王正波 張濤

【摘要】采空區(qū)輸電線路鐵塔易發(fā)生桿塔傾斜，本文通過對采空區(qū)塌陷規(guī)律、采深采厚比不同影響范圍和輸電線路鐵塔傾斜情況分析，提出了輸電線路設計階段選址選線原則等鐵塔傾斜預防技術，針對不同形式塔形、基礎和塌陷情況，總結(jié)出先期預防、塌陷處理、觀測維護、應急處置等過程管控手段，采用“植筋技術法”和 雙“Z”型校正工具，有效帶電治理傾斜鐵塔，總結(jié)提煉出采空區(qū)內(nèi)輸電線路運行維護管理要點。

【關鍵詞】采空區(qū);輸電線路;鐵塔;傾斜;防治技術

隨著皖北地區(qū)蘊藏煤炭資源的持續(xù)開發(fā)與利用，采空塌陷區(qū)域范圍逐漸增大，導致位于采空塌陷區(qū)輸電線路鐵塔出現(xiàn)不同程度傾斜，致使采空區(qū)與輸電線路從規(guī)劃設計、選址選線、建成后處于沉陷區(qū)范圍內(nèi)的輸電線路如何保證安全運行兩者存在著長期矛盾，采空區(qū)輸電線路鐵塔傾斜防治技術研究成為重要的課題，總結(jié)運行維護要點、探討安全可靠、技術先進和經(jīng)濟適用的技術方案及治理技術具有重要意義。

1.采空區(qū)特點及對輸電線路的影響

1.1 采空區(qū)塌陷一般規(guī)律

（1）當采厚比（即開采深度H與開采厚度M的比例，一般認為，此比值越高，開采的安全性越好）小于30時，地表出現(xiàn)臺階狀下沉和較大裂縫等非連續(xù)性變形現(xiàn)象。當采厚比大于30時，地表一般出現(xiàn)連續(xù)沉降變形，但在地表沉降移動盆地邊緣，裂縫較發(fā)育，其大小隨采深的增大而減少。

（2）開采后地表沉陷系數(shù)隨采深增大而減少，目前采深情況一般為采厚的0.8左右。

（3）開采后地表沉降移動總時間約為3年，活躍階段一般為6-8個月。

（4）地表下沉主要發(fā)生在活躍階段，下沉量要達到總下沉量的85%以上。

1.2 采空區(qū)影響范圍的認定

（1）采空區(qū)不僅影響采空區(qū)上方，其周邊一定范圍內(nèi)也有地表變形，且影響范圍隨著采礦深度增加而增加。一般認為，采厚比大于20的采空區(qū)，離開采礦邊緣1.5H，采空區(qū)塌陷影響可不計。

（2）頂層巖石結(jié)構沒有嚴重構造缺陷，不會產(chǎn)生突然大幅度變形條件，用巖厚比來衡量。（巖厚比：覆蓋層內(nèi)巖石層平均厚度Hs與開采深度H的比值）

表1-1 采空區(qū)運行架空輸電線路自立式桿塔辨別標準

地質(zhì)特征 地表沉降Wn 地表開裂i 采取措施

采厚比r 巖厚比ρ

R≥100 ρ>8.9 ≤0.7m ≤2cm 不處理

30≤R≤100 2.7≤ρ≤8.9 ≤1.0m ≤10cm 立即處理

R≤30 ρ≤2.7 ≥2.5m 簡單處理無效果

備注：

（1）不處理只適用于房柱式開采工藝，綜合開采要慎重。（2）拉線桿塔可適度放寬標準。

1.3 采空區(qū)地基變形對輸電線路損壞類型

從采空區(qū)對輸電線路所產(chǎn)生的后果來看，大體可分為以下幾種：

（1）地面下沉，桿塔下降，導線對地或跨越物距離減少，不滿足運行規(guī)程。

（2）基礎嚴重傾斜，可能發(fā)生倒桿塔事故。

（3）桿塔移位，導地線水平張力變化或絕緣子串傾斜，導線與桿塔頭部電氣距離縮短。

（4）基礎不均變形，桿塔基礎及下段產(chǎn)生不平衡力，使個別桿塔下段受力集中，造成損傷。

（5）桿塔下沉和傾斜，架空線應力變化，破壞設計最優(yōu)受力，致使架空線振動加劇后疲勞積累加快，造成導地線損傷。

2.輸電線路途經(jīng)采空區(qū)選址和選線的一般原則

2.1 采空區(qū)（含已經(jīng)探明的儲量區(qū)）地質(zhì)狀況調(diào)查資料收集標準

從多年現(xiàn)場積累經(jīng)驗，采空區(qū)輸電線路預防技術實施的基礎是采空區(qū)（含已經(jīng)探明的儲量區(qū)）的地質(zhì)調(diào)查、勘測和預測，重點是做好以下工作：

（1）首先要調(diào)查清楚按照國家和地方政府的煤炭資源開采規(guī)劃，盡量“避讓”。30年以內(nèi)不開采或開采后經(jīng)過長期地基變形巖體達到穩(wěn)定，且不可能重復采動的地段，視為正常區(qū)域。

（2）對于近期開采或正在開采的國有煤礦，與政府主管部門詳細落實采掘范圍、煤層分布、計劃采掘煤層、采煤深度、厚度、采掘面尺寸、開采區(qū)上方的巖層厚度和強度，并與相關部門書面確定。

（3）對非國有小煤礦，由于開采計劃性較差，存在越界開采現(xiàn)象，對其規(guī)劃開采范圍要認真跟蹤，避免發(fā)生因預留煤柱等安全措施不能準確落實。

（4）在查清塔基附近采空區(qū)形態(tài)的基礎上，依據(jù)采空區(qū)地質(zhì)計算出采空區(qū)主要參數(shù)。

2.2 選址和選線的一般原則

（1）線路路徑選擇應首先考慮避開采空區(qū)或塌陷比較嚴重地段。

（2）處于采空區(qū)內(nèi)的線路應盡量采用單回路，兩條線路之間留有足夠安全距離。同一變電站進線，至少一條線路不應在同一塌陷區(qū)。

（3）盡量縮小耐張段長度，并盡可能避免在采空區(qū)內(nèi)設置耐張塔，耐張段應控制在5檔之內(nèi)。

（4）采空區(qū)內(nèi)應盡量選擇拉線型桿塔或自立式直線角鋼塔，便于在維護中帶電治理。

（5）桿塔高度應留有裕度，防止塌陷沉降后對地和跨越物安全距離不足。

（6）如采空沉陷范圍較少，應采用跨越塔直接跨越塌陷區(qū)。

3.采空區(qū)沉陷造成輸電線路鐵塔傾斜的觀測方法

針對現(xiàn)有處于采礦塌陷區(qū)內(nèi)的運行經(jīng)驗，總結(jié)出沉陷區(qū)內(nèi)輸電線路桿塔三個方面的觀測方法。

3.1 導線絕緣子傾斜觀測

絕緣子串傾斜按架空輸電線路運行規(guī)程標準控制，絕緣子串傾斜角控制在7.5°以內(nèi)。

3.2 塌陷區(qū)沉降觀測

選取周邊處于塌陷范圍之外的桿塔基礎平面為觀測基準點，測出塌陷范圍內(nèi)鐵塔各腿相對高差。并每兩天進行觀測記錄一次。當鐵塔四腿的基礎頂面最大高差接近或達到80mm時，即需要對基礎頂面高程較低的塔腿地腳螺栓進行調(diào)整。

3.3 鐵塔傾斜觀測

從鐵塔塔身頂部（地線支架附近）中心引柔性細尼龍繩索至塔腿4m～6m處，并下掛重鉛錘，再從此處高度制作塔位十字中心標記并標上刻度，并每兩天進行觀測記錄一次。

4.采空區(qū)輸電線路設計階段預防鐵塔傾斜的措施

4.1 選用大板基礎

大板基礎為直柱柔性基礎+大板結(jié)構，將4個獨立的柔性直柱設置在1塊整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土大板結(jié)構上，大板結(jié)構上、下均配置鋼筋，抵抗由于不均勻沉降所產(chǎn)生的彎矩。基礎與大板之間鋪墊100mm厚卵石加粗砂墊層，使基礎與大板之間具有一定的滑動性，便于地基沉降基礎滑移后調(diào)整復位。

4.2 依據(jù)采厚比、巖厚比數(shù)據(jù)分析設計基礎

采空區(qū)架空輸電線路預防根據(jù)采空區(qū)特點，充分考慮由此所引起的線路桿塔穩(wěn)定以及導線、避雷線運行工況變化引起的電氣距離變化和振動疲勞等問題，進行針對的治理?；幢惫╇姽窘Y(jié)合近10條線路處于塌陷區(qū)成熟經(jīng)驗，依據(jù)采厚比、巖厚比數(shù)據(jù)分析，主要在基礎設計上采取防范措施。

（1）頂板巖性較好，采厚比≥100時，煤柱開采引起的地表變形相對較小，采取加長地腳螺絲長度的辦法，一般地腳螺絲預留加長200mm，不考慮地基和基礎處理措施。

（2）頂板巖性較好，30≤采厚比≤100時，煤柱開采引起地表變形較大，按照不同的開采方式及變形預測值，采取加長地腳螺絲、大板基礎及預留塔高、控制耐張段長度等處理措施。

（3）對于采厚比≤30，巖厚比≤2.7或其他結(jié)構破碎的地質(zhì)，容易產(chǎn)生剪斷性突然塌落。即使產(chǎn)生的位移并不嚴重，但是其突然塌落容易引起桿塔失穩(wěn)，建議采用避讓辦法，或采取跨越方式。

5.采空區(qū)帶電運行輸電線路鐵塔傾斜的治理措施

據(jù)統(tǒng)計，近年來輸電線路自立式鐵塔不均勻沉降有逐年增加的趨勢，隨著時間的推移，安徽省內(nèi)淮北、淮南、蚌埠、宿州等采空區(qū)地表沉陷日漸明顯，多處出現(xiàn)鐵塔傾斜現(xiàn)象。

5.1 采用植筋技術，應急治理采空沉陷區(qū)內(nèi)鐵塔傾斜問題

淮北地區(qū)110千伏五南雙回線路13#桿塔處于淮北礦業(yè)集團楊莊煤礦規(guī)劃采煤區(qū)內(nèi)，在設計階段采用呼高65米高塔大檔距跨越采煤區(qū)，后期因周邊小煤礦越界開采，該塔處于塌陷區(qū)邊緣，造成該基鐵塔嚴重傾斜、塔身側(cè)向扭曲，構成重大安全隱患，若異地搶修重建周期較長，為消除隱患，在綜合分析周邊地質(zhì)環(huán)境條件的基礎上，咨詢國內(nèi)地質(zhì)和結(jié)構知名專家，重點對基礎底板取土校正法、灌漿抬升校正法、植筋校正法三個方案進行了分析對比研究，選用最適合的植筋技術校正方法應用于實際。

根據(jù)該鐵塔原有每個基礎四根Ф48螺栓、2米澆注混凝土埋深承受鐵塔上拔荷載和地腳鋼板厚度為25毫米情況，首先要對原地腳鋼板打坡口強焊接增寬200毫米、加厚為40毫米，然后在原一個基礎平臺周圍各打12個孔，利用進口喜力得植筋膠植12根Ф24螺栓，深度380毫米，植筋螺栓長度為1100毫米，利用3根Ф24植筋螺栓等強替換掉原一根Ф48螺栓。校正時采用人字扒桿和5噸鏈條葫蘆首先抬起相對高差最低的鐵塔腿，塞墊上不同尺寸和厚度的鋼板，利用經(jīng)緯儀和水準儀監(jiān)測鐵塔傾斜情況，直至校正至允許范圍內(nèi)。

經(jīng)過跟蹤觀察，采用植筋技術，快速成功校正了基礎不均勻沉降導致傾斜鐵塔，項技術處理周期最短，需用資金最少，且線路不停電作業(yè)，同時通過圈梁使四角基礎連成整體，使四角基礎沉降相對趨于平衡，緩解了各個基礎不均勻沉降的速度，鐵塔始終處于正常狀態(tài)，塌陷區(qū)內(nèi)鐵塔傾斜的難題找到了科學合理的應急治理方法。

5.2 研制雙“Z”型校正工具帶電校正治理采空沉陷區(qū)傾斜鐵塔

對處于采空塌陷區(qū)內(nèi)的角鋼塔，在預防措施中提前考慮地腳螺絲加長，如沒有考慮，可以采用植筋技術，加長原地腳螺栓，通過采用扒桿抬升，加墊鐵板的方式，校正鐵塔，但采用扒桿抬升操作復雜，人員參與多，費時費力。

根據(jù)運行檢修經(jīng)驗，對杠桿力矩法和放線架提升法進行探討。杠桿力矩法主要通過人員使用撬棍等工具，通過杠桿原理直接對傾斜桿塔塔腿進行抬升的作業(yè)方法，該方法工具簡單，施工過程方便，可以應用在地形較為復雜的地區(qū)，但是該方法需求人員較多，卻往往達不到預期的校正效果，并在運用過程中存在一定的作業(yè)風險。放線架提升法是通過使用放線架和滾軸進行桿塔塔腿的抬升，從而達到校正傾斜桿塔的效果，該方法設備比較簡單、所需人員較少，但是承載能力較低，只能應用于重量較小的桿塔，并在實際使用過程中往往不能達到較好的校正效果。

經(jīng)綜合探討研究由牽引提升式改為液壓抬升式，經(jīng)過多次試驗，反復改進，為增大舉升噸位大、方便攜帶、能夠測量顯示壓力值，采用兩個帶有壓力表千斤頂;為保證千斤頂舉重力傳到可調(diào)操作底座頂起塔腿，綜合了人字扒桿、放線架、撬棍的結(jié)構特點，采用“Z”字型支撐連接工具;為增強“Z”字型支撐連接工具在使用中受力后的穩(wěn)定性，采用四根自制螺紋支撐桿鏈接支撐;為確?！癦”字型支撐連接工具和螺紋支撐桿穩(wěn)定連接、受力均勻，采用四塊三角鐵固定部件焊接在“Z”部件的拐角處進行加固;為實現(xiàn)新工具在使用中不受地形和環(huán)境的限制，采用了特制可調(diào)操作底座，制作出雙“Z”型鐵塔傾斜快速校正工具。

實踐證明，校正自立式鐵塔不均勻沉降工具攜帶方便、操作簡便、穩(wěn)定性較好，應用在輸電線路自立式鐵塔不均勻沉降處理上，作業(yè)人員較少、工作周期短、能夠適應各種復雜地形條件和保證傾斜桿塔校正效果，既降低勞動強度和作業(yè)風險，又大幅提高工作效率，具有較好的安全效益、經(jīng)濟效益和社會效益。

6.采空沉陷區(qū)內(nèi)輸電線路運行維護要點

對于采空沉陷區(qū)內(nèi)輸電線路，除一般的線路管理外，還要做好以下工作。

6.1 采空沉陷區(qū)內(nèi)輸電線路應按照特殊區(qū)域要求進行管理，根據(jù)塌陷速度，確定巡視觀測周期。尤其處于塌陷初期及雨后應及時安排特巡和觀測。備足校正鐵塔需要的不同規(guī)格型號的鋼板條。

6.2 處于采空區(qū)的線路，要請示政府煤炭管理部門協(xié)調(diào)礦藏開采企業(yè)簽訂協(xié)議，定期對接互通信息，至少提前一個月告知供電部門地質(zhì)塌陷情況。

6.3 對于預測下沉超過200mm的桿塔，每年至少測量一次導線對地距離和交叉跨越。

6.4 采空沉陷區(qū)線路要建立地表變形檔案，每次巡視后要填寫地表變形情況，處于預測采空區(qū)比較嚴重的地區(qū)，應設參照點跟蹤測量地表變化。

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作者簡介：

王正波，淮北供電公司運維檢修部工程師。

張濤，淮北供電公司運維檢修部高級技師。