槽式太阳能热发电站中槽式集热器桩基础的施工工艺研究

刘大勇

摘 要：以某槽式太阳能热发电站的集热场施工工程为例，在国内尚无相关成熟施工工艺的现状下，针对槽式集热器桩基础施工工程量大，以及地脚螺栓施工精度高、工期紧的特点，对槽式集热器桩基础及地脚螺栓安装、固定的施工工艺进行了研究。在满足工程实践需求的前提下，从桩基础点位测量、桩基础成孔、钢筋笼的制作与安装、地脚螺栓固定架的设计和制作、地脚螺栓的安装及固定、混凝土浇筑等各方面对槽式集热器桩基础施工工艺流程进行了多次论证和现场实际验证，最终提出了一套独特的槽式太阳能热发电站中槽式集热器桩基础的施工工艺。通过实际工程验证，该槽式集热器桩基础施工工艺有效控制了地脚螺栓的施工质量，从而确保了槽式集热器的安装精度，并在大幅加快现场施工进度的基础上满足了工程的施工要求。该施工工艺可广泛应用于其他大规模槽式太阳能热发电站的槽式集热器桩基础施工中。

关键词：槽式太阳能热发电；槽式集热器；桩基础；地脚螺栓；地脚螺栓固定架；施工工艺

中图分类号：TK513.5 文献标志码：A

0  引言

太阳能热发电站集发电和储能于一身，因其独有的大规模且低成本储能使其可实现长周期连续发电，在中国正面临前所未有的发展机遇。自第1批太阳能热发电示范电站开工投运以来，“太阳能热发电+光伏发电”或“太阳能热发电+风电”等模式的大型新能源基地的建设方兴未艾。

在槽式太阳能热发电站的建设过程中，槽式集热器桩基础地脚螺栓施工的工程量大、精度要求高、进度紧张，其施工精度和速度将极大影响槽式集热器的安装精度和进度，并会影响实际运行时槽式集热器跟踪太阳的精度，从而影响整个槽式太阳能热发电系统的集热效率，最终对其发电量造成影响。因此，槽式集热器桩基础地脚螺栓的施工精度和速度是槽式集热器安装精度和进度的根本保证。

本文以某槽式太阳能热发电站的集热场施工工程为例，对槽式集热器桩基础的施工工艺进行研究。该项目的槽式集热器占地面积占整个槽式太阳能热发电站占地面积的94%以上，约为3400亩（1亩≈666.67 m2），在整个槽式太阳能热发电站建设中工程量最大、工期最紧张，且建设时国内尚无成熟施工经验可参考。该热发电站的集热场中共有190个集热回路，每个集热回路共4列槽式集热器，为南北向布置；每列槽式集热器长约148 m，包含13根单桩基础；每根桩基础有4个地脚螺栓（作为1组地脚螺栓组）。因此，该集热场共计有760列槽式集热器、9880根桩基础、39520个地脚螺栓，施工量极大。

除施工量大之外，本槽式太阳能热发电工程的施工工期也非常紧张。国外的槽式太阳能热发电站通常是先建设集热场，仅集热场的施工工期就约为18个月；而本工程的集热场标段招标滞后，同时无设计经验，需请外方专家进行基础设计和施工图设计的核准，从签订工程总承包（EPC）合同到集热场施工完成仅有不超过12个月的时间，扣除设计时间后施工时间不超过10个月，工期极为紧张。同时，由于要保证每列长148 m的槽式集热器在电站整个生命周期内可以同轴旋转几万次，设计要求对每根桩基础地脚螺栓的定位精度要求极高。单列槽式集热器的现场情况如图1所示。

图1  单列槽式集热器的现场情况

Fig. 1  On-site situation of single row trough collectors

国内尚无大规模且高精度的带地脚螺栓的桩基础施工工程案例，其他非槽式太阳能热发电工程的桩基础施工和地脚螺栓的安装方式也远不能满足槽式太阳能热发电工程施工现场的要求。虽然火电工程中锅炉炉架基础螺栓的安装精度较高，一些太阳能热发电试验项目中也涉及了槽式集热器桩基础螺栓的安装工作，但这些工程中螺栓安装数量少，且一般都采用慢工出细活的方式，可以花费半个多月的时间安装1台锅炉或几个槽式集热器的螺栓；此外，国外类似的大规模带地脚螺栓的桩基础施工工程实例提供的信息也比较零散，不成体系，无法直接套用。

基于此，本文在满足工程实践需求的前提下，针对槽式集热器桩基础施工的工程量大，以及地脚螺栓施工精度高、工期紧的特点，通过分析槽式集热器的运行方式，对大规模桩基础地脚螺栓的安装和固定方式进行研究，并提出一套独特的槽式太阳能热发电站中槽式集热器桩基础施工工艺。该施工工艺针对槽式集热器桩基础施工工艺全流程每一道工序进行质量控制，重点研究专用的地脚螺栓固定架，以及地脚螺栓的定位、安装及固定，并进行多次论证和现场实際验证。

1  施工工艺及要点

槽式集热器桩基础的施工规模大，采用的是比较特殊的单桩基础，且需要满足整列槽式集热器同轴高精度旋转，因此在桩基础地脚螺栓的安装过程中，核心要点在于地脚螺栓固定架的制作精度及其自身的固定方式、地脚螺栓的点位测放和定位精度，以及每个地脚螺栓相对位置的安装及固定精度。地脚螺栓固定架自身的固定方式应满足混凝土浇筑振捣时牢固可靠的要求；同时，大规模槽式集热器桩基础的施工需要具备施工成本低、速度快、普通技术工人易掌握、易操作等特点。

在对各类地脚螺栓的施工经验进行分析研究的基础上，经过前期论证和后期实际验证优化，编制了槽式集热器桩基础地脚螺栓施工的核心施工工艺。整个槽式集热器桩基础的施工工艺流程为：准备材料、设备及工器具→利用全球定位系统（GPS）定位仪进行桩基础点位测放→桩基础成孔→钢筋笼的初步安装、起吊与固定→地脚螺栓的安装、找正、固定和钢筋笼的调整→桩基础顶部模板的安装→混凝土的浇筑和养护→地脚螺栓固定架和桩基础顶部模板的拆除→地脚螺栓的保护。下文针对该施工工艺中具体工序的操作步骤及要点进行详细阐述。

1.1  准备材料、设备及工器具

槽式集热器桩基础施工需要的主要设备和工器具包括：GPS定位仪、全站仪、水准仪、倒链、细钢丝、钳子、自制钢筋笼起吊龙门架、自制钢筋笼龙门架、自制地脚螺栓固定架、地脚螺栓找正板、混凝土放料器、旋挖钻机等，以上设备和工器具应准备到位并检验合格。

特别要重点指出的是，由于对每列槽式集热器各个桩基础中心位置，尤其是地脚螺栓安装时每组地脚螺栓组的十字中心线的精度要求很高，但因每列槽式集热器（ 南北向） 的地势存在1% 的坡度且单列槽式集热器的长度较长，再加上要求测量速度快，因此不适宜采用钢卷尺进行测放，而是采用细钢丝配合精度较高的全站仪进行测放。

根据桩基础施工方案的图纸，制作2个钢筋笼起吊龙门架；制作10列钢筋笼龙门架，每列13个，共130个；制作20列专用的地脚螺栓固定架，每列13套，共260套，用于地脚螺栓的固定。钢筋笼起吊龙门架、钢筋笼龙门架及地脚螺栓固定架可以周转使用，且具体数量可根据工期及工人对施工工艺的熟悉程度进行适当增减。

1.2  利用GPS定位仪进行桩基础点位测放

采用GPS定位仪进行控制桩的测量放样，形成封闭的测量控制网。采用GPS定位仪在每列桩基础的首、尾桩基础点位外侧进行槽式集热器中心轴线的控制桩点位测放，并用钢筋头砸入地里做标识。控制桩点位与桩基础点位之间的距离通常在5 m以上，以避免桩基础钻孔和机械移动时的震动影响。另外，还应对控制桩点位做好保护措施，避免被损坏。

由于控制桩是每列槽式集热器从桩基础成孔、地脚螺栓安装到槽式集热器安装的基准，对定位精度的要求极高，因此对其点位进行测放时一定要在定位好的钢筋头上刻划十字中心线，以十字中心线的中心点作为基准，从而可确保历次测放时控制桩点位的一致性。

每列槽式集热器桩基础的南北向轴线与地理方向的南北向之间的误差角度应小于0.05°，换算后间距为148 m 的首、尾桩基础的东西向坐标误差不超过12.9 cm。在GPS定位仪定位基准点准确的情况下，其测量得到的每个桩基础点位的坐标误差一般不超过2 cm，采用GPS定位仪测量可保证每个桩基础点位的定位精度和施工进度，使地脚螺栓的安装精度能够满足工程要求。

由于本工程中槽式集热器桩基础采用的是单桩基础，单列长148 m的槽式集热器需要同轴旋转，其对桩基础点位的定位精度要求远超过采用群桩基础时对桩基础点位的定位精度要求，具体的精度要求为：南北向两个桩基础间距的测量误差需小于20 mm，东西向两个桩基础的坐标误差需小于20 mm。但在该误差范围内需要考虑钢筋笼保护层及其主筋与地脚螺栓位置可能存在冲突，还需要考虑钻孔的误差，因此实际测量时对桩基础点位的定位精度要求远高于前述精度要求。需采用全站仪利用首、尾控制桩点位沿南北向一次性放出整列桩基础点位且测放后的点位误差应小于等于5 mm，并用铁钉加醒目色带标识定位点。

1.3  桩基础成孔

本工程中桩基础的直径大多为1 m，采用旋挖钻机进行桩基础孔位的钻孔施工。槽式集热器的安装对桩基础孔位的精度要求较高，除了对点位测放精度要求高以外，桩机的定位也非常重要。由于钻头本身的中心位置并不明显，因此需要在钻头护筒边缘处采用十字拉线的方式进行钻头中心位置的找正，以确保钻头中心对准桩基础点位，从而可以确保钻进时定位准确；钻头中心找正后，对旋挖钻机的钻杆、桅杆的垂直度进行调整，并在调整好后锁定。

在钻孔作业开始阶段，为避免旋挖钻机抖动过大造成钻孔位置偏差过大，钻进速度一定要先慢后快，刚开始每次进尺约为50 cm，待钻进速度正常、钻杆的抖动明显减小且稳定后，可以适当加大进尺，每次进尺控制在80 cm左右。钻孔达到设计高程后，需对孔的深度、直径、垂直度及孔底沉渣的厚度按设计要求进行检查，并使用自制工具，人工将桩基础底部的浮土或沉渣清理干净。

1.4  钢筋笼的初步安装、起吊与固定

钢筋笼首先采用隨车吊安放到桩孔中，准确安放就位后，将其固定在安装好的专用的钢筋笼起吊龙门架上，将钢筋笼升高至设计标高的位置后，再将其初步固定在钢筋笼龙门架上。需要强调的是，钢筋笼龙门架在桩基础混凝土浇筑完成且初凝后才能拆除；另外，应避免钢筋笼龙门架的安放位置与后续工序中采用的地脚螺栓固定架的安放位置冲突，钢筋笼龙门架为东西向安放，地脚螺栓固定架为南北向安放。为避免钢筋笼固定在钢筋笼龙门架之后难以摆放地脚螺栓固定架，可在钢筋笼龙门架安装前预先将地脚螺栓固定架及地脚螺栓大致摆放到位。

钢筋笼起吊龙门架及钢筋笼龙门架的样式示意图如图2所示。钢筋笼起吊和固定过程中的现场图如图3所示。

1.5  地脚螺栓的安装、找正、固定和钢筋笼的调整

1.5.1  地脚螺栓固定架的选型与制作

由于要保证长度达148 m的单列槽式集热器同轴旋转，因此对地脚螺栓安装位置的精度要求极高。根据外方专家的设计要求，将此精度要求转化为实际操作时的误差控制标准为：每根桩基础的4个地脚螺栓为1组，每组地脚螺栓组的两条中心线（即南北向及东西向的中心线）与南北向轴线和东西向轴线之间的水平误差应小于等于2.5 mm，相对标高差在0～10 mm之间；每组4个地脚螺栓的重直度误差和中心线水平误差应小于等于2.5 mm，每组地脚螺栓组的中心位置误差应小于等于2.5 mm。若超过此误差范围，地脚螺栓的安装位置需要重新测放。

同一组地脚螺栓组内每个地脚螺栓的相对位置采用专门定制的地脚螺栓固定架进行控制。同一列桩基础的每组地脚螺栓组的两条中心线采用全站仪进行测放，利用桩基础成孔阶段测放的各列的首、尾控制桩，将每个桩基础地脚螺栓组的东西向和南北向的中心线测放在地脚螺栓固定架的十字中心线上，且二者的东西向和南北向的中心线误差都控制在2 mm以内。

地脚螺栓固定架上留出的地脚螺栓孔位置及孔径的精度对工程中地脚螺栓的安装精度和进度至关重要，其是地脚螺栓安装精度控制最核心的工艺。工程前期与外方专家沟通后了解到，国外工程中一般采用高强度铝型材制作地脚螺栓固定架，但造价极高。经过实际试验，本工程的地脚螺栓固定架的上、下两块地脚螺栓固定钢板均采用在加工厂中经过机床精加工的钢板，以本工程采用的槽式集热器作为样本，在固定钢板上打出单个桩基础地脚螺栓组的十字中心线的钢印记，并确保固定钢板上地脚螺栓孔的位置准确，且孔径控制在比地脚螺栓直径大1 mm，4个地脚螺栓孔的间距误差小于等于1 mm。钢板的厚度为6 mm，能保证在地脚螺栓固定架加工和固定过程中不会对固定钢板上的地脚螺栓组十字中心线精度和地脚螺栓孔精度产生影响。

地脚螺栓固定架的主骨架采用壁厚为3 mm、横截面尺寸为80 mm×80 mm的方钢焊接而成，在主骨架与固定钢板上地脚螺栓孔相对应的地方也钻出地脚螺栓孔。为避免固定钢板焊接时变形，固定钢板与主骨架之间采用锚钉进行锚固。

为避免地脚螺栓固定架在固定时产生不均匀沉降且便于其高程的调整和调平，采用套丝圆钢制作该固定架的4个支腿，转动支腿可以调节地脚螺栓固定架的高度；支腿顶部为方头，便于利用工具转动支腿；4个支腿下部插入与圆形地面垫板连成一体的圆管套筒中，以调节地脚螺栓固定架的平整度；穿过支腿的螺栓开孔孔径需比螺栓直径大10 mm，螺栓垫片的内径与螺栓直径相同，外径需比支腿的螺栓开孔孔径大10 mm，用于微调整个地脚螺栓固定架（支腿及圆形地面垫板不动）的平面位置。

1.5.2  地脚螺栓固定架的位置测放、地脚螺栓的安装和钢筋笼的调整

地脚螺栓固定架的位置测放及固定是地脚螺栓安装精度控制工艺中最核心的工艺。此环节的基本工艺流程为：地脚螺栓固定架的位置粗放及高程调整→精调地脚螺栓固定架的中线位置及高程并固定→地脚螺栓的安装与固定。

在钢筋笼龙门架安放好并初步固定好钢筋笼后，安放地脚螺栓固定架。首先用?0.2 mm细钢丝大致拉出桩基础的中心线，然后摆放地脚螺栓固定架，细钢丝放置高度略高于地脚螺栓固定架上表面的高度，并粗调地脚螺栓固定架使其中心线与细钢丝对齐。采用全站仪将1列13个桩基础的地脚螺栓固定架的中心点位置（即每组地脚螺栓组的中心位置）都调整到设计坐标位置；再使用水准仪对地脚螺栓固定架进行水平调整，并将地脚螺栓固定架南北向中心线调整到与该列桩基础南北向中心线完全一致，施工现场如图5、图6所示；最后再利用全站仪调整各地脚螺栓固定架南北向的相对位置，此时地脚螺栓固定架的定位完成。另外，调整完成后需要将整列中心线的细

钢丝分成4段，便于人员和机械在段与段之间行走。

地脚螺栓固定架安放好后，利用水平尺来安放地脚螺栓，并保证地脚螺栓全长的垂直度误差在2 mm以内，使用水准仪控制地脚螺栓顶部的水平标高，如图7所示，并用螺帽固定牢固。

地脚螺栓精确找正完毕后，用两个螺帽将地脚螺栓牢固固定在地脚螺栓固定架上，再利用土袋或钢管固定架对地脚螺栓固定架的两端进行固定，以确保其位置不发生偏移。其中，采用钢管固定架进行固定时，钢管需打入地基土中，但打入过程会扰动周围地基土，进而引起地脚螺栓固定架的位移，因此需要在地脚螺栓固定架位置大致确定后且未调整到位前打入钢管。当地基土承载力较强、压缩性不高时，可采用在地脚螺栓固定架上堆土袋压重的方法对其进行固定。在地脚螺栓安装调整的过程中，由于钢筋笼的顶部钢筋较多，很可能与地脚螺栓的安装位置相冲突，此时应将钢筋笼适当移位。浇筑混凝土前应再次使用全站仪进行位置复核，以避免地脚螺栓安装完成后因各种原因发生位置偏移。

为进一步加快地脚螺栓的安装进度，可增加利用专用的地脚螺栓找正板对地脚螺栓组进行定位的工序。地脚螺栓找正板采用与地脚螺栓固定架顶部固定钢板的规格尺寸完全相同的钢板，在精加工机床上开出1组地脚螺栓孔并打出十字中心线的钢印记。二者唯一的区别在于地脚螺栓孔的尺寸，顶部固定钢板上地脚螺栓孔的孔径比地脚螺栓的直径大1 mm；地脚螺栓找正板上地脚螺栓孔的孔径略小，与地脚螺栓直径相同。

在增加利用地脚螺栓找正板对地脚螺栓组进行定位这道工序后，可适当降低前文所述的地脚螺栓固定架及地脚螺栓的水平位置调整标准。在地脚螺栓顶部标高及水平位置基本调整到位并稍拧紧后，将地脚螺栓找正板套进地脚螺栓顶部但不冒头；再通过代表整列桩基础中心线的细钢丝和全站仪来调整地脚螺栓找正板的中心线，使其与当前地脚螺栓组的设计中心线重合，从而对地脚螺栓的位置进行精确调整；最后再拧紧地脚螺栓固定架上、下的螺帽来固定地脚螺栓。利用专用的地脚螺栓找正板对地脚螺栓组进行定位的现场图如图8所示。如果在地脚螺栓的找正过程中发现仅调整地脚螺栓不能满足找正要求时，需适当移动地脚螺栓固定架，同时复测地脚螺栓固定架的水平度。通过增加利用专用的地脚螺栓找正板对地脚螺栓组进行定位这道工序，可进一步提高地脚螺栓的安装速度。

1.6  桩基础顶部模板的安装

桩基础顶部模板的制作方法为：采用两块半圆模板，沿模板的上、下半圆边沿分别焊接厚度为4 mm、宽度为30 mm的钢板檐口；半圆模板外侧壁上对称分布加劲肋，以提高桩基础顶部模板的整体刚度；半圆模板侧壁对接处采用螺栓对接，螺栓口上、下对称分布，以保证两块半圆模板对接后接缝严密，此时桩基础顶部模板制作完成，其示意图如图9所示。

由于整体工程各桩位处地面高程与设计高程之间的误差一般会超出标准范围，因此建议根据现场实际情况，在制作桩基础顶部模板时将其主高度加高一些，以便于安装。

因桩基础顶部模板是采用两块半圆模板拼接而成，将地脚螺栓固定架安装好后再放入桩基础顶部模板很困难，因此应提前将该模板摆放到位，等地脚螺栓安装固定完毕后，再安装桩基础顶部模板，桩基础顶部模板的中心点与该桩基础地脚螺栓组中心点的误差尽可能控制在5 mm以内。桩基础顶部模板安装完成后，应再对钢筋笼保护层进行调整，使其满足设计要求。

1.7  混凝土的浇筑和养护

本工程使用专用的混凝土放料器进行卸料，既方便移动，又可以提高混凝土的浇筑速度。该放料器出口位置设计有混凝土防溅挡板，可避免混凝土污染地脚螺栓固定架。混凝土放料器的现场照片如图10所示。

在混凝土澆筑过程中，应注意避免混凝土碰触地脚螺栓固定架和地脚螺栓。混凝土浇筑完成后，应及时对桩基础顶部外露的混凝土进行养护，通常采用在外露混凝土上覆盖塑料薄膜的方式，但当气温较低，尤其是在冬季时，还应加盖棉毡、棉被来保温。

1.8  地脚螺栓固定架和桩基础顶部模板的拆除

拆除地脚螺栓固定架时应注意拆除时机，太早拆除容易造成地脚螺栓松动，太晚拆除会导致地脚螺栓固定架的周转率下降；一般在混凝土终凝后即可拆除地脚螺栓固定架，但拆除时应避免硬撬。

桩基础顶部模板应与地脚螺栓固定架同步拆除，且需要把控好模板的拆除时间，桩基础顶部模板太早拆除易导致桩基础出现缺棱掉角的情况；太晚拆除易导致桩基础顶部模板被混凝土凝固住，出现模板拆除困难的情况。

1.9  地脚螺栓的保护

地脚螺栓固定架和桩基础顶部模板拆除后，应继续对桩基础进行保温养护，直到符合混凝土施工相关规范规定的时间，并采用在地脚螺栓外露部分涂抹黄油及添加保护套管的方式来保护地脚螺栓。

1.10  小结

通过前文所述的施工工藝，特别是针对地脚螺栓固定架的制作、安装及地脚螺栓的安装、固定等关键工艺的探索和验证，最终形成了一套成熟的槽式集热器桩基础施工工艺。本工程采用该施工工艺，在施工过程中严格把关，历时5个多月将整个集热场所有槽式集热器的桩基础施工完成，大幅加快了施工进度，满足了工期要求；经过后期槽式集热器的安装验证，所有桩基础地脚螺栓的技术参数均满足槽式集热器的安装和运行要求。同时，与国际上同类工程相比，施工费用大幅降低，特别是地脚螺栓固定架的制作费用仅为国外同类工程中地脚螺栓固定架的1/10。

2  结论

本文以某槽式太阳能热发电站的集热场施工工程为例，在满足工程实践需求的前提下，提出了一套独特的槽式太阳能热发电站中槽式集热器桩基础的施工工艺，并重点研究了专用的地脚螺栓固定架、地脚螺栓的定位、安装及固定。通过实际工程验证，所提出的槽式集热器桩基础施工工艺提高了桩基础地脚螺栓的安装精度，有效控制了地脚螺栓的施工质量，并在大幅加快现场施工进度的基础上满足了工程的施工要求。该槽式集热器桩基础施工工艺开创了国内大规模槽式太阳能热发电站集热场桩基础施工的先河，在国际上也处于领先水平，能广泛应用于其他槽式太阳能热发电站的施工中。

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