輸電線路全過程機械化施工關鍵技術應用研究

張 強，汪楚清

(1.國網寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；2.寧夏回族自治區電力設計院有限公司，寧夏 銀川 750004)

0 引言

國網基建部自2013年以來就已組織全過程機械化施工技術體系的建設工作，目前已形成設計技術[1]、施工技術、裝備體系[2]、工程管理等技術成果，其對線路工程機械化施工的全面開展奠定了基礎。目前南方地區的輸電線路施工已基本實現100%的機械化應用率，但由于實際工程個體的差異性，就如何提升機械化利用率，并發掘機械化施工的最大經濟效益，是各技術人員探討的熱點問題，我國學者如湯程等[3]針對江西電網的機械化施工展開了深化應用研究，陳路等[4]針對山區機械化施工困難提出應對措施，王遠等[5]提出了適合河網泥沼地區的輸電線路機械化施工設計方案，秦慶芝等[6]采用新開發的旋挖鉆機專用設備進行掏挖基礎的成孔試點作業，并對其綜合效益進行了分析，馬龍等[7]提出桿塔和裝備一體化設計，有效提升了組塔機械化作業的效率，賈維坤[8]、齊興斌等[9]簡要論述了三維技術在指導施工、精準控制施工進度及費用方面取得了良好的效果。

寧夏境內有較為廣泛分布的沖積平原和黃土地貌，而輸電線路通道絕大多數集中在海拔1 000 m～1 200 m，高差并不大，從地形地貌和地質條件來看，非常有利于機械化作業的開展。與其他省份相比，寧夏地區輸電線路機械化施工起步較晚，技術水平差距較大，可以總結為幾點：1)設計單位對機械化施工理解不透徹，設計方案與施工銜接性差；2)施工單位對裝備性能認識不足，缺乏工法創新；3)機械化施工取費標準不明確；4)三維數字化技術在輔助施工方面應用不足。設計是龍頭，只有在前期的設計方案中對全過程機械化施工外部環境進行充分論證，才能為機械的順利應用創造有利條件。為落實國網寧夏電力公司關于進一步加強推進輸電線路工程機械化施工的要求，本文著重對全過程機械化施工中的關鍵設計技術展開研究。

1 全過程機械化施工的主要設計原則

設計應根據具體塔位的交通、地形地質條件、協議簽訂和經濟性等因素，因地制宜采用全過程機械化施工。一般而言，機械化施工應遵循以下幾個原則：

1)交通條件好、小運距離小于300 m的塔位建議通過修筑臨時道路，采用全過程機械化施工。

2)不宜修臨時道路的生態敏感區或小運距離大于300 m交通條件較差的地區建議采用索道運輸方式，采用人工為主、機械為輔施工。

3)為了充分發揮機械化施工的優勢，應保證機械化施工的連續性，減少機械轉場次數。一般來說，至少相鄰的4-5基塔基礎能連續采用機械化施工，同一區段內的基礎類型盡可能相同。

2 基礎設計關鍵技術

基礎施工工期在整個線路工程中約占50%，因此基礎的選型和優化設計顯得尤為重要。機械化施工基礎設計總體原則為：設計與施工裝備緊密結合，不能脫離現有設備的施工能力。為配合機械化施工，除了優先采用原狀土基礎外，還應重點解決幾個問題：

1)地勘資料的準確性；2)基礎方案與機械裝備性能的匹配；3)滿足環境保護要求。

2.1 巖石基礎

巖石基礎主要有巖石嵌固和巖石錨桿兩大類，可采用旋挖鉆機、錨桿專用鉆機和液壓回轉錨桿鉆機。設計人員需充分調研各類巖石基礎的特點和適用范圍，基于機械化設備性能選擇合適的基礎類型。對于巖石嵌固基礎，主要考察埋深與孔徑的比值、基礎錐度或擴大頭尺寸對其承載力的影響。對于巖石錨桿基礎，主要研究錨桿直徑、錨桿長度及數量、錨孔間距等參數對其承載力的影響。兩類基礎均對地質的勘測深度提出了較高的要求，如等代極限剪切參數的確定，巖石的完整性及風化程度。

已有的研究成果[10]表明，當巖石基礎的孔徑由1增加到1.8，基礎混凝土耗量增幅為28%，但基礎承載力提升10%；當基礎埋深增加到2倍，基礎混凝土耗量增幅為100%，但承載力提高2倍。因此，綜合考慮機械化程度、施工的安全性和經濟性，建議優先加大基礎埋深來提升巖石基礎的承載力。在設計過程中，代極限剪切參數是關鍵的設計參數，其取值的合理性直接關系到基礎的安全性和經濟性，而規范[11]給出的參考取值范圍較大，為解決其精確取值問題，應結合場地荷載試驗而定。

2.2 灌注樁基礎

灌注樁的施工機械種類較多，不同類型的成孔作業方式除對樁基承載力有影響，由于灌注樁在成孔過程中存在泥漿排放的問題，不能忽略其對周圍環境的影響。因此灌注樁的施工應重點關注不同設備的成孔能力、樁基承載力和經濟性，還需其對環境的影響。

在成孔技術方面，主要有正循環泥漿護壁、反循環泥漿護壁、無循環泥漿護壁和套管護壁法。前兩者設備便宜，但泥漿量多污染大；后兩者設備昂貴，無泥漿或少泥漿污染。各類機械設備護壁技術經濟比較見表1，可以看出應優先選用綜合性能較好的旋挖鉆機進行成孔作業。

表1 護壁技術經濟比較

在灌注樁基礎承載力方面，應對二次清孔質量和樁底沉渣厚度進行嚴格控制。對于摩擦樁，樁底成渣厚度不應大于100 mm；對于端承樁，樁底成渣厚度不應大于50 mm。對于等直徑的灌注樁，深徑比越大，經濟性最優，應優先減小樁徑，增大埋深來解決。對于擴底樁，考慮到擴底尺寸太大會引起塌孔，一般推薦擴底直徑不大于1.5倍樁徑。

2.3 裝配式基礎

裝配式基礎可應用于絕大部分無地下水的地基中，尤其在交通不便、水源匱乏的沙漠地區的經濟性最好(見圖1)。由于其各部件均在工廠提前預制，質量更容易得到保障，模塊化的組裝減少了現場的工作量，方便現場標準化管理。相對傳統現澆式的開挖基礎，單個裝配式基礎可節約造價約12%，且大幅提升施工效率和降低施工作業強度。而裝配式基礎主要存在的問題是設計難度大，理論體系尚不完善，上部荷載較大時的基礎構件尺寸和重量較大，不方便施工。

因此，其主要設計原則需遵循：1)能滿足上部鐵塔結構正常使用要求，不影響其安全穩定性運行；2)預制構件型式和連接方式力求簡潔，方便易于加工和安裝；3)優先選用強度高的輕質材料，并滿足預制構件在運輸和吊裝過程中不易變形；4)預制構件應具備良好的耐久性，確保基礎的使用壽命與整體線路相協調；5)在滿足基礎承載力的條件下，優化減少混凝土和鋼構件的耗材量，減少土石方工程量，從而降低工程造價。

2.4 挖孔類基礎

挖孔類基礎作為原狀土基礎，具有承載力高、變形小的特點，相對開挖基礎，不需支模及基坑回填，對環境影響小，適應性較好。挖孔類基礎適用于無地下水的黏性土、粉土地基以及中等風化巖石地基。考慮旋挖鉆機的基本性能，挖孔類基礎的立柱建議設計為直徑0.6 m～2.0 m，級差0.2 m。

挖孔類基礎的擴底型式對基礎的承載力影響很大，擴大頭是基礎應用的關鍵問題，設計時建議采用如圖2所示的型式，盡量采用“小直徑大埋深”的設計思路。擴底時，擴底建議擴底尺寸從主柱邊緣向外不超過0.5倍主柱直徑，對于濕陷性黃土地區擴底尺寸應適當減小。對于山地要注意基礎的保護范圍，基礎的計算保護距離(計算埋深及計算外露高度的起算點距樁心距離)取2.5倍樁徑(d為主柱直徑)，擴底時同時應滿足不小于1.5D(D為擴大頭直徑)的要求。旋挖鉆機如圖3所示。

對于擴底部分需采用專用擴底鉆頭，根據切削頭不同可分為釬頭擴底鉆頭、截齒擴底鉆頭、滾刀擴底鉆頭以及牙輪擴底鉆頭(見圖4)。釬頭擴底鉆頭一般用于土層擴底鉆進，截齒擴底鉆頭一般用于軟巖及強風化巖石地層，牙輪和滾刀主要用于中硬巖、硬巖地層的擴底施工。

3 鐵塔設計關鍵技術

對于地勢平坦的丘陵、平地一般采用輪式或履帶式起重機吊車立塔；對于陡峭山區、運輸不便，作業場地受限地區一般采用抱桿組塔吊裝組塔。為滿足機械化施工的要求，桿塔設計需采取合理的桿塔結構和構造優化設計措施。

3.1 主要設計方案

桿塔結構設計在保證桿塔強度、剛度和穩定性的前提下，應結合組塔設備、運輸條件、吊裝實施技術方案等，力求桿塔結構受力合理，型式簡單，優化設計降低塔重，減少材料規格和品種，降低制造、運輸、安裝和維護的工作量，并注重全壽命周期內的功能和環境相協調。

根據組塔方式與運輸條件的不同，常用的桿塔設計方案見表2。

表2 桿塔設計方案

3.2 設計優化措施

結合采用的組塔設備，依據選定的設備特性參數和吊裝能力、施工機具吊裝實施技術方案等，細化桿塔結構的設計分段、控制單個構件重量、設置輔助施工孔，具體構造要求和輔助施工孔設置措施如下：

1)嚴格控制構件的長度和重量。

為方便運輸和起吊，如肢寬為100 mm及以下的角鋼長度一般不宜超過9 m，最大為12 m;單個構件重量一般不宜超過1.5 t,對于存在高低腿的山地塔可控制在3 t以內。

2)施工孔的設置。

對于直線塔，施工孔在地線支架前后側、掛線角鋼端頭、導線橫擔端部、導線橫擔根部、貓頭或酒杯塔的“K”節點曲臂處、“V”串兩端部掛線點前后側、“V”串正上方的桿塔橫擔前后側等位置布置施工孔。

對于耐張塔，導、地線掛點附近需設置錨線、緊線作業時的施工孔，并在耐張塔橫擔下平面主材與塔身正面連接板上布置施工孔。

踏腳板靴板上設置用于施工拉線導向滑輪等臨時固定用的施工孔。上述施工孔，必要時應注明安裝孔的用途、受力限值和使用原則。

4 全過程機械化施工成效分析

以某750 kV線路工程為例，該工程地質、地形地貌、交通條件非常適宜開展全過程機械化施工。通過合理計列該工程臨時道路修筑費用、特種施工機械租賃(操作)費用、施工機械進轉場等特殊費用，對比機械化施工與常規方式下經濟性的差異，結果表明采用機械化施工給工程帶來的綜合效益十分明顯(見表3～表5及圖5)，主要體現在三方面：1)施工效率提升，人工投入減少；2)有效降低安全風險，主要是基礎工程；3)節約工程綜合造價。

表3 常規施工方案與機械化施工方案技術對比表

表4 施工效率和人工投入對比分析 %

表5 風險比較

5 結論及展望

輸電線路全過程機械化施工技術涉及到設計、施工、裝備制造、工程管理等多個專業，系統性和專業性較強，需要各個部門和專業相互緊密配合去完成，需專業化的設計、施工工法的創新、新型裝備的研發和精益化的管控。全過程機械化施工技術能否達到最優效果，設計方案是關鍵，需做好提前設計、提前規劃，提前與施工單位配合，同時也對建管單位和評審單位的綜合管理水平提出了更高的要求。需要指出的是，并不是所有的線路工程都適合機械化施工，前期應對機械化施工方案的可行性進行論證，因地制宜采用。