基于路網分級規劃的輸電線路機械化施工技術研究★

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西南電力設計院有限公司,四川 成都 610000)

0 引言

隨著輸電線路事業的飛速發展,為了提升施工效率,縮短施工周期,提升施工的本質安全,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械化施工方式,機械化施工率也逐漸成為了線路工程先進性的一個評價指標,如何提升輸電線路工程的機械化率甚至達到全過程機械化已變成了輸電線路工程的一個重要課題,部分學者對于機械化施工技術也進行了一定的研究[1-8],但這些機械化施工技術更多的是局限于某個施工工序,或某個施工階段,未全盤考慮機械化施工的連續性和可行性,進而導致在目前的線路工程中,機械化施工的實際效率不高,施工成本和施工周期優化幅度小,未達到降本增效,縮短施工周期的效果,機械化的意義不夠顯著。

因此,如何有效地實現輸電線路全過程機械化施工,保證機械化施工的連續性和高效性,達到降低施工損耗,降低施工成本、縮短施工周期,便成為了現階段輸電線路機械化施工技術的一大難題和研究重點。

本文從機械化施工的路網分級規劃出發,基于臨時施工道路的路網體系,貫穿起整個線路的機械化施工工序,從整體上保證機械化施工的連續性和可靠性,進而對輸電線路機械化施工的工序展開研究,最終達到實現輸電線路全過程機械化施工的目的。

1 機械化施工分級路網規劃方法

1.1 分級路網規劃

機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規劃應根據沿線已有道路進行規劃,做到能用盡用,盡用優用。

對于平丘地區,可以利用的道路有國道、省道、縣道、鄉道、村道、機耕道、土路等,這些道路可以作為線路工程機械化施工的運輸道路或者起點,成為臨時施工道路體系的核心樞紐,逐點散發,最終建立起機械化施工道路的路網體系。

機械化施工分級路網規劃主要包括三個層次,具體規劃方法如下:

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、鄉道等承載能力強的已有道路。

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

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

4)基于次干道的現有布置情況,規劃出三級道路,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,根據不同的環水保要求,可以選擇不同的修路方式,對于地基承載力較強等區域,可以選擇道路整形即可;若地基承載力較低,土質較軟,可以選擇碎石鋪墊或鋼板鋪墊的方式,對于生態比較薄弱,如基本農田等區域,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按照生態破壞最小、多塔兼用、距離最近的原則進行布置,一般推薦沿著路徑走向進行布置,臨時施工道路的寬度一般取3.5 m。

1.2 分級路網評價

輸電線路的機械化施工路網規劃往往有多種方案,因此,對于規劃完成的機械化施工分級路網體系,需要進行運輸效率和運輸經濟性的競爭性對比,最終選出效率和經濟性最優的路網體系。

1)運輸效率。運輸效率反映了整個路網體系的機械化運輸效率,直接影響了機械化施工的效率,可以根據施工整體運輸的耗時進行表征(見式(1),式(2)):

(1)

(2)

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

2)運輸經濟性。運輸經濟性代表建成整個路網體系的經濟投資費用,按照式(3)進行計算:

(3)

其中,C為建立施工道路路網體系的總投資;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用,萬元/km。

3)分級路網競爭性評價。競爭性評價主要是綜合評價多個路網方案的優劣性,需要綜合考慮運輸效率和運輸經濟的影響,單個路網方案的競爭性指數按照式(4)計算:

η=α·T+β·S

(4)

其中,η為路網規劃方案的競爭性指數;α為路網規劃運輸效率的影響系數,建議取0.35/h～0.45/h;β為路網規劃運輸經濟性的影響系數,建議取0.55/萬元～0.65/萬元;對于工期十分緊張的工程,也可以調整α和β的取值。

當η達到最低時,機械化施工所規劃的路網方案是最優的。

在路網最優規劃的基礎上,為了實現輸電線路全過程機械化,需要展開輸電線路基礎施工、鐵塔組立、接地、架線和環水保機械化施工技術研究。

2 基礎施工機械化設計

平丘地區機械化施工基礎設計總體原則為:設計與施工裝備緊密地結合,不能脫離現有設備的施工能力進行基礎型式的設計。

2.1 不同基礎型式的機械化施工要求

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

2)大板基礎。a.對柔性大板基礎,當基礎埋深取3.0 m～4.9 m,基礎底板應取1.6倍～2.2倍埋深,可取得較佳的經濟效益且方便機械化施工。b.柔性大板基礎還需要恰當地選擇臺階尺寸,以滿足沖切要求,以達到優化設計的目的。

2.2 基礎機械化施工設備

1)挖孔基礎成孔機械設備。旋挖鉆機能實現基礎自動取土、自動擴底等功能,克服了機械洛陽鏟的缺點,配合不同鉆具,適應于干式(短螺旋),或濕式(回轉斗)及巖層(巖心鉆)的成孔作業,旋挖鉆機具有裝機功率大、輸出扭矩大、軸向壓力大、機動靈活,施工效率高及多功能特點。旋挖鉆機的額定功率一般為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施工的要求。

旋挖鉆機施工過程簡圖見圖1。

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

鉆孔機多以履帶式挖掘機(或起重機)的底盤為底架,其上設置龍門導桿,作為鉆鑿工具的支承,并引導鉆孔方向。鉆孔機按成孔方法,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。工程中典型鉆機見圖2。

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

2.3 機械化施工的基礎型式選擇

對于平丘地區,可按照如下原則進行機械化基礎型式推薦:

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

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

3)挖孔基礎:主要適用于無地下水山區地區。

3 鐵塔組立機械化設計

機械化鐵塔的組立要嚴格按照鐵塔的高度、外形、根開大小等實際情況進行,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進行組塔;特殊地形或有特殊要求的情況下,可采用直升機組塔。

工程中常見的機械化組塔方式如表1所示。

表1 工程中典型組塔方式一覽表

4 架線機械化設計

機械化張力架線施工所使用的主要機械設備有張力機、牽引機和導線線軸支架等。

施工放線前,綜合考慮現場實際情況,選擇合適的架線設備和施工場地,應提供完整有效的架線施工技術文件。當跨越電力線、弱電線路、鐵路、公路、索道及通航河流時,應提供完整可靠的跨越施工技術方案。牽張場地應選擇在地勢平坦的區域,且應滿足牽引機、張力機能直接運達到位的要求,并兼顧牽張設備、導線布置以及施工的操作要求。

5 機械化施工水保措施

水保設計應當把水土保持工程措施、植物措施、臨時措施有機結合起來。對于工程永久性占地區,因該區施工原因,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、接地極電極電纜區等,對該區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 結合路網分級規劃的機械化施工方案分析

結合某750 kV線路工程,處于平原地帶選擇其中40基塔位進行機械化施工方案分析,有部分區段存在耕地,需要考慮鋼板鋪設,線路路徑與主要干道幾乎呈垂直關系,可以把線路與道路相交點作為機械化路網規劃的起始點,展開路網規劃,假定材料堆場離起始點之間的一級道路長度為5 km,根據路網規劃得到沿線塔位到起始點間的一級道路長度在0.2 km～10.5 km區間,二級道路在1 km～2 km區間,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劃下的路網競爭性系數差異,結合現場地形地質條件規劃了如下路網圖,見圖4,路網規劃包括兩種方案,見表2。

表2 兩種路網規劃方案對比

根據現場調研,不同級別道路的性能見表3。

表3 不同道路的性能參數

取α=0.4/h,β=0.6/萬元,結合式(1)—式(4)計算得到兩種方案的運輸時間、建設費用和競爭性系數見表4。

表4 路網規劃方案對比

可以看出,方案一的運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用增加了約3倍,投資費用增加明顯,最終其路網競爭系數較方案二大,所以推薦采用方案一的路網方案,同時還可以保證水保措施的恢復,這與工程實踐是相吻合的。

7 結論

本文從線路工程的路網規劃出發,提出了輸電線路工程路網分級規劃的具體方法和評價方法,使得輸電線路全過程機械化施工的連續性和有效性得到了充分的保證,然后基于分級規劃的路網規劃基礎,展開了輸電線路全過程機械化施工的研究,對其基礎施工、鐵塔組立施工、架線施工和水保措施等方面的機械化技術研究,推薦了各個工序相應的機械化施工方法,同時結合工程實踐展開了路網規劃方案的對比分析,推薦了最優方案,可以指導工程實踐,切實提高了機械化施工方法的機械化效率,同時保證了機械化施工的經濟性和環保性,提升了輸電線路施工的本質安全,推動了輸電線路全過程機械化施工技術的發展。