输电线路全过程机械化施工关键技术应用研究

张 强，汪楚清

(1.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001；2.宁夏回族自治区电力设计院有限公司，宁夏 银川 750004)

0 引言

国网基建部自2013年以来就已组织全过程机械化施工技术体系的建设工作，目前已形成设计技术[1]、施工技术、装备体系[2]、工程管理等技术成果，其对线路工程机械化施工的全面开展奠定了基础。目前南方地区的输电线路施工已基本实现100%的机械化应用率，但由于实际工程个体的差异性，就如何提升机械化利用率，并发掘机械化施工的最大经济效益，是各技术人员探讨的热点问题，我国学者如汤程等[3]针对江西电网的机械化施工展开了深化应用研究，陈路等[4]针对山区机械化施工困难提出应对措施，王远等[5]提出了适合河网泥沼地区的输电线路机械化施工设计方案，秦庆芝等[6]采用新开发的旋挖钻机专用设备进行掏挖基础的成孔试点作业，并对其综合效益进行了分析，马龙等[7]提出杆塔和装备一体化设计，有效提升了组塔机械化作业的效率，贾维坤[8]、齐兴斌等[9]简要论述了三维技术在指导施工、精准控制施工进度及费用方面取得了良好的效果。

宁夏境内有较为广泛分布的冲积平原和黄土地貌，而输电线路通道绝大多数集中在海拔1 000 m～1 200 m，高差并不大，从地形地貌和地质条件来看，非常有利于机械化作业的开展。与其他省份相比，宁夏地区输电线路机械化施工起步较晚，技术水平差距较大，可以总结为几点：1)设计单位对机械化施工理解不透彻，设计方案与施工衔接性差；2)施工单位对装备性能认识不足，缺乏工法创新；3)机械化施工取费标准不明确；4)三维数字化技术在辅助施工方面应用不足。设计是龙头，只有在前期的设计方案中对全过程机械化施工外部环境进行充分论证，才能为机械的顺利应用创造有利条件。为落实国网宁夏电力公司关于进一步加强推进输电线路工程机械化施工的要求，本文着重对全过程机械化施工中的关键设计技术展开研究。

1 全过程机械化施工的主要设计原则

设计应根据具体塔位的交通、地形地质条件、协议签订和经济性等因素，因地制宜采用全过程机械化施工。一般而言，机械化施工应遵循以下几个原则：

1)交通条件好、小运距离小于300 m的塔位建议通过修筑临时道路，采用全过程机械化施工。

2)不宜修临时道路的生态敏感区或小运距离大于300 m交通条件较差的地区建议采用索道运输方式，采用人工为主、机械为辅施工。

3)为了充分发挥机械化施工的优势，应保证机械化施工的连续性，减少机械转场次数。一般来说，至少相邻的4-5基塔基础能连续采用机械化施工，同一区段内的基础类型尽可能相同。

2 基础设计关键技术

基础施工工期在整个线路工程中约占50%，因此基础的选型和优化设计显得尤为重要。机械化施工基础设计总体原则为：设计与施工装备紧密结合，不能脱离现有设备的施工能力。为配合机械化施工，除了优先采用原状土基础外，还应重点解决几个问题：

1)地勘资料的准确性；2)基础方案与机械装备性能的匹配；3)满足环境保护要求。

2.1 岩石基础

岩石基础主要有岩石嵌固和岩石锚杆两大类，可采用旋挖钻机、锚杆专用钻机和液压回转锚杆钻机。设计人员需充分调研各类岩石基础的特点和适用范围，基于机械化设备性能选择合适的基础类型。对于岩石嵌固基础，主要考察埋深与孔径的比值、基础锥度或扩大头尺寸对其承载力的影响。对于岩石锚杆基础，主要研究锚杆直径、锚杆长度及数量、锚孔间距等参数对其承载力的影响。两类基础均对地质的勘测深度提出了较高的要求，如等代极限剪切参数的确定，岩石的完整性及风化程度。

已有的研究成果[10]表明，当岩石基础的孔径由1增加到1.8，基础混凝土耗量增幅为28%，但基础承载力提升10%；当基础埋深增加到2倍，基础混凝土耗量增幅为100%，但承载力提高2倍。因此，综合考虑机械化程度、施工的安全性和经济性，建议优先加大基础埋深来提升岩石基础的承载力。在设计过程中，代极限剪切参数是关键的设计参数，其取值的合理性直接关系到基础的安全性和经济性，而规范[11]给出的参考取值范围较大，为解决其精确取值问题，应结合场地荷载试验而定。

2.2 灌注桩基础

灌注桩的施工机械种类较多，不同类型的成孔作业方式除对桩基承载力有影响，由于灌注桩在成孔过程中存在泥浆排放的问题，不能忽略其对周围环境的影响。因此灌注桩的施工应重点关注不同设备的成孔能力、桩基承载力和经济性，还需其对环境的影响。

在成孔技术方面，主要有正循环泥浆护壁、反循环泥浆护壁、无循环泥浆护壁和套管护壁法。前两者设备便宜，但泥浆量多污染大；后两者设备昂贵，无泥浆或少泥浆污染。各类机械设备护壁技术经济比较见表1，可以看出应优先选用综合性能较好的旋挖钻机进行成孔作业。

表1 护壁技术经济比较

在灌注桩基础承载力方面，应对二次清孔质量和桩底沉渣厚度进行严格控制。对于摩擦桩，桩底成渣厚度不应大于100 mm；对于端承桩，桩底成渣厚度不应大于50 mm。对于等直径的灌注桩，深径比越大，经济性最优，应优先减小桩径，增大埋深来解决。对于扩底桩，考虑到扩底尺寸太大会引起塌孔，一般推荐扩底直径不大于1.5倍桩径。

2.3 装配式基础

装配式基础可应用于绝大部分无地下水的地基中，尤其在交通不便、水源匮乏的沙漠地区的经济性最好(见图1)。由于其各部件均在工厂提前预制，质量更容易得到保障，模块化的组装减少了现场的工作量，方便现场标准化管理。相对传统现浇式的开挖基础，单个装配式基础可节约造价约12%，且大幅提升施工效率和降低施工作业强度。而装配式基础主要存在的问题是设计难度大，理论体系尚不完善，上部荷载较大时的基础构件尺寸和重量较大，不方便施工。

因此，其主要设计原则需遵循：1)能满足上部铁塔结构正常使用要求，不影响其安全稳定性运行；2)预制构件型式和连接方式力求简洁，方便易于加工和安装；3)优先选用强度高的轻质材料，并满足预制构件在运输和吊装过程中不易变形；4)预制构件应具备良好的耐久性，确保基础的使用寿命与整体线路相协调；5)在满足基础承载力的条件下，优化减少混凝土和钢构件的耗材量，减少土石方工程量，从而降低工程造价。

2.4 挖孔类基础

挖孔类基础作为原状土基础，具有承载力高、变形小的特点，相对开挖基础，不需支模及基坑回填，对环境影响小，适应性较好。挖孔类基础适用于无地下水的黏性土、粉土地基以及中等风化岩石地基。考虑旋挖钻机的基本性能，挖孔类基础的立柱建议设计为直径0.6 m～2.0 m，级差0.2 m。

挖孔类基础的扩底型式对基础的承载力影响很大，扩大头是基础应用的关键问题，设计时建议采用如图2所示的型式，尽量采用“小直径大埋深”的设计思路。扩底时，扩底建议扩底尺寸从主柱边缘向外不超过0.5倍主柱直径，对于湿陷性黄土地区扩底尺寸应适当减小。对于山地要注意基础的保护范围，基础的计算保护距离(计算埋深及计算外露高度的起算点距桩心距离)取2.5倍桩径(d为主柱直径)，扩底时同时应满足不小于1.5D(D为扩大头直径)的要求。旋挖钻机如图3所示。

对于扩底部分需采用专用扩底钻头，根据切削头不同可分为钎头扩底钻头、截齿扩底钻头、滚刀扩底钻头以及牙轮扩底钻头(见图4)。钎头扩底钻头一般用于土层扩底钻进，截齿扩底钻头一般用于软岩及强风化岩石地层，牙轮和滚刀主要用于中硬岩、硬岩地层的扩底施工。

3 铁塔设计关键技术

对于地势平坦的丘陵、平地一般采用轮式或履带式起重机吊车立塔；对于陡峭山区、运输不便，作业场地受限地区一般采用抱杆组塔吊装组塔。为满足机械化施工的要求，杆塔设计需采取合理的杆塔结构和构造优化设计措施。

3.1 主要设计方案

杆塔结构设计在保证杆塔强度、刚度和稳定性的前提下，应结合组塔设备、运输条件、吊装实施技术方案等，力求杆塔结构受力合理，型式简单，优化设计降低塔重，减少材料规格和品种，降低制造、运输、安装和维护的工作量，并注重全寿命周期内的功能和环境相协调。

根据组塔方式与运输条件的不同，常用的杆塔设计方案见表2。

表2 杆塔设计方案

3.2 设计优化措施

结合采用的组塔设备，依据选定的设备特性参数和吊装能力、施工机具吊装实施技术方案等，细化杆塔结构的设计分段、控制单个构件重量、设置辅助施工孔，具体构造要求和辅助施工孔设置措施如下：

1)严格控制构件的长度和重量。

为方便运输和起吊，如肢宽为100 mm及以下的角钢长度一般不宜超过9 m，最大为12 m;单个构件重量一般不宜超过1.5 t,对于存在高低腿的山地塔可控制在3 t以内。

2)施工孔的设置。

对于直线塔，施工孔在地线支架前后侧、挂线角钢端头、导线横担端部、导线横担根部、猫头或酒杯塔的“K”节点曲臂处、“V”串两端部挂线点前后侧、“V”串正上方的杆塔横担前后侧等位置布置施工孔。

对于耐张塔，导、地线挂点附近需设置锚线、紧线作业时的施工孔，并在耐张塔横担下平面主材与塔身正面连接板上布置施工孔。

踏脚板靴板上设置用于施工拉线导向滑轮等临时固定用的施工孔。上述施工孔，必要时应注明安装孔的用途、受力限值和使用原则。

4 全过程机械化施工成效分析

以某750 kV线路工程为例，该工程地质、地形地貌、交通条件非常适宜开展全过程机械化施工。通过合理计列该工程临时道路修筑费用、特种施工机械租赁(操作)费用、施工机械进转场等特殊费用，对比机械化施工与常规方式下经济性的差异，结果表明采用机械化施工给工程带来的综合效益十分明显(见表3～表5及图5)，主要体现在三方面：1)施工效率提升，人工投入减少；2)有效降低安全风险，主要是基础工程；3)节约工程综合造价。

表3 常规施工方案与机械化施工方案技术对比表

表4 施工效率和人工投入对比分析 %

表5 风险比较

5 结论及展望

输电线路全过程机械化施工技术涉及到设计、施工、装备制造、工程管理等多个专业，系统性和专业性较强，需要各个部门和专业相互紧密配合去完成，需专业化的设计、施工工法的创新、新型装备的研发和精益化的管控。全过程机械化施工技术能否达到最优效果，设计方案是关键，需做好提前设计、提前规划，提前与施工单位配合，同时也对建管单位和评审单位的综合管理水平提出了更高的要求。需要指出的是，并不是所有的线路工程都适合机械化施工，前期应对机械化施工方案的可行性进行论证，因地制宜采用。