低腿不够的情况。通过主体铁塔全方位高低腿与子腿基础的全方位高低腿共同配合调节，不但可以补充极端陡峭高差地形条件的长短腿配置，同时也可以做到不开挖（或微开挖）基面。

2.2.3 工程力学性能良好

（1）充分利用原状土地基（岩石）承载力高（岩石自身的抗剪强度）、变形小的特点。充分发挥地基及基础各自优点，地基和基础协同工作。

（2）通过锥形桁架结构体系，既分解了内力，又将锚杆合理分散布置，扩大地基受载范围，使地基受力更合理，避免应力集中。

（3）以空间桁架结构替换以往大体量钢筋混凝土承台结构，以空间桁架结构替换单一大体量块体结构，传力更加简洁、合理。

（4）以空间桁架结构置于地面以上解决了以往重力式装配基础钢结构构件埋在地下易腐蚀的弊端。

2.2.4 操作简单，便于施工

（1）预制式装配承台更换原来现浇承台，减少现场混凝土浇筑量，减少湿作业，承台及上部桁架施工完全成为搭设积木方式施工，操作简单。

（2）组合结构构件体量小，重量控制在便于运输要求重量为准，可参照以往的钢筋混凝土水泥杆杆段、底盘预制构件体量控制划分，便于运输、安装、定位。

3 几种形式

为了提高装配式承台锚杆基础适用范围，在工程中确实推广运用，提高输电线路机械化施工率，必须因地制宜做好基础形式的选择，统筹考虑地形地质条件，荷载条件、运输条件、单构件最大运输和规格、加工及安装便捷性等全流程的主要特点，达到安全可靠、规格通用、快速高效、方便施工要求。

3.1 按地质条件分类

（1）对于覆盖层薄，或裸露硬质岩石，按《架空输电线路基础设计技术规程》8.1.1条规定可用（或接近）直锚基础的岩石。承台顶面高于原始地面，称为“承台出土式”简称“出土式”。有两种形式。

① 通过基础上部钢架分化后子腿荷载较小（上拔力小于200 kN）的可以采用直锚式，将原来用承台锚固的转换成直锚式，可以减少承台开挖、混凝土浇量。上部直锚承台可预制，锚杆锚固端为螺栓锚固，可减少承台高度，承台上部采用金属角锥支架。称之为直锚式装配式承台锚杆基础，见图4。

图4 直锚式装配式承台锚杆基础（单塔腿）

② 分化后荷载较大，单一锚杆不足以抵抗上拔，受锚杆间距（一般4～6倍锚孔直径）构造要求的影响，导致铁塔塔脚板过大，塔脚板厚度增加，需要承台转换，上部为了便于运输和安装定位，尽量轻量化承台。这种采用承台金属支架组合形式的锚杆基础，称之装配式承台支架组合式，是装配式承台锚杆基础的经典形式，见图5。

（2）对于覆盖层较厚的塔位，将支架置于部分（或全部）埋设地面以下，为了防腐，和便于施工，可以采用混凝土构件作组合式支架（也可是金属支架），预制承台可以是条形枕木式。连接节点可以是榫卯式或螺栓式连接（需防腐），使用装配式锚杆基础适用性更广。由于是与锚杆直接相连接的承台埋设与地面以下，称为“埋入式”，见图6。

图5 装配式承台式锚杆基础（单塔腿）

图6 装配式承台埋入式（单塔腿）

3.2 按荷载大小分类

（1）“一”字型承台

“一”字型承台（图7），承台类似枕木，体积较小。对于荷载小，锚杆数量少的可用短型一字型承台，荷载大的用长型一字型承台。承台布置方式可以根据不同荷载情况采用不同布置方式。承台可以是预制钢筋混凝土，为轻量化也可以采用轻骨料混凝土。

（2）“T”字型、“十”字型承台，适用于荷载较大的，布置方式可采用正交式和斜交式。荷载进一步加大时，可以在“T”字型承台伸一个支形成“十”字承台，见图9、图10。

图7 “一”字型承台式

图8 “T”型正交阵列

图9 “T”型（或“十字”）斜交阵列

（3）三角形承台（图10），适用于荷载大小一般的输电线路。三角形承台的地栓脚螺栓置于中心，受力简洁，构造简单，承台可以做得更加轻量化，更便于运输。

图10 三角形承台阵列

3.3 按环境条件分类

（1）支架材质， “出土式”支架采用金属支架，“埋入式”采用预制钢筋混凝土支架。

（2）承台材质，对于覆盖层薄，或裸露硬质岩石，为了进一步轻量化预制承台，将承台改为组合式金属型材结构（一般为型钢），为了防腐，原槽浇筑混凝土，为“金属装配式承台锚杆基础”，见图11。

图11 金属装配式承台锚杆基础

3.4 按锥形支架与铁塔主材坡度分类

（1）荷载较小，根开较小，锥形支架可采用立柱垂直式，与铁塔主材坡度关系不一致。这种基础传力不够简洁，但制作方便。

（2）荷载较大，高电压等级，根开较大工程，锥形支架可采用与铁塔主材坡度关系一致。这种基础传力简洁。

4 计算方法

装配式承台锚杆基础结构构件主要由锚杆、承台、锥形支架以及其相互连接节点四部分组成，都是常用结构构件，单个构件设计计算方法成熟，本基础形式对是其重新组合，形成新的基础形式。

锚杆、承台以及锚杆承台组合体设计计算方法与传统输电线路锚杆基础设计计算方法一致，锥形支架的设计与原大开挖基础支架设计计算方法一致，都可以参照现行规范执行即可。

一般输电线路锚杆基础设计时主要针对岩石基础的上拔承载力进行设计计算。装配式锚杆基础埋置于岩体内，因此抗水平承载性能一般能满足设计要求；由于基础承台大大减小，地基下压承台在力可能作为控制指标。

5 技术经济分析

（1）采用了岩石锚杆基础，岩石锚杆充分利用岩石自身的抗剪强度，具有良好的抗拔性能，从而降低了基础材料的损耗量，弃渣少，土石方开方量少，相比其他掏挖基础、挖孔桩基础等原状土较为经济的基础形式，具有较优的经济效益。

（2）上部锥形支架，是组合基础的一部分，也是铁塔塔身的一部分，可减少铁塔高度，基础工程量仅仅为承台及锚杆部分，基础工程量非常少，其经济性十分明显。

（3）在保证不降低结构可靠性的前提下，改变锚杆锚固端混凝土锚固为螺栓锚固，减少了锚固长度，大大减少承台高度，轻量化承台体积，从而减少钢筋混凝土用量，提高了经济效益。

（4）通过上部锥形支架为桁架式承台，改变原有大体积钢筋混凝土承台为桁架承台，结构更为合理，材料消耗大大减少。

6 结论

装配式承台锚杆基础，原创性的将装配式基础与锚杆基础组合使用，形成新型基础形式，可充分发挥两种地基的优势。装配式承台锚杆基础能充分利用岩石自身的抗剪切性能很好地抵抗外部载荷；利用装配式承台，满足了机械化施工的要求，减少了现场湿作业提高了工程质量，满足工程建设的环境保护要求，节约材料量，减小了土石方量，减少对环境的影响。为山地输电线路基础设计提供了一种全新的基础形式，具有较强的推广和应用价值。