输电线路工程岩石锚杆基础的应用.docx

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)摘 要: 分析了目前岩石锚杆基础在勘察、设计、施工与检测等方面的工程应用现状，提出了相应的解决对策与技术措施。通过采用高强度钢、涨壳式锚杆等新材料、新工艺，以及采用锚孔扩底基础、复合式基础、锚筋群桩基础等新型基础 型式来扩大岩石锚杆基础的应用范围，为其更广泛地应用于输电线路工程提供参考。关键词: 输电线路; 岩石锚杆基础; 极限抗拔承载力; 临界锚固长度application of rock anchor foundation in transmission linecheng yongfeng，lu xianlong，zheng weifeng( china electric pow er research institute，beijing 100055，china)abstract: the rock anchor foundation applications for transmission line in investigation，design，construction and detection w ere studied some technical measures w ere proposed，such as using high intensity steels and sw elled rock anchor and the hole bottom expanding foundation， the composite foundation and group steels foundation could enlarge the application scope of rock anchor foundation in transmission line，w hich could provide references for other engineering applications of rock anchor foundationkeywords: transmission line; rock anchor foundation;ultimate uplift capacity; critical anchorage length中图分类号: tu 47; tm 75文献标志码: a文章编号: 1000 7229( 2012) 05 0012 05doi: 10. 3969 / j issn. 1000 7229. 2012. 05. 003( 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。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。解决对策1. 1. 2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。11. 1工程应用现状及对策工程勘察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 基金资助项目: 国家电网公司科技项目( g 。12electric power construction vol. 33，no. 5，may，2012第 33 卷第 5 期程永锋，等: 输电线路工程岩石锚杆基础的应用输 配 电 技 术较长。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1. 3. 1应用现状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 mm20-21。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。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。工程检测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 1. 4electric power construction vol. 33，no. 5，may，2012 13输 配 电 技 术电 力 建 设2012 年 5 月作，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。图 1 涨壳式锚杆结构fig. 1 structure of swelled rock anchor2. 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。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。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。若 将锚筋的屈服强度提高 1倍，如 采 用 2hrb400 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。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14electric power construction vol. 33，no. 5，may，2012第 33 卷第 5 期程永锋，等: 输电线路工程岩石锚杆基础的应用输 配 电 技 术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。( 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。4参考文献1 dl / t 52192005 架空送电线路基础设计技术规定s 北 京: 中国电力出版社，20052 黄大维，袁文可 岩石锚杆基础在山区 高压输电线路的试验与应 用j 华东电力，1994( 2) : 9-123 宋永发 送电线 路岩石锚杆基础试验研 究j 岩 土 工 程 学 报，1995，17( 4) : 89-944 于泓，高毅，秦庆芝，等 岩石锚杆基础应用及效益 分 析j 电 力 建设，2007，28( 4) : 34-355 中国电力科学研究院 节 理 裂 隙 岩 体 地 基 注 浆 式 锚 杆 基 础 研 究r 北京: 中国电力科学研究院，20096 中国电力科学研究院 输电线路新型环保型基础型式的应用 研 究r 北京: 中国电力科学研究院，20097 国网北京电力建设研究院 华北地区输电线路岩石锚杆 基 础 试 验 研究r 北京: 国网北京电力建设研究院，20058 国网北京电力建设研究院 浙江 220 kv 舟 山 与 大 陆 联 网 工 程 大 跨越输电线路岩石锚 杆基础试验研 究r 北 京: 国 网 北 京 电 力建设研究院，20089 国网北京电力建设研究院 福建莆田湄洲湾大跨越输电 线 路 岩 石 锚杆基础试验研究r 北京: 国网北京电力建设研究院，200810 高文龙 岩石锚杆基础勘察方法的 研 究j 电 力 建 设，2007，28( 4) : 36-3911 杨海巍 华北地区应用岩石锚杆基础的几个问题j 电力建设，2009，30( 4) : 36-3812 gb 5021894 工程岩体分级标 准s 北 京: 中 国 计 划 出 版 社，199513 严赣英，陈念东，周斌 从几种规范来 探讨全长粘结岩 石 锚 杆 承 载力的计算j 水利建设与管理，2008( 10) : 24-2614 贾金青，宋二祥 滨海大型地下工程抗浮锚杆的设计 与 试 验 研 究j 岩土工程学报，2002，24( 6) : 769-77115 费香泽，程永锋，苏秀成，等 华北地区输电线路岩石锚杆基础试 验研究j 电力建设，2007，28( 1) : 26-2816 程良奎，范景伦，韩军，等 岩土锚固m 北 京: 中国建筑工业出 版社，2003: 83-8417 黄求顺，张四平，胡岱文 边坡工程m 重 庆: 重庆大学出版社，2003: 64-6718 郑卫锋，鲁先龙，程永锋，等 输电线路岩石锚杆基础工程临界锚 固长度的研究j 电力建设，2009，30( 9) : 12-1419 曾二贤，冯衡，任建法 输电铁塔岩石 锚杆基础锚固深 度 的 理 论 计算及探讨j 电力勘测设计，2010( 2) : 60-6220 李庆林 架空送 电 线 路 施 工 手 册m 北 京: 中 国 电 力 出 版 社，图 3 复合式基础fig. 3 composite 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 36 mm) ， 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 foundation3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