采動影響下高壓線塔基可調式基礎改造加固技術研究

孫德寧

（新礦內蒙古能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯市 016299）

0 引 言

高電壓輸電線已經成為長程電能傳輸的主干線和國民經濟發展的生命線，其安全可靠和安全可靠是電網發展的關鍵[1-5]。如何精確預報線路穿越采空區的變形，研究其在開采過程中的變形規律，確定其在開采過程中的穩定性，并在開采過程中應采用什么樣的措施和方式，對其進行合理的穩定性評估，成為亟待研究的課題[6-12]。

因此，本項目以我國煤礦開采工程中的典型工程為背景，綜合分析開采過程中地面形變特征對電力傳輸系統的作用，并在此基礎上，有目的地進行地基處理和加固。

1 工程概況

礦區屬于西北荒漠地帶，井田北側已建兩條高壓線路，一條是國電公司330 kV 徐露線，另一條是鄂托克前旗電力公司110 kV 花焦線，兩條高壓線路從井田南側向北側穿越而過，高壓線路覆蓋了礦區北側的一片區域，總儲量為2 794 萬t。在進行反復采礦的時候，可能會對高壓電線鐵塔的底座產生不同形式、不同規模的沉降、開裂、錯臺和傾斜變形等，從而造成了支持線路的鐵塔可能會產生傾斜、變形和基礎不均勻沉降，存在著重大的安全風險。

330 kV 徐露線、110 kV 花焦線鐵塔位于靈鹽臺地、低緩丘陵、沙漠和平原地貌上，330 kV 徐露線、110 kV 花焦線鐵塔下煤層厚：3 煤層為3.3 m、5 煤層為4.8 m、9 煤層為5.0 m，煤層埋深287.6 ～832.85 m，這些區域在經過采煤作業過程中和采空后，將不可避免地引起高壓輸電鐵塔地面產生不同程度、不同形式的塌陷、變形，導致330 kV 徐露線56#～65#段、110 kV 花焦線65～54 號段地表出現不同程度的開裂、塌陷、地表錯層、傾斜等，給線路的安全運行造成倒塔、斷線的嚴重威脅。為解決采空區內高壓傳輸線的安全性問題，解除高壓線桿塔下的煤層壓力，本項目采用“井”字形梁式一體化可調整技術，對受其沖擊的高、矮、平移動進行調整和監控，確保其在采空區內的安全、有效、持續地進行生產。

2 塔基受采動影響分析及評價

2.1 煤礦井下地面運動與位移變化

應用概率積分法，預測了地下采動影響與煤層的運動與變形。通過對該模型的分析，得出了隨著采場向前推進，該模型的最大動態量及最后的靜力量，如表1 所示。

表1 桿塔所在地表移動變形預計結果

由于架空于地面上的鐵塔支持，當地面運動時，鐵塔與電線會隨著地面的運動而發生相應的位移與變形。其中，基礎發生的變形所造成的支腳失穩以及支腳發生的位移所造成的支腳失穩是影響支腳失穩的主要原因。在橫向位移作用下，電桿底座會產生位移、位移，進而使電桿底座產生應力屈曲。

2.2 采動影響下桿塔運行安全性評價

在采動影響區內，其主要設備，如高壓電塔，導線，避雷線，絕緣子及導線，避雷線的行駛情況，按照《架空送電線路運行規程》和維修技術規范等相關要求，應當符合下列要求：

1）鋼筋砼支撐柱的偏移（含偏移）不大于15%，所述橫擔柱的偏移程度不大于10%；小于50 m 的高的電線桿，其最大可容許的坡度（含偏移）和橫擔偏坡度（含偏移）分別為10%和10%。

2）在直線高壓電桿上，導線的傾斜角度應小于7.5°，最大偏差應小于300 mm，在橫擔端處偏差應小于100 mm。由于懸掛式絕緣子串聯傾斜角度較大，導致電線在卡箍上發生彎曲，會降低電線的安全性，加劇懸掛式電線的應力狀態，還會降低電線與橫擔之間的氣隙間距。所以，對于懸掛式的絕緣子通常要與地面保持一定的水平，偏差不能超過7.5°。

3）在110 kV 及以上的線中，導線和避雷線的松弛程度偏差必須大于3%或-2.5%，或大于220 kV以上的線中，松弛程度偏差必須大于3% 或-2.5%。在住宅小區內，220 kV 輸電線路至地面間距至少為7.5 m；距離非居住地的距離應在6.5 m 以上；在道路不便的地區，其高度不低于5.5 m。根據最大電弧落差，引線到建筑的縱向最小間距應為6 m；在最大風向下，側引線到房屋的最小水平間距應為5.0 m；最大電弧垂度和最大風向偏差分別為4.5 m 和4.0 m；導線與山坡、峭壁、巖石的最小凈空距離，在行走可以到達的山坡條件下，不少于5.5 m，在行走不能到達的山坡、峭壁和巖石的條件下，不少于4.0 m。

4）引線與地面和障礙之間的最大彎角，其變動幅度，應不大于設計預留的余量。順線路上兩個鄰近的高壓電桿之間的間距誤差，應控制在1/300 以內。

5）直線高壓電桿的旋轉角度小于3°。

6）柱子的構造張口距離（張口距離）應小于0.004 B。在輸變電電纜下開采煤炭時，應采用相應的技術手段，確保其各個要素符合以上的安全性要求。

按照上面提到的高電壓傳輸線的安全操作準則，通過對采掘后的高電壓傳輸線各個要素的變形進行的計算，來對采掘后的高電壓傳輸線的安全性進行了研究，其研究成果見表2。

表2 高壓輸電線路安全性分析

由表2 可知，工作面進行了采礦，對線塔的穩定性、線塔間檔距、近地距離等都產生了一定的影響。在工作面進行了采礦之后，高壓電線塔的傾斜程度達到了27.94%，超出了“鐵塔傾斜程度的容許范圍不大于10%”的要求；線路桿塔橫擔傾斜度值為2.85%，符合“電桿橫擔傾斜度值不大于10%”的要求；導線的最短接地間距為26.24 m，滿足了在無人居住地區不少于6.5 m 的要求；高壓線路桿塔的變速范圍在1 200 左右，而高壓線路操作規范中所要求的變速范圍不大于1/300；開采后，直立高壓電塔的旋轉角度為0.132°，低于作業規范要求的3°；粗基根和細基根的張開度分別比粗、細兩種情況下低0.006 8 m 和低0.007 8 m，這兩種情況對地基的根張度有不同程度的影響，但是根張度誤差都在規范規定范圍內。

3 改造加固技術

3.1 桿塔基礎加固改造整體方案

在實際工程中，對于高聳的塔基，必須采用預先加強的方法來克服地面及地基的橫向沉降。通過對地面變形量的估算，工程造價，工期要求和工程實際情況的分析，確定了一種可調整的“井”字形組合梁板地基的改建與加固方法。

可調節“井”字形組合結構地基改建與強化設計：將原有的相互分離的地基改建為一個完整的地基，以增強地基在橫向位移與差異沉陷中的承受性能。通過對原有的單獨的基座進行強化，并對其進行加固，形成可調節的“井”字形鋼框架結構，從而提高其穩定性。在采動的作用下，首先對上述地基進行加強；在對鐵塔進行頂升時，應按照鐵塔在頂升時出現的真實傾角及位移狀況，對鐵塔兩邊的鐵塔進行糾正，并對鐵塔兩邊的鐵塔走動進行修正，糾正的方向以順鐵塔為主。

28、29 線塔架以加強、糾偏為重點，采用可調節“井”字形梁架的組合結構進行改建、加強。30 號線塔在選用“井”字形可調整梁板地基進行改建和加強時，如果地面的橫向位移很大，超出了設計規定的容許范圍，會對線路的使用造成一定的威脅時，才會進行線路的平移。

3.2 桿塔基礎加固設計與施工工藝

按照上述方案，對桿塔地基進行加固，并進行了詳細分析，得出以下結論：線塔塔身為鋼結構，基礎埋深為1 800 mm，基礎為底板大小為2 000 mm 的階梯鋼筋混凝土基礎，根直徑為3 400 mm。鐵塔的“井”字形地基是一種新型的可調整的組合結構。

1）鐵塔原有地基和墩身的改建：采用氣動鉆機，在墩身的東向和西向分別鉆孔3 列，每個鉆孔2 個，打入1 根鋼筋與一塊有開口的鋼片進行焊接，鋼片直徑30 mm，鋼片厚10 mm，寬800 mm，鋼片長度與墩身一樣是800 mm。另外兩個邊（北邊和南邊）也都是用鋼板固定在柱子上，邊緣則用鋼板與東邊和西邊的鋼板焊接在一起。（28、29 號鐵塔朝這個方向建造，30號鐵塔朝另一個方向建造，也就是將東西南北互換）。

2）“井”字型鋼框的設置：將45 B 型的工字型鋼框固定在4 個塔底座上，并與其側邊的鋼板焊在一起，構成一個“口”字型，見表2；在各墩身的一側，將3.0 m 的延伸橫桿焊到外側，這樣就構成了一個“井”字形結構；4 個鄰近的加勁肋在4 個側面進行焊接。

3）施工砼調節平臺：調節平臺在“井”型鋼框架4 個端部的底部，采用粒狀沙礫作為基礎，設置平臺的底部，調節平臺的高度1.0 m。

4）調節螺釘的固定：調節螺釘與“井”字形鋼框架的8 個端頭焊成一組。將鋼架末端與螺帽進行焊接，螺紋絲桿的類型為：81 mm，在水泥基本臺之上，在絲桿下端加壓20 mm 厚鋼板。

5）安全性附屬設施：為避免因地面不均衡沉降而引起的塔身傾覆，應視地勢情況，將纜繩沿東南西北4 個方位平均配置，每個纜繩多余調整值0.3 m。圖1 顯示了地基加強的一般原理圖。

圖1 塔桿基礎加固平面和剖面

3.3 桿塔的糾傾

鐵塔在地面上有一定的沉降，會鐵塔與地面的間距發生較大變化，故采用強制下降方法并不合適。在對鐵塔進行糾傾時，使用的是一種以螺旋絲作為頂升的方法，利用調整螺旋絲來對強化后的整個基礎的一面進行頂升，將沉降大的一面抬高，來完成對桿塔的矯正。在施工期間，地基底部出現的裂縫，采用注漿的方式進行充填。在調整地基的方向、調整幅度、調整設備的選取等方面，都要在有經驗技術人員的帶領下完成，并且要與在這方面的專家合作，做到隨調隨測。

3.4 桿塔的平移

針對28、29 線塔的橫向位移多為順線路向，提出通過調整鐵塔兩端的走行量來處理橫向位移，并結合30 線塔的實測地面位移與預測計算的對比，如果地面位移很大（順線路向豎直），且位移后會產生偏差，超出設計要求，需要將整個鐵塔調整至一個合適的高度，從而使地面位移達到設計要求。

4 應用效果分析

4.1 應用技術創新

本工程完成后，一是可以有效地解決高壓電線塔受井田的采動作用而產生的傾斜、坍塌和變形問題，保證礦山及其周圍區域的電力供應的安全性和穩定性；二是此項工程施工簡便，既節約，又降低了對生態的損害；三是為了防止輸電線路由于輸電線路的坍塌而導致的人身傷害。

1）采用“井”字梁式整體連續可調技術。高壓電桿“井”字形梁式整體性可調整技術，其主體包括承臺梁、調整梁、提升裝置等，多個基礎平臺經梁架相連為一體；在調節橫桿下面設置有平臺橫桿，平臺橫桿上裝有提升裝置，調節橫桿與基礎相連，梁體采用鋼筋混凝土構造。該可調節式地基在地面形變過程中，既能確保地基間的相互關系不會改變，又能利用提升機械裝置，實現塔架的位置與姿勢的動態調節，能夠在穿越采空區（塌陷區）以及開采煤炭或開采區域的過程中，實現塔架與傳輸線的安全、平穩、平穩的工作。

2）高壓電桿在塌陷地中的監測與報警。在采煤區上330 kV 徐露線10 基鐵塔上面應用輸電線路桿塔安全在線監測預警系統，著重于其運行狀態的實時監控，尤其是與運行狀態密切相關的傾斜、振動等情況，為后續的可調整改造工作奠定堅實的基礎。使用后，一方面，可以有效地解決高壓電線塔受井田的采動作用而產生的傾斜、坍塌和變形現象，保證礦山及其周圍區域的電力供應的安全性和穩定性；二是工藝簡單，節約能源，降低了污染；三是為了防止輸電線路由于輸電線路的坍塌而導致的人身傷害。

4.2 經濟效益

由于高壓線路壓覆了井田的北方煤層，所以它具有很大的壓煤量，整個井田的壓煤量為2796 萬t。這個工程的執行能夠最大程度的利用這個路段的煤量，從而減少了將近1500 萬t 的資源消耗。如果以每噸煤利潤347 元進行分析，就可獲得1500 萬t×347 元/ t = 520 500 萬元。在保證掘進速度的前提下，降低了掘進速度，達到了掘進速度的目的。

5 結 論

1）通過對《架空送電線路運行規程》和維修技術規范等相關條款的全面研究，得到在高電壓下開采煤炭時，必須達到的所有設備的安全操作要求。這樣，在高壓電線下開采煤炭時，就可以有章可循，有規可依。

2）通過對礦區采掘引起的地面位移與形變對線路中各種因素如電線塔傾斜、檔距變化、線路拐角、近地距離與根張角等的作用進行了計算，并按照高壓線路的操作規范，對采掘后的線路進行了安全評估，結果表明，采掘后，除了電線塔傾斜度超出極限以外，其他都符合架空線路操作規范金龍礦認為，只要對2 號線塔做好相應的保護，采區就可以在2 號線塔下面進行開采。