某高压铁塔塔基边坡支挡设计研究

江 磊, 李业根

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

随着我国城市的不断发展与扩张,市政道路沿线的建设环境越发复杂,道路设计不可避免地会临近既有建(构)筑物,并在施工过程中可能对其产生不利影响。输电铁塔是高压输电线路中最重要的受力构件,我国常见的铁塔形式有自立式、拉线式、钢筋混凝土塔以及钢管杆塔等,其中干字自立式杆塔因结构形式较为简单,在220～500 kV输电线路中最为常用[1]。

高压输电铁塔属高耸结构物,各塔基相互独立且对不均匀沉降较为敏感[2]。临近高压铁塔进行路基边坡支挡施工时引起的地层位移可能导致塔基出现差异沉降,进而危及输电线路的正常运营和人民生命财产安全,因此存在一定的施工风险[3]。

计算机技术的不断发展,使得数值模拟分析越来越多地应用于岩土工程中[4]。MIDAS/GTS岩土有限元分析软件具有界面简洁、材料模型丰富、前后处理功能强大等特点,可运用于多种岩土工程分析场景[5]。本文将结合工程实例,采用MIDAS/GTS软件对临近排桩施工所引起的高压铁塔桩基础水平位移及不均匀沉降进行分析,继而评价排桩施工对铁塔的影响程度。

1 工程实例

1.1 工程概况

合肥市清溪路作为新高铁西站市政配套道路之一,拟进行高架化改造,在桩号K0+900位置高架桥下穿220kV高压输电线路。该处现状塔基边坡采用浆砌块石防护,长25 m、宽3.5 m、高4.0 m,由于其体积较大,侵占了本次设计非机动车道及人行道空间,致使桩号K0+890～K0+920段慢行系统缺失。拟在此处设置排桩支挡,以替代现状浆砌块石砌体,为本次道路改造慢行系统的实施创造空间。

现状高压铁塔基础为4根等长钢筋混凝土桩,桩长10 m,桩径1.4 m,沿道路方向桩间距为8.35 m,垂直道路方向桩间距为9.10 m。

图1 高压铁塔现状断面示意图

1.2 工程地质条件

高压铁塔位置勘探揭露的地层自上而下分别为①层杂填土、②层黏土、⑤1强风化泥质砂岩、⑤2中风化泥质砂岩。各岩(土)层物理力学参数见表1。

表1 岩(土)层物理力学参数

2 塔基边坡支挡设计及分析

2.1 支挡设计方案

为确保原浆砌块石砌体路段慢行系统得以实施,本次设计应采用直立式支挡结构,避免侵占道路红线。塔基边坡高度约4.0 m,拟采用排桩支护,桩长10.0 m、桩径1.0 m、桩间距1.8 m,桩身采用C35强度混凝土。桩顶部设置冠梁,冠梁尺寸为1.2 m×1.0 m,采用C35强度混凝土,桩身钢筋预埋至冠梁内部。桩间挡板采用桩前挂板,挂板采用后植筋与桩体相连。同时为限制桩顶位移,减小高压输电铁塔的影响,冠梁处设置一排预应力锚索(3束Φ15.2钢绞线,fpy为1220 MPa),锚索长18 m(自由段长9 m,锚固段长9 m),下倾角度为30°,锚固体直径150 mm,锚索水平间距3.6 m(避让现状高压铁塔桩基础),锚索施加预应力100 kN。

2.2 支挡结构验算

(1)锚索钢筋截面积验算

根据《建筑边坡技术规范》(GB 50330-2013)(下同)8.2.2条,锚索钢筋截面积应满足下式(1)要求:

(1)

式中:As为预应力锚索截面面积(m2);fpy为预应力钢绞线抗拉强度设计值(kPa);Kb为抗拉安全系数,取2.2。经计算,As=5.44×1-4m2>1.80×1-4m2,满足要求。

(2)锚固段长度验算

根据规范8.2.3条,锚杆(索)锚固体与岩土层间的长度应满足下式(2)要求:

(2)

式中:K为锚固体抗拔安全系数,取2.6;la为锚固段长度(m);D为锚固段钻孔直径(mm);frbk为岩土层与锚固体极限粘结强度标准值(kPa)。经计算,la≥8.5 m,满足要求。

(3)锚筋与砂浆间锚固长度验算

根据规范8.2.4条,锚索与锚固砂浆间的锚固长度应满足下式(3)的要求:

(3)

式中:la为锚筋与砂浆间的锚固长度(m);d为锚筋直径(m);n为锚筋根数(根);fb为锚筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值(kPa)。经计算,la≥0.90 m,满足要求。

(4)整体滑动稳定性验算

采用毕肖普条分法计算得边坡安全系数为6.14,满足一级边坡安全系数要求。

2.3 位移影响分析

2.3.1 模型建立

由于高压输电铁塔对基础不均匀沉降影响敏感,因此需建立三维数值模型，如图2所示，以分析拆除现状浆砌块石砌体以及排桩施工对铁塔桩基础的影响。

图2 三维数值分析模型

考虑施工影响范围,水平及竖向计算范围按塔基桩基础2倍桩长选取,模型尺寸为50 m×50 m×20 m。岩土体及浆砌块石砌体采用3D实体单元,桩采用1D梁单元,锚索采用1D植入式桁架单元,浆砌块石两侧现状挡墙采用2D板单元。模型共计20325个节点,26934个单元。土层采用摩尔-库仑(M-C)本构模型,混凝土、锚索、岩层采用各向同性弹性模型。

2.3.2 分析工况

模拟分为三个施工阶段,分别为初始地应力平衡阶段;排桩施工阶段以及浆砌块石砌体拆除阶段。电力设计单位提供的高压铁塔桩基础桩顶最不利工况受力情况如图3所示。

图3 高压铁塔桩基础受力图

2.3.3 计算结果分析

(1)高压铁塔桩基础水平位移分析。排桩施工完毕工况下的高压铁塔桩基础桩顶水平位移如图4所示,桩顶水平位移最大值为-0.215 2 mm,方向向内(即背离清溪路一侧,下同),最大水平位移差值为0.212 6 mm。拆除浆砌块石砌体工况下的高压铁塔桩基础桩顶竖向位移如图5所示,桩顶水平位移最大值为0.710 3 mm,方向向外(即朝向清溪路一侧,下同),最大竖向位移差值为0.566 3 mm。

图4 排桩施工后铁塔桩基础水平位移

图5 拆除浆砌块石砌体后铁塔桩基础水平位移

(2) 高压铁塔桩基础竖向位移分析。排桩施工完毕工况下的高压铁塔桩基础桩顶竖向位移如图6所示,桩顶竖向位移最大值为-0.010 2 mm,方向向下,最大竖向位移差值为0.009 9 mm。拆除浆砌块石砌体工况下的高压铁塔桩基础桩顶竖向位移如图7所示,桩顶竖向位移最大值为0.004 8 mm,方向向上,最大竖向位移差值为0.003 3 mm。

图6 排桩施工后铁塔桩基础竖向位移

图7 拆除浆砌块石砌体后铁塔桩基础竖向位移

(3)排桩位移分析。拆除浆砌块石砌体工况下的排桩水平位移如图8所示,水平位移最大值为0.886 3 mm,方向向外;竖向位移如图9所示，竖向位移最大值为-0.189 1 mm,方向向下。

图8 拆除浆砌块石砌体后排桩水平位移

图9 拆除浆砌块石砌体后排桩竖向位移

3 结 论

本文利用MIDAS/GTS软件建立了拆除浆砌块石砌体对高压铁塔桩基础影响的三维数值分析模型,通过对水平位移、竖向位移的分析可知,拆除浆砌块石砌体对高压铁塔桩基础的影响较小,满足电力部门提出的高压铁塔桩基础及排桩支挡结构最大竖向及水平位移不大于2 mm的要求。计算结果表明,设计所采用的排桩+预应力锚索支挡结构方案可确保高压铁塔的运营安全。