基于路網(wǎng)分級規(guī)劃的輸電線路機(jī)械化施工技術(shù)研究★

蒲劭彤，王 銳，何松洋，李 杰，韓大剛

(1.陜西送變電工程有限公司,陜西 西安 710000;2.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司,四川 成都 610000)

0 引言

隨著輸電線路事業(yè)的飛速發(fā)展,為了提升施工效率,縮短施工周期,提升施工的本質(zhì)安全,輸電線路的施工方式也在升級變化,逐漸由全人工施工方式升級為機(jī)械化施工方式,機(jī)械化施工率也逐漸成為了線路工程先進(jìn)性的一個評價指標(biāo),如何提升輸電線路工程的機(jī)械化率甚至達(dá)到全過程機(jī)械化已變成了輸電線路工程的一個重要課題,部分學(xué)者對于機(jī)械化施工技術(shù)也進(jìn)行了一定的研究[1-8],但這些機(jī)械化施工技術(shù)更多的是局限于某個施工工序,或某個施工階段,未全盤考慮機(jī)械化施工的連續(xù)性和可行性,進(jìn)而導(dǎo)致在目前的線路工程中,機(jī)械化施工的實(shí)際效率不高,施工成本和施工周期優(yōu)化幅度小,未達(dá)到降本增效,縮短施工周期的效果,機(jī)械化的意義不夠顯著。

因此,如何有效地實(shí)現(xiàn)輸電線路全過程機(jī)械化施工,保證機(jī)械化施工的連續(xù)性和高效性,達(dá)到降低施工損耗,降低施工成本、縮短施工周期,便成為了現(xiàn)階段輸電線路機(jī)械化施工技術(shù)的一大難題和研究重點(diǎn)。

本文從機(jī)械化施工的路網(wǎng)分級規(guī)劃出發(fā),基于臨時施工道路的路網(wǎng)體系,貫穿起整個線路的機(jī)械化施工工序,從整體上保證機(jī)械化施工的連續(xù)性和可靠性,進(jìn)而對輸電線路機(jī)械化施工的工序展開研究,最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)輸電線路全過程機(jī)械化施工的目的。

1 機(jī)械化施工分級路網(wǎng)規(guī)劃方法

1.1 分級路網(wǎng)規(guī)劃

機(jī)械化施工最重要的一個因素即交通條件,臨時施工道路的路網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)根據(jù)沿線已有道路進(jìn)行規(guī)劃,做到能用盡用,盡用優(yōu)用。

對于平丘地區(qū),可以利用的道路有國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道、村道、機(jī)耕道、土路等,這些道路可以作為線路工程機(jī)械化施工的運(yùn)輸?shù)缆坊蛘咂瘘c(diǎn),成為臨時施工道路體系的核心樞紐,逐點(diǎn)散發(fā),最終建立起機(jī)械化施工道路的路網(wǎng)體系。

機(jī)械化施工分級路網(wǎng)規(guī)劃主要包括三個層次,具體規(guī)劃方法如下:

1)明確輸電線路材料的初始堆場,在奧維地圖上初步確定沿線可以利用的一級已有施工道路,包括高速道路、國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道等承載能力強(qiáng)的已有道路。

2)確定可以作為施工道路起步的入口點(diǎn),入口點(diǎn)的交通能力強(qiáng),不易堵塞,若已有道路近似與線路方向平行并行,入口點(diǎn)宜布置在線路的起點(diǎn)、中間、終點(diǎn),中間入口點(diǎn)根據(jù)線路長度均勻布置;若已有道路與線路方向垂直或夾角較大,入口點(diǎn)宜布置在已有道路與線路交點(diǎn)位置。

3)根據(jù)已確定的入口點(diǎn),沿著線路方向確定可利用的二級道路,盡可能滿足機(jī)械化施工的條件,同時距離塔位最近,包括村道、機(jī)耕道、土路等承載能力稍弱的已有道路,作為臨時施工道路路網(wǎng)體系的次干道。

4)基于次干道的現(xiàn)有布置情況,規(guī)劃出三級道路,即臨時施工道路,包括道路整形、碎石鋪墊、鋼板鋪墊、棕墊鋪墊等修路方式,根據(jù)不同的環(huán)水保要求,可以選擇不同的修路方式,對于地基承載力較強(qiáng)等區(qū)域,可以選擇道路整形即可;若地基承載力較低,土質(zhì)較軟,可以選擇碎石鋪墊或鋼板鋪墊的方式,對于生態(tài)比較薄弱,如基本農(nóng)田等區(qū)域,可以選擇鋼板鋪墊、棕墊鋪墊等修路方式。

5)三級臨時施工道路的修建應(yīng)按照生態(tài)破壞最小、多塔兼用、距離最近的原則進(jìn)行布置,一般推薦沿著路徑走向進(jìn)行布置,臨時施工道路的寬度一般取3.5 m。

1.2 分級路網(wǎng)評價

輸電線路的機(jī)械化施工路網(wǎng)規(guī)劃往往有多種方案,因此,對于規(guī)劃完成的機(jī)械化施工分級路網(wǎng)體系,需要進(jìn)行運(yùn)輸效率和運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的競爭性對比,最終選出效率和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的路網(wǎng)體系。

1)運(yùn)輸效率。運(yùn)輸效率反映了整個路網(wǎng)體系的機(jī)械化運(yùn)輸效率,直接影響了機(jī)械化施工的效率,可以根據(jù)施工整體運(yùn)輸?shù)暮臅r進(jìn)行表征(見式(1),式(2)):

(1)

(2)

其中,T為全線所有塔位一次機(jī)械化運(yùn)輸所消化的時間,h;ti為第i個塔位一次機(jī)械化運(yùn)輸所消化的時間,h;n為全線塔位的數(shù)量;L1i為塔位i一次機(jī)械化運(yùn)輸在一級道路上所運(yùn)行的里程,km;V1i為塔位i一次機(jī)械化運(yùn)輸在一級道路上的運(yùn)輸速度,km/h;L2i為塔位i一次機(jī)械化運(yùn)輸在二級道路上所運(yùn)行的里程,km;V2i為塔位i一次機(jī)械化運(yùn)輸在二級道路上的運(yùn)輸速度,km/h;L3i為塔位i一次機(jī)械化運(yùn)輸在三級道路上所運(yùn)行的里程,km;V3i為塔位i一次機(jī)械化運(yùn)輸在三級道路上的運(yùn)輸速度,km/h;ki為塔位i一次機(jī)械化運(yùn)輸?shù)念l數(shù),取運(yùn)輸材料量與道路承載力比值的最大值;Qi為塔位i的運(yùn)輸材料量,t;pj為不同道路的運(yùn)輸承載能力,t。

2)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性代表建成整個路網(wǎng)體系的經(jīng)濟(jì)投資費(fèi)用,按照式(3)進(jìn)行計算:

(3)

其中,C為建立施工道路路網(wǎng)體系的總投資;S1為一級道路的長度,km;c1為一級道路所消耗的單公里費(fèi)用,萬元/km;S2為二級道路的長度,km;c2為二級道路所消耗的單公里費(fèi)用,萬元/km;S3i為第i個塔位三級道路的長度,km;c3i為第i個塔位三級道路所消耗的單公里費(fèi)用,萬元/km。

3)分級路網(wǎng)競爭性評價。競爭性評價主要是綜合評價多個路網(wǎng)方案的優(yōu)劣性,需要綜合考慮運(yùn)輸效率和運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)的影響,單個路網(wǎng)方案的競爭性指數(shù)按照式(4)計算:

η=α·T+β·S

(4)

其中,η為路網(wǎng)規(guī)劃方案的競爭性指數(shù);α為路網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)輸效率的影響系數(shù),建議取0.35/h～0.45/h;β為路網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的影響系數(shù),建議取0.55/萬元～0.65/萬元;對于工期十分緊張的工程,也可以調(diào)整α和β的取值。

當(dāng)η達(dá)到最低時,機(jī)械化施工所規(guī)劃的路網(wǎng)方案是最優(yōu)的。

在路網(wǎng)最優(yōu)規(guī)劃的基礎(chǔ)上,為了實(shí)現(xiàn)輸電線路全過程機(jī)械化,需要展開輸電線路基礎(chǔ)施工、鐵塔組立、接地、架線和環(huán)水保機(jī)械化施工技術(shù)研究。

2 基礎(chǔ)施工機(jī)械化設(shè)計

平丘地區(qū)機(jī)械化施工基礎(chǔ)設(shè)計總體原則為:設(shè)計與施工裝備緊密地結(jié)合,不能脫離現(xiàn)有設(shè)備的施工能力進(jìn)行基礎(chǔ)型式的設(shè)計。

2.1 不同基礎(chǔ)型式的機(jī)械化施工要求

1)挖孔基礎(chǔ)和灌注樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)機(jī)械化施工的具體要求包括孔徑與深度要求、擴(kuò)底要求。a.孔徑及埋深:考慮旋挖鉆機(jī)施工時,最大設(shè)計孔徑為2.4 m,最小孔徑為0.6 m,級差為0.2 m,以降低施工單位設(shè)備投入。最大埋深為25 m,該最大埋深是考慮鉆機(jī)鉆進(jìn)功率確定的,其影響因素主要為孔徑大小。b.擴(kuò)底要求:新型研發(fā)旋挖鉆機(jī)最大擴(kuò)底直徑為孔徑的兩倍,對非巖體及飽和單軸抗壓強(qiáng)度超過30 MPa的巖體,不擴(kuò)底。

2)大板基礎(chǔ)。a.對柔性大板基礎(chǔ),當(dāng)基礎(chǔ)埋深取3.0 m～4.9 m,基礎(chǔ)底板應(yīng)取1.6倍～2.2倍埋深,可取得較佳的經(jīng)濟(jì)效益且方便機(jī)械化施工。b.柔性大板基礎(chǔ)還需要恰當(dāng)?shù)剡x擇臺階尺寸,以滿足沖切要求,以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。

2.2 基礎(chǔ)機(jī)械化施工設(shè)備

1)挖孔基礎(chǔ)成孔機(jī)械設(shè)備。旋挖鉆機(jī)能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動取土、自動擴(kuò)底等功能,克服了機(jī)械洛陽鏟的缺點(diǎn),配合不同鉆具,適應(yīng)于干式(短螺旋),或濕式(回轉(zhuǎn)斗)及巖層(巖心鉆)的成孔作業(yè),旋挖鉆機(jī)具有裝機(jī)功率大、輸出扭矩大、軸向壓力大、機(jī)動靈活,施工效率高及多功能特點(diǎn)。旋挖鉆機(jī)的額定功率一般為125 kW～450 kW,動力輸出扭矩為120 kN·m～470 kN·m,最大成孔直徑可達(dá)1.5 m～4 m,最大成孔深度為60 m～120 m,可以滿足各類大型基礎(chǔ)施工的要求。

旋挖鉆機(jī)施工過程簡圖見圖1。

2)灌注樁基礎(chǔ)開挖機(jī)械設(shè)備。灌注樁是指通過鉆、沖、挖或沉入套管至設(shè)計標(biāo)高后,并在孔中澆筑混凝土(或先在孔中吊放鋼筋籠)而成的樁。

鉆孔機(jī)多以履帶式挖掘機(jī)(或起重機(jī))的底盤為底架,其上設(shè)置龍門導(dǎo)桿,作為鉆鑿工具的支承,并引導(dǎo)鉆孔方向。鉆孔機(jī)按成孔方法,分螺旋式、沖擊(抓)式、潛水式和振動式四種,前三者屬取土成孔,后一種屬擠土成孔,還有綜合上述多種方法的綜合鉆孔機(jī)。工程中典型鉆機(jī)見圖2。

3)大開挖基礎(chǔ)機(jī)械設(shè)備。斜柱基礎(chǔ)、金屬裝配式基礎(chǔ)、柔性大板基礎(chǔ)均屬于大開挖基礎(chǔ)。架空輸電線路基礎(chǔ)施工過程中土方開挖含道路修筑、基坑開挖、排水溝開挖等,尤以板柱式基礎(chǔ)開挖土方大,主要采用挖掘機(jī)。常見挖掘機(jī)外形如圖3所示。

2.3 機(jī)械化施工的基礎(chǔ)型式選擇

對于平丘地區(qū),可按照如下原則進(jìn)行機(jī)械化基礎(chǔ)型式推薦:

1)大開挖基礎(chǔ):柔性大板基礎(chǔ),分為現(xiàn)澆和裝配式,主要適用于平地原狀土基礎(chǔ)難以實(shí)現(xiàn)地段,為減少基面的開挖以充分利用原狀土優(yōu)勢,山地一般不采用該基礎(chǔ)型式。

2)灌注樁基礎(chǔ):主要適用于有地下水的平原,目前施工機(jī)械化程度高,施工裝備類型較多。

3)挖孔基礎(chǔ):主要適用于無地下水山區(qū)地區(qū)。

3 鐵塔組立機(jī)械化設(shè)計

機(jī)械化鐵塔的組立要嚴(yán)格按照鐵塔的高度、外形、根開大小等實(shí)際情況進(jìn)行,可以采用整體起立或是分解組立、倒裝法等方法。對于塔位地形條件較好,鐵塔可采用普通抱桿或大型流動式起重機(jī)進(jìn)行組塔;特殊地形或有特殊要求的情況下,可采用直升機(jī)組塔。

工程中常見的機(jī)械化組塔方式如表1所示。

表1 工程中典型組塔方式一覽表

4 架線機(jī)械化設(shè)計

機(jī)械化張力架線施工所使用的主要機(jī)械設(shè)備有張力機(jī)、牽引機(jī)和導(dǎo)線線軸支架等。

施工放線前,綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況,選擇合適的架線設(shè)備和施工場地,應(yīng)提供完整有效的架線施工技術(shù)文件。當(dāng)跨越電力線、弱電線路、鐵路、公路、索道及通航河流時,應(yīng)提供完整可靠的跨越施工技術(shù)方案。牽張場地應(yīng)選擇在地勢平坦的區(qū)域,且應(yīng)滿足牽引機(jī)、張力機(jī)能直接運(yùn)達(dá)到位的要求,并兼顧牽張設(shè)備、導(dǎo)線布置以及施工的操作要求。

5 機(jī)械化施工水保措施

水保設(shè)計應(yīng)當(dāng)把水土保持工程措施、植物措施、臨時措施有機(jī)結(jié)合起來。對于工程永久性占地區(qū),因該區(qū)施工原因,地表擾動相對劇烈,水土流失防治需以工程措施為主,裸露地表部分必要時輔以植物措施;而工程臨時性占地區(qū)主要為塔基施工場地、牽張場、跨越施工場地、施工道路、接地極電極電纜區(qū)等,對該區(qū)的水土流失防治主要以工程措施、植物措施以及臨時措施為主。

6 結(jié)合路網(wǎng)分級規(guī)劃的機(jī)械化施工方案分析

結(jié)合某750 kV線路工程,處于平原地帶選擇其中40基塔位進(jìn)行機(jī)械化施工方案分析,有部分區(qū)段存在耕地,需要考慮鋼板鋪設(shè),線路路徑與主要干道幾乎呈垂直關(guān)系,可以把線路與道路相交點(diǎn)作為機(jī)械化路網(wǎng)規(guī)劃的起始點(diǎn),展開路網(wǎng)規(guī)劃,假定材料堆場離起始點(diǎn)之間的一級道路長度為5 km,根據(jù)路網(wǎng)規(guī)劃得到沿線塔位到起始點(diǎn)間的一級道路長度在0.2 km～10.5 km區(qū)間,二級道路在1 km～2 km區(qū)間,由于一級和二級道路是利用已有道路,其方案比較唯一,所以本文主要對比三級道路不同規(guī)劃下的路網(wǎng)競爭性系數(shù)差異,結(jié)合現(xiàn)場地形地質(zhì)條件規(guī)劃了如下路網(wǎng)圖,見圖4,路網(wǎng)規(guī)劃包括兩種方案,見表2。

表2 兩種路網(wǎng)規(guī)劃方案對比

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研,不同級別道路的性能見表3。

表3 不同道路的性能參數(shù)

取α=0.4/h,β=0.6/萬元,結(jié)合式(1)—式(4)計算得到兩種方案的運(yùn)輸時間、建設(shè)費(fèi)用和競爭性系數(shù)見表4。

表4 路網(wǎng)規(guī)劃方案對比

可以看出,方案一的運(yùn)輸時間雖然較方案二減少了約40%,但是其碎石鋪墊較道路整形的費(fèi)用增加了約3倍,投資費(fèi)用增加明顯,最終其路網(wǎng)競爭系數(shù)較方案二大,所以推薦采用方案一的路網(wǎng)方案,同時還可以保證水保措施的恢復(fù),這與工程實(shí)踐是相吻合的。

7 結(jié)論

本文從線路工程的路網(wǎng)規(guī)劃出發(fā),提出了輸電線路工程路網(wǎng)分級規(guī)劃的具體方法和評價方法,使得輸電線路全過程機(jī)械化施工的連續(xù)性和有效性得到了充分的保證,然后基于分級規(guī)劃的路網(wǎng)規(guī)劃基礎(chǔ),展開了輸電線路全過程機(jī)械化施工的研究,對其基礎(chǔ)施工、鐵塔組立施工、架線施工和水保措施等方面的機(jī)械化技術(shù)研究,推薦了各個工序相應(yīng)的機(jī)械化施工方法,同時結(jié)合工程實(shí)踐展開了路網(wǎng)規(guī)劃方案的對比分析,推薦了最優(yōu)方案,可以指導(dǎo)工程實(shí)踐,切實(shí)提高了機(jī)械化施工方法的機(jī)械化效率,同時保證了機(jī)械化施工的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性,提升了輸電線路施工的本質(zhì)安全,推動了輸電線路全過程機(jī)械化施工技術(shù)的發(fā)展。