山區(qū)輸電線路全過(guò)程機(jī)械化施工設(shè)計(jì)方案研究

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山區(qū)輸電線路全過(guò)程機(jī)械化施工設(shè)計(jì)方案研究

楊洋，鄢秀慶，劉翔云，李澄宇，李力，李陳
(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

輸電線路全過(guò)程機(jī)械化施工主要工序包括物料運(yùn)輸、基礎(chǔ)施工、組塔施工、架線施工、接地敷設(shè)等。受地形及交通影響，山區(qū)輸電線路推進(jìn)全過(guò)程機(jī)械化施工存在一定困難。結(jié)合川渝三通道500 kV線路工程特點(diǎn)，對(duì)山區(qū)全過(guò)程機(jī)械化施工方案進(jìn)行研究，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況進(jìn)行總結(jié)。針對(duì)主要工序、子工序提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，為同類地區(qū)實(shí)施全過(guò)程機(jī)械化施工提供借鑒參考。

山區(qū)；全過(guò)程機(jī)械化施工；設(shè)計(jì)方案

0 引 言

傳統(tǒng)架空輸電線路施工方案主要以人力為主，效率較低且施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。近年來(lái)，隨著設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新、裝備研發(fā)的升級(jí)，在部分地形較好、交通便利地區(qū)已經(jīng)具備全過(guò)程機(jī)械化施工的條件，并逐漸試行推廣，成效顯著[1]。但對(duì)于山區(qū)而言，推廣難度仍然較大。下面結(jié)合川渝第三通道500 kV線路工程(以下簡(jiǎn)稱川渝工程)特點(diǎn)，對(duì)該工程山區(qū)全過(guò)程機(jī)械化施工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，并首次在四川山區(qū)500 kV線路工程中試行推廣全過(guò)程機(jī)械化施工；總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并提出了可供參考的設(shè)計(jì)建議。

1 全過(guò)程機(jī)械化施工工序

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)《架空輸電線路工程施工機(jī)械化率評(píng)價(jià)方法》[2]規(guī)定，全過(guò)程機(jī)械化施工主要包含5大主工序和11個(gè)子工序，見(jiàn)表1所示。

表1 全過(guò)程機(jī)械化施工工序劃分表

2 川渝工程設(shè)計(jì)方案研究

2.1 工程概況

川渝工程起于500 kV資陽(yáng)變電站，止于擬建500 kV銅梁變電站站外搭接點(diǎn)，線路全長(zhǎng)164 km，按同塔雙回路架設(shè)，分四川段和重慶段，長(zhǎng)度分別為120.5 km和43.5 km。根據(jù)施工圖現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，四川段丘陵占70%、山地占30%，丘陵地區(qū)塔位地形較好，交通便利，大多數(shù)塔位滿足機(jī)械化施工條件。這里主要對(duì)川渝工程山區(qū)塔位進(jìn)行研究。根據(jù)山區(qū)塔位交通條件相對(duì)較差、臨時(shí)道路修筑距離長(zhǎng)、重型設(shè)備進(jìn)場(chǎng)較為困難等特點(diǎn)，因地制宜地制定相應(yīng)的機(jī)械化施工方案。工程典型山區(qū)塔位交通情況如表2所示。

表2 典型山區(qū)塔位交通情況列表

2.2 機(jī)械化施工設(shè)計(jì)方案

根據(jù)機(jī)械化施工各工序要求，結(jié)合工程特點(diǎn)，制定設(shè)計(jì)方案如下。

2.2.1 物料小運(yùn)

小運(yùn)物料包含塔材、導(dǎo)地線、牽張?jiān)O(shè)備、金具及基礎(chǔ)材料等，物料特征及機(jī)械化方案如表3所示。

導(dǎo)地線、塔材、基礎(chǔ)鋼材、接地鋼筋等重量較輕，對(duì)于靠近主公路且易于修筑臨時(shí)道路的塔位，可采取自卸卡車或牽引車等小型機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)?；炷量刹捎蒙唐坊炷晾霉捃囘\(yùn)輸。以上運(yùn)輸方案需要臨時(shí)道路滿足相應(yīng)的通行條件，結(jié)合組塔、基坑開(kāi)挖工序、設(shè)備的使用要求，臨時(shí)道路的路基寬度要求見(jiàn)表4。

臨時(shí)道路寬度為4 m時(shí)，基本可以滿足各類機(jī)械的通行要求。同時(shí)考慮機(jī)械重量對(duì)地基承載力要求，需要對(duì)路面進(jìn)行硬化處理使其達(dá)到一定的強(qiáng)度要求，如采用石子、石塊鋪路，其厚度為200～300 mm，既能保證后期長(zhǎng)期使用，也能有效控制成本。

受地形影響，對(duì)于部分臨時(shí)道路修筑較為困難的塔位，采用索道進(jìn)行材料的轉(zhuǎn)運(yùn)。索道系統(tǒng)包括承載系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、材料裝卸系統(tǒng)。輕型索道(見(jiàn)圖1)運(yùn)輸重量一般控制在1 t以內(nèi)，重型索道(見(jiàn)圖2)運(yùn)輸重量可達(dá)5～6 t。

基礎(chǔ)材料除采用索道運(yùn)輸外，還可以采用泵車進(jìn)行混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)(見(jiàn)圖3)。泵送混凝土具有輸送能力大、效率高、能連續(xù)作業(yè)、節(jié)省人力、節(jié)約施工成本和修路成本等優(yōu)點(diǎn)，目前大功率混凝土泵最大水平運(yùn)距可達(dá)620 m，最大垂直輸送高度已達(dá)300 m。輸送管道一般是用鋼管制成，管徑通常有100 mm、125 mm、150 mm等幾種，標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)3 m，配套管有1 m、2 m，另配有90°、45°、30°、15°等不同角度的彎管，可滿足工程使用要求。

表3 物料特征及機(jī)械化方案表

表4 機(jī)械設(shè)備對(duì)于路基的尺寸要求

圖1 輕型索道

圖2 重型索道

圖3 泵送混凝土

2.2.2 基礎(chǔ)施工

該工程地基主要以黏土、泥巖、粉砂巖及砂巖為主。根據(jù)地形地質(zhì)情況，基礎(chǔ)選型如表5所示。

表5 基礎(chǔ)選型成果表[3]

1)粘土及巖石地基

對(duì)于粘土及巖石地基，當(dāng)交通情況較好時(shí)，挖孔基礎(chǔ)可采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行基坑開(kāi)挖。根據(jù)計(jì)算，本工程最大基礎(chǔ)型號(hào)孔徑為1.8 m，樁長(zhǎng)7～15 m，選擇最大扭矩為200 kN·m左右的旋挖鉆機(jī)可滿足開(kāi)挖要求?？刹捎玫脑O(shè)備包括三一重工的SR200C,徐工機(jī)械的XR220D，國(guó)家電網(wǎng)《輸電線路全過(guò)程機(jī)械化施工技術(shù)裝備分冊(cè)》[4]的綜合型，設(shè)備寬度為2.5～3.5 m。以上旋挖鉆機(jī)均為履帶式，對(duì)于部分塔位而言，當(dāng)樁徑不大于1.4m時(shí)，可選擇機(jī)動(dòng)性更好的輪胎式旋挖鉆機(jī)，其輸出功率也可達(dá)80～100 kN·m，可降低對(duì)于臨時(shí)道路的修筑要求。

對(duì)于旋挖鉆機(jī)難以進(jìn)場(chǎng)的粘土及巖石地基塔位，推薦采用微型樁基礎(chǔ)(見(jiàn)圖4)。單個(gè)微型樁的直徑一般為200～400 mm，由多個(gè)單樁組成群樁基礎(chǔ)共同承力。相較于大直徑樁，單位體積的微型樁表面積大，節(jié)約工程費(fèi)用在5%～10%，且布樁方式非常靈活。由于孔徑小，微型樁成孔可以采用工程勘查鉆機(jī)、錨固鉆機(jī)等機(jī)械，這些施工機(jī)械體型較小，拆卸后便于裝運(yùn)，適用于本工程交通不便的塔位。

圖4 微型樁基礎(chǔ)

2)巖石地基

在巖石地基上還可采用巖石錨桿基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外使用的巖石錨樁鉆機(jī)主要有液壓錨樁鉆機(jī)、氣動(dòng)錨樁鉆機(jī)、履帶式錨桿鉆機(jī)3大類，3類鉆機(jī)都可以進(jìn)行氣動(dòng)鉆進(jìn)。線路施工一般采用液壓山地鉆機(jī)，該鉆機(jī)采用潛孔錘鉆進(jìn)工藝，具有鉆進(jìn)效率高、設(shè)備輕便、可拆卸性能強(qiáng)等特點(diǎn)，拆卸后單件重量不超過(guò)85 kg，操作簡(jiǎn)單，比較適合困難地區(qū)鉆進(jìn)施工要求。為使錨桿與周圍巖體形成整體，注漿方式一般采用高壓注漿，注漿壓力為5 MPa左右。這樣不僅對(duì)錨樁樁身的缺陷進(jìn)行了加固，還對(duì)破碎巖層進(jìn)行了加固，注漿泵重量為75 kg，2～3人即可抬動(dòng)上山，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。

3)河流階地有水地基

對(duì)于河流階地有水地基推薦采用直柱板式基礎(chǔ)或灌注樁基礎(chǔ)。由于塔位交通情況一般良好且地形平坦，直柱板式基礎(chǔ)可采用挖掘機(jī)開(kāi)挖，灌注樁則可采用回旋鉆機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖，機(jī)械化程度高。

2.2.3 組塔施工

1)鐵塔組立

本工程多數(shù)塔位全高小于100 m，鐵塔單段或單片的重量都在12 t以下，可采用起重機(jī)和懸浮抱桿進(jìn)行組塔施工。

交通條件較好的塔位，對(duì)于高度30 m以下的部分，采用汽車起重機(jī)進(jìn)行鐵塔組裝，如三一重木STC120C起重機(jī)，其特點(diǎn)是移動(dòng)靈活、整機(jī)重量輕，但額定起重量較小，起重高度不高。高度為30～70 m的鐵塔，采用履帶式起重機(jī)，如SCC900E起重機(jī)，履帶起重機(jī)具有輪胎式起重機(jī)所無(wú)法達(dá)到的臂長(zhǎng)、起重力矩、作業(yè)幅度、帶載行駛能力及適應(yīng)惡劣地面的能力等優(yōu)勢(shì)。高度大于70 m的鐵塔，若采用更高噸位的履帶式起重機(jī)或者全地面起重機(jī)，將大大增加運(yùn)輸成本，對(duì)于道路的要求也更高，因此可采用經(jīng)濟(jì)性更好的懸浮抱桿和起重機(jī)配合使用方案。

對(duì)于臨時(shí)道路修筑困難的塔位，可結(jié)合索道運(yùn)輸，采用懸浮抱桿的方式進(jìn)行組塔。落地式塔機(jī)組塔目前僅應(yīng)用于特高壓工程，在本工程中應(yīng)用時(shí)經(jīng)濟(jì)性較差，因此不建議采用。

2)緊固件緊固

吊裝完成后及時(shí)緊固就位處螺栓，螺栓緊固全部采用定扭矩電動(dòng)扳手。

2.2.4 牽引繩、導(dǎo)地線展放

在架線工序中，目前普遍采用張力放線，其機(jī)械化程度較高。首先由無(wú)人機(jī)或飛艇牽引初級(jí)導(dǎo)引繩，再用小牽引機(jī)收卷導(dǎo)引繩，逐漸將放線區(qū)段內(nèi)的導(dǎo)引繩更替為牽引繩，最后由主牽引機(jī)收卷牽引繩，逐步將放線區(qū)段內(nèi)的牽引繩更換為導(dǎo)地線。

2.2.5 接地孔槽掘進(jìn)

根據(jù)線路沿線土壤電阻率的不同和現(xiàn)場(chǎng)地形地貌的限制，分別采用方形框加水平射線型式、方形框加垂直接地型式的接地裝置。接地裝置一般采用小型鏈?zhǔn)酵跍蠙C(jī)、反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖，施工效率高，且場(chǎng)地要求不高。這些機(jī)械為常用農(nóng)用具，方便租賃、施工，可實(shí)施性強(qiáng)，但開(kāi)挖土方量大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境破壞比較嚴(yán)重。

采用水平定向鉆機(jī)可避免大面積開(kāi)挖的弊端。該裝置主要由動(dòng)力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、鉆機(jī)系統(tǒng)組成；由動(dòng)力系統(tǒng)向鉆機(jī)系統(tǒng)提供動(dòng)力，在控向系統(tǒng)的引導(dǎo)及泥漿系統(tǒng)的協(xié)助下，鉆具選取合適入土角度鉆進(jìn)地下土層(見(jiàn)圖5)，并沿預(yù)先設(shè)計(jì)的控向軌跡鉆進(jìn)導(dǎo)向孔，完成鉆孔后，通過(guò)將接地裝置綁扎在鉆具上后回牽(見(jiàn)圖6)并完成敷設(shè)(垂直接地型式不需回牽)，以達(dá)到最小開(kāi)挖地表的施工效果。

圖5 鉆進(jìn)導(dǎo)向示意圖

圖6 回牽接地裝置示意圖

3 設(shè)計(jì)方案總結(jié)

本工程山區(qū)全過(guò)程機(jī)械化施工方案總結(jié)見(jiàn)表6。 機(jī)械化施工主要受交通條件影響，交通情況好時(shí)，機(jī)械化程度非常高；交通情況差時(shí)，可采取措施提高機(jī)械化比例，如運(yùn)輸時(shí)采用索道、采用巖石錨桿基礎(chǔ)和微型樁基礎(chǔ)等。

全過(guò)程機(jī)械化施工在川渝工程實(shí)施以來(lái)，建設(shè)效率大大提高，且有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。以基礎(chǔ)施工為例，開(kāi)挖時(shí)間比較見(jiàn)表7所示，綜合造價(jià)比較見(jiàn)表8所示。

基礎(chǔ)采用機(jī)械化施工后，開(kāi)挖時(shí)間可節(jié)約90%，費(fèi)用節(jié)約4%，效率大大提高且具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械化施工的區(qū)段越連續(xù)，這種經(jīng)濟(jì)效益將越加明顯。

4 存在問(wèn)題及優(yōu)化建議

川渝工程在采用機(jī)械化施工后，建設(shè)效率得到了有效提高，施工質(zhì)量和安全也得到了保證，但也存在可改進(jìn)之處。如基礎(chǔ)開(kāi)挖、接地槽開(kāi)挖采用機(jī)械化后雖然優(yōu)勢(shì)明顯，但是受交通等因素影響，機(jī)械化率仍然較低，不到50%，而其他工序機(jī)械化率都達(dá)到了80%～100%。經(jīng)分析，其主要影響因素有以下幾點(diǎn)：

表6 全過(guò)程機(jī)械化施工總結(jié)表

備注：臨時(shí)道路易于修筑，設(shè)備進(jìn)場(chǎng)方便用√表示；臨時(shí)道路修筑困難用×表示。

1)適用于小型設(shè)備開(kāi)挖的基礎(chǔ)型式種類較少，目前僅有巖石錨桿基礎(chǔ)，且使用條件較為苛刻，使用率不高；

2)依賴旋挖鉆機(jī)等重型設(shè)備開(kāi)挖的基礎(chǔ)類型種類雖然多，但交通條件要求高，一旦塔位遠(yuǎn)離公路，則實(shí)施難度較大；

表7 基礎(chǔ)開(kāi)挖時(shí)間比較

注:①基礎(chǔ)直徑1.4 m，長(zhǎng)度10 m，外露1.0 m，土層2.0 m，強(qiáng)風(fēng)化3.0 m，中風(fēng)化4.0 m。

②人工開(kāi)挖方案為4人同時(shí)開(kāi)挖，4人提土；機(jī)械開(kāi)挖方案為采用1臺(tái)旋挖機(jī)，2人操作，1人輔助。

表8 基礎(chǔ)綜合造價(jià)比較①

注：①基礎(chǔ)總費(fèi)用包含混凝土、鋼筋、設(shè)備使用、臨時(shí)道路及其他項(xiàng)目共計(jì)5項(xiàng)費(fèi)用。

②費(fèi)用計(jì)列時(shí)，機(jī)械開(kāi)挖采用商品混凝土，單價(jià)為700元/m3。

③人工挖孔方案鋼筋價(jià)格已計(jì)入混凝土綜合單價(jià)，表中費(fèi)用僅為運(yùn)輸費(fèi)用。

④旋挖鉆機(jī)按40萬(wàn)每臺(tái)月計(jì)價(jià)(連機(jī)帶3人、含進(jìn)退場(chǎng)費(fèi)用，焊機(jī)使用費(fèi)、焊條等輔助材料)，基礎(chǔ)按開(kāi)挖時(shí)間2天折算租賃費(fèi)用；設(shè)備使用費(fèi)還包括：鉆齒購(gòu)置費(fèi)21 600元，油費(fèi)19 000元，發(fā)電機(jī)臺(tái)班費(fèi)7 500元，裝、卸車時(shí)用吊車臺(tái)班費(fèi)7 500元。

⑤臨時(shí)道路長(zhǎng)度按150 m計(jì)算，道路維修及拆除按10萬(wàn)/km計(jì)費(fèi)。

⑥其他費(fèi)用包括占地補(bǔ)償、建渣處理等費(fèi)用。

3)接地槽開(kāi)挖主要依賴挖溝機(jī)或定向鉆機(jī)，對(duì)交通條件要求高。

為提高基礎(chǔ)開(kāi)挖及接地開(kāi)挖的機(jī)械化率，充分發(fā)揮全過(guò)程機(jī)械化施工的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)以上問(wèn)題，提出了幾點(diǎn)優(yōu)化建議：

1)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，推廣小型設(shè)備能夠?qū)嵤┑幕A(chǔ)方案，如巖石錨桿基礎(chǔ)、微型樁等，提高基礎(chǔ)機(jī)械化施工的可行性；

2)對(duì)于新型小型化、專業(yè)化、節(jié)能環(huán)保、功能集成的設(shè)備，應(yīng)積極引用，并制定相應(yīng)設(shè)計(jì)方案，減少對(duì)大型設(shè)備的依賴；

3)接地設(shè)計(jì)宜采用垂直敷設(shè)的方式，采用手持鉆機(jī)進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)；

4)當(dāng)基礎(chǔ)底部在風(fēng)化巖層內(nèi)時(shí)，不宜設(shè)置擴(kuò)大頭，可以采用加大基礎(chǔ)埋深以滿足承載力要求，從而提高旋挖鉆機(jī)的使用效率和減少易損件的損耗；

5)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用小樁徑的基礎(chǔ)型號(hào)，且樁徑種類不宜過(guò)多，減少施工設(shè)備的投入。

5 結(jié) 語(yǔ)

全過(guò)程機(jī)械化施工具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、實(shí)施高效等優(yōu)點(diǎn)。隨著生產(chǎn)裝備的不斷更新，將逐漸克服大型機(jī)械進(jìn)場(chǎng)困難的問(wèn)題，在以后的工程中得到越來(lái)越多的推廣。工程設(shè)計(jì)單位應(yīng)充分發(fā)揮龍頭引領(lǐng)作用，在確保工程滿足安全、適用、耐久功能性要求的前提下，創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念和方法，適應(yīng)全過(guò)程機(jī)械化施工要求，進(jìn)一步提升工程綜合效益，實(shí)現(xiàn)施工由勞動(dòng)密集型向裝備密集型轉(zhuǎn)變，提升工程施工安全水平。

[1] 王圣兵.淺談高壓輸電線路全過(guò)程機(jī)械化施工技術(shù)[J].低碳世界，2016(6)：63-64.

[2] 趙飛等編著，架空輸電線路工程施工機(jī)械化率評(píng)價(jià)方法[M].北京：中國(guó)電力出版社，2016.

[3] 丁廣鑫，蔡敬東，李正，等編著，輸電線路全過(guò)程機(jī)械化施工技術(shù)設(shè)計(jì)分冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

[4] 丁廣鑫，蔡敬東，李正，等編著，輸電線路全過(guò)程機(jī)械化施工技術(shù)裝備分冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

The whole mechanized construction in transmission line has several main processes, including material transportation, foundation construction, tower installation, installation of overhead conductors and ground wires, grounding work and so on. Because of severe traffic condition in mountainous areas, it is difficult to promote the mechanized construction in whole process. Combined with the characteristics of the third-channel of 500 kV transmission line connected to Sichuan and Chongqing, the construction programs of whole process mechanized construction in mountainous areas are studied, and the implementation experiences in this project are summarized. The optimized measures of design are put forward for the main processes and sub-processes, which provides a reference for the whole process mechanized construction under similar condition.

mountainous areas; whole process mechanized construction; design program

TM75

A

1003-6954(2017)05-0078-06

楊 洋(1974)，本科、高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。

2017-06-27)