基于路网分级规划的输电线路机械化施工技术研究★

蒲劭彤，王 锐，何松洋，李 杰，韩大刚

(1.陕西送变电工程有限公司,陕西 西安 710000;2.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,四川 成都 610000)

0 引言

随着输电线路事业的飞速发展,为了提升施工效率,缩短施工周期,提升施工的本质安全,输电线路的施工方式也在升级变化,逐渐由全人工施工方式升级为机械化施工方式,机械化施工率也逐渐成为了线路工程先进性的一个评价指标,如何提升输电线路工程的机械化率甚至达到全过程机械化已变成了输电线路工程的一个重要课题,部分学者对于机械化施工技术也进行了一定的研究[1-8],但这些机械化施工技术更多的是局限于某个施工工序,或某个施工阶段,未全盘考虑机械化施工的连续性和可行性,进而导致在目前的线路工程中,机械化施工的实际效率不高,施工成本和施工周期优化幅度小,未达到降本增效,缩短施工周期的效果,机械化的意义不够显著。

因此,如何有效地实现输电线路全过程机械化施工,保证机械化施工的连续性和高效性,达到降低施工损耗,降低施工成本、缩短施工周期,便成为了现阶段输电线路机械化施工技术的一大难题和研究重点。

本文从机械化施工的路网分级规划出发,基于临时施工道路的路网体系,贯穿起整个线路的机械化施工工序,从整体上保证机械化施工的连续性和可靠性,进而对输电线路机械化施工的工序展开研究,最终达到实现输电线路全过程机械化施工的目的。

1 机械化施工分级路网规划方法

1.1 分级路网规划

机械化施工最重要的一个因素即交通条件,临时施工道路的路网规划应根据沿线已有道路进行规划,做到能用尽用,尽用优用。

对于平丘地区,可以利用的道路有国道、省道、县道、乡道、村道、机耕道、土路等,这些道路可以作为线路工程机械化施工的运输道路或者起点,成为临时施工道路体系的核心枢纽,逐点散发,最终建立起机械化施工道路的路网体系。

机械化施工分级路网规划主要包括三个层次,具体规划方法如下:

1)明确输电线路材料的初始堆场,在奥维地图上初步确定沿线可以利用的一级已有施工道路,包括高速道路、国道、省道、县道、乡道等承载能力强的已有道路。

2)确定可以作为施工道路起步的入口点,入口点的交通能力强,不易堵塞,若已有道路近似与线路方向平行并行,入口点宜布置在线路的起点、中间、终点,中间入口点根据线路长度均匀布置;若已有道路与线路方向垂直或夹角较大,入口点宜布置在已有道路与线路交点位置。

3)根据已确定的入口点,沿着线路方向确定可利用的二级道路,尽可能满足机械化施工的条件,同时距离塔位最近,包括村道、机耕道、土路等承载能力稍弱的已有道路,作为临时施工道路路网体系的次干道。

4)基于次干道的现有布置情况,规划出三级道路,即临时施工道路,包括道路整形、碎石铺垫、钢板铺垫、棕垫铺垫等修路方式,根据不同的环水保要求,可以选择不同的修路方式,对于地基承载力较强等区域,可以选择道路整形即可;若地基承载力较低,土质较软,可以选择碎石铺垫或钢板铺垫的方式,对于生态比较薄弱,如基本农田等区域,可以选择钢板铺垫、棕垫铺垫等修路方式。

5)三级临时施工道路的修建应按照生态破坏最小、多塔兼用、距离最近的原则进行布置,一般推荐沿着路径走向进行布置,临时施工道路的宽度一般取3.5 m。

1.2 分级路网评价

输电线路的机械化施工路网规划往往有多种方案,因此,对于规划完成的机械化施工分级路网体系,需要进行运输效率和运输经济性的竞争性对比,最终选出效率和经济性最优的路网体系。

1)运输效率。运输效率反映了整个路网体系的机械化运输效率,直接影响了机械化施工的效率,可以根据施工整体运输的耗时进行表征(见式(1),式(2)):

(1)

(2)

其中,T为全线所有塔位一次机械化运输所消化的时间,h;ti为第i个塔位一次机械化运输所消化的时间,h;n为全线塔位的数量;L1i为塔位i一次机械化运输在一级道路上所运行的里程,km;V1i为塔位i一次机械化运输在一级道路上的运输速度,km/h;L2i为塔位i一次机械化运输在二级道路上所运行的里程,km;V2i为塔位i一次机械化运输在二级道路上的运输速度,km/h;L3i为塔位i一次机械化运输在三级道路上所运行的里程,km;V3i为塔位i一次机械化运输在三级道路上的运输速度,km/h;ki为塔位i一次机械化运输的频数,取运输材料量与道路承载力比值的最大值;Qi为塔位i的运输材料量,t;pj为不同道路的运输承载能力,t。

2)运输经济性。运输经济性代表建成整个路网体系的经济投资费用,按照式(3)进行计算:

(3)

其中,C为建立施工道路路网体系的总投资;S1为一级道路的长度,km;c1为一级道路所消耗的单公里费用,万元/km;S2为二级道路的长度,km;c2为二级道路所消耗的单公里费用,万元/km;S3i为第i个塔位三级道路的长度,km;c3i为第i个塔位三级道路所消耗的单公里费用,万元/km。

3)分级路网竞争性评价。竞争性评价主要是综合评价多个路网方案的优劣性,需要综合考虑运输效率和运输经济的影响,单个路网方案的竞争性指数按照式(4)计算:

η=α·T+β·S

(4)

其中,η为路网规划方案的竞争性指数;α为路网规划运输效率的影响系数,建议取0.35/h～0.45/h;β为路网规划运输经济性的影响系数,建议取0.55/万元～0.65/万元;对于工期十分紧张的工程,也可以调整α和β的取值。

当η达到最低时,机械化施工所规划的路网方案是最优的。

在路网最优规划的基础上,为了实现输电线路全过程机械化,需要展开输电线路基础施工、铁塔组立、接地、架线和环水保机械化施工技术研究。

2 基础施工机械化设计

平丘地区机械化施工基础设计总体原则为:设计与施工装备紧密地结合,不能脱离现有设备的施工能力进行基础型式的设计。

2.1 不同基础型式的机械化施工要求

1)挖孔基础和灌注桩基础。桩基础机械化施工的具体要求包括孔径与深度要求、扩底要求。a.孔径及埋深:考虑旋挖钻机施工时,最大设计孔径为2.4 m,最小孔径为0.6 m,级差为0.2 m,以降低施工单位设备投入。最大埋深为25 m,该最大埋深是考虑钻机钻进功率确定的,其影响因素主要为孔径大小。b.扩底要求:新型研发旋挖钻机最大扩底直径为孔径的两倍,对非岩体及饱和单轴抗压强度超过30 MPa的岩体,不扩底。

2)大板基础。a.对柔性大板基础,当基础埋深取3.0 m～4.9 m,基础底板应取1.6倍～2.2倍埋深,可取得较佳的经济效益且方便机械化施工。b.柔性大板基础还需要恰当地选择台阶尺寸,以满足冲切要求,以达到优化设计的目的。

2.2 基础机械化施工设备

1)挖孔基础成孔机械设备。旋挖钻机能实现基础自动取土、自动扩底等功能,克服了机械洛阳铲的缺点,配合不同钻具,适应于干式(短螺旋),或湿式(回转斗)及岩层(岩心钻)的成孔作业,旋挖钻机具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活,施工效率高及多功能特点。旋挖钻机的额定功率一般为125 kW～450 kW,动力输出扭矩为120 kN·m～470 kN·m,最大成孔直径可达1.5 m～4 m,最大成孔深度为60 m～120 m,可以满足各类大型基础施工的要求。

旋挖钻机施工过程简图见图1。

2)灌注桩基础开挖机械设备。灌注桩是指通过钻、冲、挖或沉入套管至设计标高后,并在孔中浇筑混凝土(或先在孔中吊放钢筋笼)而成的桩。

钻孔机多以履带式挖掘机(或起重机)的底盘为底架,其上设置龙门导杆,作为钻凿工具的支承,并引导钻孔方向。钻孔机按成孔方法,分螺旋式、冲击(抓)式、潜水式和振动式四种,前三者属取土成孔,后一种属挤土成孔,还有综合上述多种方法的综合钻孔机。工程中典型钻机见图2。

3)大开挖基础机械设备。斜柱基础、金属装配式基础、柔性大板基础均属于大开挖基础。架空输电线路基础施工过程中土方开挖含道路修筑、基坑开挖、排水沟开挖等,尤以板柱式基础开挖土方大,主要采用挖掘机。常见挖掘机外形如图3所示。

2.3 机械化施工的基础型式选择

对于平丘地区,可按照如下原则进行机械化基础型式推荐:

1)大开挖基础:柔性大板基础,分为现浇和装配式,主要适用于平地原状土基础难以实现地段,为减少基面的开挖以充分利用原状土优势,山地一般不采用该基础型式。

2)灌注桩基础:主要适用于有地下水的平原,目前施工机械化程度高,施工装备类型较多。

3)挖孔基础:主要适用于无地下水山区地区。

3 铁塔组立机械化设计

机械化铁塔的组立要严格按照铁塔的高度、外形、根开大小等实际情况进行,可以采用整体起立或是分解组立、倒装法等方法。对于塔位地形条件较好,铁塔可采用普通抱杆或大型流动式起重机进行组塔;特殊地形或有特殊要求的情况下,可采用直升机组塔。

工程中常见的机械化组塔方式如表1所示。

表1 工程中典型组塔方式一览表

4 架线机械化设计

机械化张力架线施工所使用的主要机械设备有张力机、牵引机和导线线轴支架等。

施工放线前,综合考虑现场实际情况,选择合适的架线设备和施工场地,应提供完整有效的架线施工技术文件。当跨越电力线、弱电线路、铁路、公路、索道及通航河流时,应提供完整可靠的跨越施工技术方案。牵张场地应选择在地势平坦的区域,且应满足牵引机、张力机能直接运达到位的要求,并兼顾牵张设备、导线布置以及施工的操作要求。

5 机械化施工水保措施

水保设计应当把水土保持工程措施、植物措施、临时措施有机结合起来。对于工程永久性占地区,因该区施工原因,地表扰动相对剧烈,水土流失防治需以工程措施为主,裸露地表部分必要时辅以植物措施;而工程临时性占地区主要为塔基施工场地、牵张场、跨越施工场地、施工道路、接地极电极电缆区等,对该区的水土流失防治主要以工程措施、植物措施以及临时措施为主。

6 结合路网分级规划的机械化施工方案分析

结合某750 kV线路工程,处于平原地带选择其中40基塔位进行机械化施工方案分析,有部分区段存在耕地,需要考虑钢板铺设,线路路径与主要干道几乎呈垂直关系,可以把线路与道路相交点作为机械化路网规划的起始点,展开路网规划,假定材料堆场离起始点之间的一级道路长度为5 km,根据路网规划得到沿线塔位到起始点间的一级道路长度在0.2 km～10.5 km区间,二级道路在1 km～2 km区间,由于一级和二级道路是利用已有道路,其方案比较唯一,所以本文主要对比三级道路不同规划下的路网竞争性系数差异,结合现场地形地质条件规划了如下路网图,见图4,路网规划包括两种方案,见表2。

表2 两种路网规划方案对比

根据现场调研,不同级别道路的性能见表3。

表3 不同道路的性能参数

取α=0.4/h,β=0.6/万元,结合式(1)—式(4)计算得到两种方案的运输时间、建设费用和竞争性系数见表4。

表4 路网规划方案对比

可以看出,方案一的运输时间虽然较方案二减少了约40%,但是其碎石铺垫较道路整形的费用增加了约3倍,投资费用增加明显,最终其路网竞争系数较方案二大,所以推荐采用方案一的路网方案,同时还可以保证水保措施的恢复,这与工程实践是相吻合的。

7 结论

本文从线路工程的路网规划出发,提出了输电线路工程路网分级规划的具体方法和评价方法,使得输电线路全过程机械化施工的连续性和有效性得到了充分的保证,然后基于分级规划的路网规划基础,展开了输电线路全过程机械化施工的研究,对其基础施工、铁塔组立施工、架线施工和水保措施等方面的机械化技术研究,推荐了各个工序相应的机械化施工方法,同时结合工程实践展开了路网规划方案的对比分析,推荐了最优方案,可以指导工程实践,切实提高了机械化施工方法的机械化效率,同时保证了机械化施工的经济性和环保性,提升了输电线路施工的本质安全,推动了输电线路全过程机械化施工技术的发展。