馬 寧,林 峰,江 雷,狄錫穎,李 欣,張恒武,宋青杰,李欣偉

(1.北京三一智造科技有限公司,北京 102202;2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司,湖南 長沙 410004)

0 引 言

“十四五”電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展規(guī)劃強(qiáng)調(diào),要加速建設(shè)特高壓骨干輸電網(wǎng)絡(luò),輸電線路工程仍有較大發(fā)展前景。傳統(tǒng)電力線路工程中的桿塔樁基礎(chǔ)施工一直依靠人工挖孔作業(yè),施工速度慢、安全風(fēng)險(xiǎn)高[1],因此對輸電線路基礎(chǔ)施工機(jī)械化的要求日益迫切。近年來,得益于電廠、變電站樁基工程中旋挖鉆機(jī)的高效施工[2-3],國內(nèi)研究人員開始重視旋挖鉆機(jī)在電力線路樁基礎(chǔ)機(jī)械化施工中的應(yīng)用前景研究[4-5],尤其是DR125T型掏挖鉆機(jī)、電建鉆機(jī)等機(jī)械設(shè)備在輸電線路基礎(chǔ)施工中取得了良好應(yīng)用效果[6-9]。但針對山區(qū)地形復(fù)雜、硬巖地層較多等情況,上述機(jī)械設(shè)備存在整機(jī)重量大、運(yùn)輸不便、巖層施工效率低等問題。

針對山區(qū)條件下輸電線路基礎(chǔ)的機(jī)械化施工難題,下面以設(shè)備重量輕、模塊化拆裝、入巖能力強(qiáng)為目標(biāo),結(jié)合巖石破碎裝置開發(fā)、施工工藝研究等手段,研制出了新型山地模塊化微型樁鉆機(jī),并在實(shí)際工程中取得了一定的施工效果。

1 輸電線路基礎(chǔ)工程發(fā)展趨勢及機(jī)械化施工現(xiàn)狀

1.1 輸電線路基礎(chǔ)工程發(fā)展趨勢

輸電線路工程樁基礎(chǔ)施工受地形、地質(zhì)和施工設(shè)備等條件的影響較大。在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式方面,輸電線路工程樁基礎(chǔ)在“微型樁、群樁”[10-11]、樁型優(yōu)化[12]方面研究成果較多;在施工工藝方面,以巖石基礎(chǔ)施工工藝、施工方案優(yōu)化[13]、樁身質(zhì)量監(jiān)測及控制[14-15]研究為主;機(jī)械化施工方面,以小型施工機(jī)械和輔助設(shè)備研發(fā)[16-17]為主,比如用水鉆成孔方法在輸電線路中巖石基礎(chǔ)的應(yīng)用、振動(dòng)錘和全護(hù)筒在部分易坍塌地層中的施工應(yīng)用等。而山區(qū)輸電線路工程樁基礎(chǔ)因在山腰或山頂施工,施工過程面臨設(shè)備運(yùn)輸成本高、施工效率低、施工能力弱等諸多不利因素影響;因此樁型設(shè)計(jì)向“小樁、群樁”方向優(yōu)化,在設(shè)備和工藝方面,小型、模塊化施工設(shè)備研發(fā)[16]和硬巖施工工藝創(chuàng)新是國內(nèi)設(shè)備廠家和電力工程施工公司的研究方向。

1.2 輸電線路基礎(chǔ)工程機(jī)械化施工現(xiàn)狀

2008年,國家電網(wǎng)直流建設(shè)分公司與北京送變電公司聯(lián)合研制了DR125T型掏挖鉆機(jī)[6],并在±800 kV向上直流特高壓工程中投入應(yīng)用,應(yīng)用效果良好,體現(xiàn)了非常高的施工效率和安全性。但是該鉆機(jī)僅在直徑1.5 m以上的掏挖基礎(chǔ)上應(yīng)用時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較好,且存在自重較大、現(xiàn)場移運(yùn)困難、臨時(shí)占地量大等缺點(diǎn)。

2014年,國網(wǎng)冀北電力有限公司研究出輕型化、組合式的掏挖基礎(chǔ)開挖設(shè)備[7],適用于1000 mm及以下直徑、人工掏挖難以實(shí)現(xiàn)、大型設(shè)備無法通行或距離交通道路較遠(yuǎn)地區(qū)的線路工程樁基礎(chǔ)施工。該鉆機(jī)主結(jié)構(gòu)采用組合式、外設(shè)動(dòng)力及操控裝置;單件質(zhì)量小于300 kg,便于組裝及拆卸;并考慮基礎(chǔ)節(jié)能的設(shè)計(jì),掏挖鉆機(jī)的最大鉆孔直徑為1000 mm,最大鉆孔深度為8.5 m。該鉆機(jī)提高了掏挖基礎(chǔ)施工效率,降低了施工成本,保證了施工質(zhì)量及安全性;但設(shè)備掏挖深度小,難以滿足施工需求。

2021年,國網(wǎng)湖南省電力有限公司與泰信機(jī)械聯(lián)合研制生產(chǎn)了電建樁機(jī)專用設(shè)備KR50D[9],適應(yīng)于電力桿塔樁基礎(chǔ)施工。該設(shè)備具備整機(jī)質(zhì)量輕、整體運(yùn)輸、爬坡能力強(qiáng)、重心低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn),且下車履帶可伸縮,方便窄路通過;采用組合鉆入巖、加強(qiáng)型結(jié)構(gòu),取得了較好的效果。但該設(shè)備僅滿足平地、丘陵、部分山地地形施工,整機(jī)未進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),無法進(jìn)行高山施工情況下的索道運(yùn)輸,且硬巖地層施工能力十分有限。

2 山地模塊化微型樁鉆機(jī)

所研制的模塊化微型樁鉆機(jī)重量輕且具有硬巖破碎能力,能夠滿足高山地區(qū)輸電線路工程所面臨的索道運(yùn)輸、破碎硬巖工況,對高山地區(qū)輸電線路工程機(jī)械化施工意義重大。

2.1 設(shè)備組成及參數(shù)

山地模塊化微型樁鉆機(jī)整機(jī)由五大模塊組成,如圖1所示,分別為桅桿動(dòng)力、鉆桿、駕駛室、底盤、配重,且各部分質(zhì)量均低于2 t,滿足山區(qū)電力施工中型索道的運(yùn)輸能力。采用的三一重機(jī)事業(yè)部技術(shù)成熟的挖掘機(jī)底盤,重心低、穩(wěn)定性高;各模塊之間多采用銷軸式連接,便于拆分和裝配。

表1 山地微型樁鉆機(jī)與其他鉆機(jī)性能對比

圖1 山地模塊化微型鉆機(jī)結(jié)構(gòu)組成

設(shè)備施工時(shí),底盤、駕駛室、配重和桅桿動(dòng)力模塊始終固定連接,鉆桿模塊、鉆具和破碎錘裝置則根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)行選擇。在土層中施工,選擇鉆桿模塊和鉆具;在硬巖地層施工,則需要切換至硬巖破碎錘裝置。

山區(qū)索道運(yùn)輸在輸電線路建設(shè)中應(yīng)用廣泛。山地模塊化微型鉆機(jī)利用索道機(jī)構(gòu),通過門架葫蘆實(shí)現(xiàn)快速拆卸和安裝。山地模塊化微型鉆機(jī)整機(jī)質(zhì)量為6.88 t,各模塊質(zhì)量低于2 t,整機(jī)尺寸為3700 mm×1720 mm×2800 mm(長×寬×高),最大爬坡角度為25°,能夠在不碾壓破壞山區(qū)道路的情形下行駛轉(zhuǎn)場。山地模塊化微型鉆機(jī)拆裝過程如圖2所示。首先,當(dāng)運(yùn)輸或自行行駛至山腳時(shí),利用汽車吊進(jìn)行拆分;然后,利用中、重型索道,按照底盤、駕駛室、桅桿動(dòng)力等模塊運(yùn)輸順序,運(yùn)輸至山頂或山腰;最后,依托索道門架葫蘆的升降,實(shí)現(xiàn)快速的拼裝和拆卸。

圖2 山地模塊化微型鉆機(jī)拆裝示意

受鉆機(jī)尺寸的影響,山地模塊化微型樁鉆機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、主泵、主閥部件集成在駕駛室模塊中,行走馬達(dá)和回轉(zhuǎn)馬達(dá)集成在底盤模塊中,其整機(jī)工作狀態(tài)最大高度為3880 mm,回轉(zhuǎn)半徑為2000 mm,最大爬坡角度為25°,其他技術(shù)參數(shù)如表2所示。經(jīng)過土層施工測試,該鉆機(jī)可以滿足山區(qū)常規(guī)土層施工的性能要求。

表2 山地模塊化微型鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)表

2.2 硬巖破碎錘裝置和施工工藝

硬巖施工效率低是山區(qū)輸電線路樁基礎(chǔ)的施工痛點(diǎn),山地模塊化微型鉆機(jī)結(jié)合沖擊碎巖裝置原理,設(shè)計(jì)了破碎錘掛載裝置,當(dāng)土層施工過渡為巖層施工時(shí),模塊化微型鉆機(jī)通過門架葫蘆,拆卸鉆桿模塊和鉆具,快速切換為破碎錘裝置。破碎錘裝置由過渡法蘭、對接法蘭、送氣回轉(zhuǎn)器、鉆桿、沖擊器、潛孔錘、空壓機(jī)等組成,如圖3所示。

圖3 山地模塊化微型鉆機(jī)硬巖破碎錘裝置

根據(jù)實(shí)際施工需求,結(jié)合鉆機(jī)性能參數(shù)、破碎錘參數(shù),在樁徑600 mm的樁孔中論證了梅花孔分布形式、直徑、孔距,及其對600 mm直徑的牙輪筒鉆環(huán)切效率等影響。山地模塊化微型鉆機(jī)硬巖地層施工工藝如圖4所示。對150 mm梅花孔、200 mm梅花孔、305 mm單孔對比分析,如表3所示?？紤]到梅花孔施工易發(fā)生串孔且定位難,最終選擇305 mm破碎錘單孔施工,施工工藝如下:

表3 600 mm樁徑3種梅花孔施工方案的關(guān)鍵參數(shù)對比

圖4 山地模塊化微型鉆機(jī)硬巖地層施工工藝

1)在600 mm樁孔中,先使用305 mm破碎錘施工,配合空壓機(jī)清渣,形成中心孔。

2)利用牙輪筒鉆進(jìn)行環(huán)切破碎。 前述305 mm破碎錘施工后,一方面在成孔時(shí)將對孔周巖石形成微小裂隙破壞,有利于600 mm壓裂筒鉆施工時(shí)破碎巖石;另一方面,除去牙輪環(huán)切槽寬度,僅剩余30 mm的環(huán)狀區(qū)域,總體上更有利于600 mm牙輪筒鉆進(jìn)行施工,提高施工效率。

3 山地模塊化鉆機(jī)工程應(yīng)用

所研發(fā)的山地模塊化微型樁鉆機(jī)已完成土層中的現(xiàn)場測試,并在試驗(yàn)場地完成了硬巖施工測試。

2022年1月,山地模塊化微型樁鉆機(jī)在湖南省婁底市新化縣完成了土層中的施工驗(yàn)證,現(xiàn)場照片如圖5所示。該處地層0～4 m為殘積土,4 m以下為中風(fēng)化巖石。在殘積土、全風(fēng)化地層中,樁徑600 mm情況下,山地模塊化鉆機(jī)利用體開斗施工,成孔時(shí)間32 min。機(jī)器組裝快速、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、施工順利;成孔質(zhì)量好,無斜孔。相較文獻(xiàn)[9]中土層人工掏挖成孔約1.5～2.0 m/h的速度,山地模塊化鉆機(jī)不僅降低了施工風(fēng)險(xiǎn),而且極大地提高了施工效率,取得了較好效果。針對破碎錘裝置的測試,試驗(yàn)過程中采用試驗(yàn)臺固定的形式,對抗壓強(qiáng)度為20～30 MPa的紅砂巖,選擇305 mm成孔直徑進(jìn)行施工,綜合鉆進(jìn)速度約1.2 m/h。

圖5 山地模塊化微型鉆機(jī)現(xiàn)場驗(yàn)證

4 結(jié) 論

所研發(fā)的山地模塊化微型鉆機(jī)以其模塊化運(yùn)輸、重量輕、施工靈活等特點(diǎn),符合山區(qū)地形中輸電線路工程的機(jī)械化施工需求,尤其是土層驗(yàn)證中取得了較好的效果。在下一步的研發(fā)和施工驗(yàn)證中,應(yīng)更注重瓶頸問題的解決,比如硬巖施工效率低;還需要在鉆機(jī)性能、破碎錘參數(shù)、地質(zhì)抗壓強(qiáng)度三者之中找到平衡點(diǎn)。隨著模塊化微型鉆機(jī)破碎錘的不斷開發(fā)、測試和應(yīng)用,山地模塊化微型鉆機(jī)將以適用范圍更廣、施工能力更強(qiáng)的優(yōu)勢,進(jìn)一步提高山區(qū)輸電線路工程的機(jī)械化程度。