模塊化微型樁鉆機的研制及工程應用

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.國網湖南省電力有限公司,湖南 長沙 410004)

0 引 言

“十四五”電網建設與發展規劃強調,要加速建設特高壓骨干輸電網絡,輸電線路工程仍有較大發展前景。傳統電力線路工程中的桿塔樁基礎施工一直依靠人工挖孔作業,施工速度慢、安全風險高[1],因此對輸電線路基礎施工機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的高效施工[2-3],國內研究人員開始重視旋挖鉆機在電力線路樁基礎機械化施工中的應用前景研究[4-5],尤其是DR125T型掏挖鉆機、電建鉆機等機械設備在輸電線路基礎施工中取得了良好應用效果[6-9]。但針對山區地形復雜、硬巖地層較多等情況,上述機械設備存在整機重量大、運輸不便、巖層施工效率低等問題。

針對山區條件下輸電線路基礎的機械化施工難題,下面以設備重量輕、模塊化拆裝、入巖能力強為目標,結合巖石破碎裝置開發、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,并在實際工程中取得了一定的施工效果。

1 輸電線路基礎工程發展趨勢及機械化施工現狀

1.1 輸電線路基礎工程發展趨勢

輸電線路工程樁基礎施工受地形、地質和施工設備等條件的影響較大。在樁基礎設計形式方面,輸電線路工程樁基礎在“微型樁、群樁”[10-11]、樁型優化[12]方面研究成果較多;在施工工藝方面,以巖石基礎施工工藝、施工方案優化[13]、樁身質量監測及控制[14-15]研究為主;機械化施工方面,以小型施工機械和輔助設備研發[16-17]為主,比如用水鉆成孔方法在輸電線路中巖石基礎的應用、振動錘和全護筒在部分易坍塌地層中的施工應用等。而山區輸電線路工程樁基礎因在山腰或山頂施工,施工過程面臨設備運輸成本高、施工效率低、施工能力弱等諸多不利因素影響;因此樁型設計向“小樁、群樁”方向優化,在設備和工藝方面,小型、模塊化施工設備研發[16]和硬巖施工工藝創新是國內設備廠家和電力工程施工公司的研究方向。

1.2 輸電線路基礎工程機械化施工現狀

2008年,國家電網直流建設分公司與北京送變電公司聯合研制了DR125T型掏挖鉆機[6],并在±800 kV向上直流特高壓工程中投入應用,應用效果良好,體現了非常高的施工效率和安全性。但是該鉆機僅在直徑1.5 m以上的掏挖基礎上應用時技術經濟性比較好,且存在自重較大、現場移運困難、臨時占地量大等缺點。

2014年,國網冀北電力有限公司研究出輕型化、組合式的掏挖基礎開挖設備[7],適用于1000 mm及以下直徑、人工掏挖難以實現、大型設備無法通行或距離交通道路較遠地區的線路工程樁基礎施工。該鉆機主結構采用組合式、外設動力及操控裝置;單件質量小于300 kg,便于組裝及拆卸;并考慮基礎節能的設計,掏挖鉆機的最大鉆孔直徑為1000 mm,最大鉆孔深度為8.5 m。該鉆機提高了掏挖基礎施工效率,降低了施工成本,保證了施工質量及安全性;但設備掏挖深度小,難以滿足施工需求。

2021年,國網湖南省電力有限公司與泰信機械聯合研制生產了電建樁機專用設備KR50D[9],適應于電力桿塔樁基礎施工。該設備具備整機質量輕、整體運輸、爬坡能力強、重心低、穩定性高等特點,且下車履帶可伸縮,方便窄路通過;采用組合鉆入巖、加強型結構,取得了較好的效果。但該設備僅滿足平地、丘陵、部分山地地形施工,整機未進行模塊化設計,無法進行高山施工情況下的索道運輸,且硬巖地層施工能力十分有限。

2 山地模塊化微型樁鉆機

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

2.1 設備組成及參數

山地模塊化微型樁鉆機整機由五大模塊組成,如圖1所示,分別為桅桿動力、鉆桿、駕駛室、底盤、配重,且各部分質量均低于2 t,滿足山區電力施工中型索道的運輸能力。采用的三一重機事業部技術成熟的挖掘機底盤,重心低、穩定性高;各模塊之間多采用銷軸式連接,便于拆分和裝配。

表1 山地微型樁鉆機與其他鉆機性能對比

圖1 山地模塊化微型鉆機結構組成

設備施工時,底盤、駕駛室、配重和桅桿動力模塊始終固定連接,鉆桿模塊、鉆具和破碎錘裝置則根據實際施工進行選擇。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。

山區索道運輸在輸電線路建設中應用廣泛。山地模塊化微型鉆機利用索道機構,通過門架葫蘆實現快速拆卸和安裝。山地模塊化微型鉆機整機質量為6.88 t,各模塊質量低于2 t,整機尺寸為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道路的情形下行駛轉場。山地模塊化微型鉆機拆裝過程如圖2所示。首先,當運輸或自行行駛至山腳時,利用汽車吊進行拆分;然后,利用中、重型索道,按照底盤、駕駛室、桅桿動力等模塊運輸順序,運輸至山頂或山腰;最后,依托索道門架葫蘆的升降,實現快速的拼裝和拆卸。

圖2 山地模塊化微型鉆機拆裝示意

受鉆機尺寸的影響,山地模塊化微型樁鉆機的發動機、主泵、主閥部件集成在駕駛室模塊中,行走馬達和回轉馬達集成在底盤模塊中,其整機工作狀態最大高度為3880 mm,回轉半徑為2000 mm,最大爬坡角度為25°,其他技術參數如表2所示。經過土層施工測試,該鉆機可以滿足山區常規土層施工的性能要求。

表2 山地模塊化微型鉆機技術參數表

2.2 硬巖破碎錘裝置和施工工藝

硬巖施工效率低是山區輸電線路樁基礎的施工痛點,山地模塊化微型鉆機結合沖擊碎巖裝置原理,設計了破碎錘掛載裝置,當土層施工過渡為巖層施工時,模塊化微型鉆機通過門架葫蘆,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、送氣回轉器、鉆桿、沖擊器、潛孔錘、空壓機等組成,如圖3所示。

圖3 山地模塊化微型鉆機硬巖破碎錘裝置

根據實際施工需求,結合鉆機性能參數、破碎錘參數,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直徑的牙輪筒鉆環切效率等影響。山地模塊化微型鉆機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。考慮到梅花孔施工易發生串孔且定位難,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鍵參數對比

圖4 山地模塊化微型鉆機硬巖地層施工工藝

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

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

3 山地模塊化鉆機工程應用

所研發的山地模塊化微型樁鉆機已完成土層中的現場測試,并在試驗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在湖南省婁底市新化縣完成了土層中的施工驗證,現場照片如圖5所示。該處地層0～4 m為殘積土,4 m以下為中風化巖石。在殘積土、全風化地層中,樁徑600 mm情況下,山地模塊化鉆機利用體開斗施工,成孔時間32 min。機器組裝快速、運轉靈活、施工順利;成孔質量好,無斜孔。相較文獻[9]中土層人工掏挖成孔約1.5～2.0 m/h的速度,山地模塊化鉆機不僅降低了施工風險,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,試驗過程中采用試驗臺固定的形式,對抗壓強度為20～30 MPa的紅砂巖,選擇305 mm成孔直徑進行施工,綜合鉆進速度約1.2 m/h。

圖5 山地模塊化微型鉆機現場驗證

4 結 論

所研發的山地模塊化微型鉆機以其模塊化運輸、重量輕、施工靈活等特點,符合山區地形中輸電線路工程的機械化施工需求,尤其是土層驗證中取得了較好的效果。在下一步的研發和施工驗證中,應更注重瓶頸問題的解決,比如硬巖施工效率低;還需要在鉆機性能、破碎錘參數、地質抗壓強度三者之中找到平衡點。隨著模塊化微型鉆機破碎錘的不斷開發、測試和應用,山地模塊化微型鉆機將以適用范圍更廣、施工能力更強的優勢,進一步提高山區輸電線路工程的機械化程度。