模块化微型桩钻机的研制及工程应用.pdf

模块化微型桩钻机的研制及工程应用马 宁林 峰江 雷狄锡颖李 欣张恒武宋青杰李欣伟(.北京三一智造科技有限公司北京.国网湖南省电力有限公司湖南 长沙)摘 要:目前山区输电线路基础施工以人工挖孔工艺为主存在施工效率低、安全风险高的问题不能满足日趋严格的电力安全生产要求 文中根据 余年的旋挖钻机生产经验结合山区地形复杂、运输困难、岩石抗压强度大等施工痛点研制出重量轻、拆装简单、入岩能力强的山地模块化微型桩钻机并根据山区“土薄岩厚且硬”的地质特点提出了相应的施工工艺初步解决了实际的施工难题 所研发的山地模块化微型桩钻机不仅提高了山区输电线路工程中基础施工的机械化程度而且为山区电力线路工程施工提供了技术和工艺参考关键词:山区 输电线路 桩基础 模块化 微型钻机中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.(.):.:引 言“十四五”电网建设与发展规划强调要加速建设特高压骨干输电网络输电线路工程仍有较大发展前景 传统电力线路工程中的杆塔桩基础施工一直依靠人工挖孔作业施工速度慢、安全风险高基金项目:国网湖南省电力有限公司科技项目()因此对输电线路基础施工机械化的要求日益迫切近年来得益于电厂、变电站桩基工程中旋挖钻机的高效施工国内研究人员开始重视旋挖钻机在电力线路桩基础机械化施工中的应用前景研究尤其是 型掏挖钻机、电建钻机等机械设备在输电线路基础施工中取得了良好应用效果 但针对山区地形复杂、硬岩地层较多等情况上述机械设备存在整机重量大、运输不便、岩层 四 川 电 力 技 术 年 月 第 卷 第 期施工效率低等问题针对山区条件下输电线路基础的机械化施工难题下面以设备重量轻、模块化拆装、入岩能力强为目标结合岩石破碎装置开发、施工工艺研究等手段研制出了新型山地模块化微型桩钻机并在实际工程中取得了一定的施工效果 输电线路基础工程发展趋势及机械化施工现状.输电线路基础工程发展趋势输电线路工程桩基础施工受地形、地质和施工设备等条件的影响较大 在桩基础设计形式方面输电线路工程桩基础在“微型桩、群桩”、桩型优化方面研究成果较多在施工工艺方面以岩石基础施工工艺、施工方案优化、桩身质量监测及控制研究为主机械化施工方面以小型施工机械和辅助设备研发为主比如用水钻成孔方法在输电线路中岩石基础的应用、振动锤和全护筒在部分易坍塌地层中的施工应用等 而山区输电线路工程桩基础因在山腰或山顶施工施工过程面临设备运输成本高、施工效率低、施工能力弱等诸多不利因素影响因此桩型设计向“小桩、群桩”方向优化在设备和工艺方面小型、模块化施工设备研发和硬岩施工工艺创新是国内设备厂家和电力工程施工公司的研究方向.输电线路基础工程机械化施工现状 年国家电网直流建设分公司与北京送变电公司联合研制了 型掏挖钻机并在 向上直流特高压工程中投入应用应用效果良好体现了非常高的施工效率和安全性 但是该钻机仅在直径.以上的掏挖基础上应用时技术经济性比较好且存在自重较大、现场移运困难、临时占地量大等缺点 年国网冀北电力有限公司研究出轻型化、组合式的掏挖基础开挖设备适用于 及以下直径、人工掏挖难以实现、大型设备无法通行或距离交通道路较远地区的线路工程桩基础施工该钻机主结构采用组合式、外设动力及操控装置单件质量小于 便于组装及拆卸并考虑基础节能的设计掏挖钻机的最大钻孔直径为 最大钻孔深度为.该钻机提高了掏挖基础施工效率降低了施工成本保证了施工质量及安全性但设备掏挖深度小难以满足施工需求 年国网湖南省电力有限公司与泰信机械联合研制生产了电建桩机专用设备 适应于电力杆塔桩基础施工 该设备具备整机质量轻、整体运输、爬坡能力强、重心低、稳定性高等特点且下车履带可伸缩方便窄路通过采用组合钻入岩、加强型结构取得了较好的效果 但该设备仅满足平地、丘陵、部分山地地形施工整机未进行模块化设计无法进行高山施工情况下的索道运输且硬岩地层施工能力十分有限 山地模块化微型桩钻机所研制的模块化微型桩钻机重量轻且具有硬岩破碎能力能够满足高山地区输电线路工程所面临的索道运输、破碎硬岩工况对高山地区输电线路工程机械化施工意义重大.设备组成及参数山地模块化微型桩钻机整机由五大模块组成如图 所示分别为桅杆动力、钻杆、驾驶室、底盘、配重且各部分质量均低于 满足山区电力施工中型索道的运输能力 采用的三一重机事业部技术图 山地模块化微型钻机结构组成第 期 马 宁等:模块化微型桩钻机的研制及工程应用 表 山地微型桩钻机与其他钻机性能对比对比角度山地微型桩钻机 型掏挖钻机轻量化、组合式掏挖钻机 电建桩机山地运输适用性分体式运输适用性更强整体运输、山区适用性差分体式运输适用性强整体运输地层适用性满足中风化以下的硬岩地层施工适用性更广扭矩 有一定中风化硬岩施工能力原状土、强风化岩石地质仅适用于土层、全风化地层、软岩山地地形施工便利性针对山地地形开发平地、丘陵全地形平原、丘陵及山区满足平地、丘陵全地形以及部分山地地形施工整机质量.约为.单构件最大质量 配置不同分别为.、.、.施工孔径、钻深.群桩钻深.最大孔径.最大钻深.最大孔径.最大钻深.孔径最大.钻深.注:轻量化、组合式掏挖钻机为国网冀北电力有限公司与北京送变电公司研制的轻量化钻机成熟的挖掘机底盘重心低、稳定性高各模块之间多采用销轴式连接便于拆分和装配 设备施工时底盘、驾驶室、配重和桅杆动力模块始终固定连接钻杆模块、钻具和破碎锤装置则根据实际施工进行选择 在土层中施工选择钻杆模块和钻具在硬岩地层施工则需要切换至硬岩破碎锤装置山区索道运输在输电线路建设中应用广泛 山地模块化微型钻机利用索道机构通过门架葫芦实现快速拆卸和安装 山地模块化微型钻机整机质量为.各模块质量低于 整机尺寸为 (长宽高)最大爬坡角度为能够在不碾压破坏山区道路的情形下行驶转场 山地模块化微型钻机拆装过程如图 所示 首先当运输或自行行驶至山脚时利用汽车吊进行拆分然后利用中、重型索道按照底盘、驾驶室、桅杆动力等模块运输顺序运输至山顶或山腰最后依托索道门架葫芦的升降实现快速的拼装和拆卸图 山地模块化微型钻机拆装示意 受钻机尺寸的影响山地模块化微型桩钻机的发动机、主泵、主阀部件集成在驾驶室模块中行走马达和回转马达集成在底盘模块中其整机工作状态最大高度为 回转半径为 最大爬坡角度为 其他技术参数如表 所示 经过土层施工测试该钻机可以满足山区常规土层施工的性能要求表 山地模块化微型钻机技术参数表项 目参 数动力头最大输出力矩/()最大转孔直径/最大钻孔深度/最大加压力/主卷扬最大提升力/副卷扬最大提升力/转速/()工作状态最大高度/运输状态高度/运输状态宽度/运输状态长度/整机质量/.硬岩破碎锤装置和施工工艺硬岩施工效率低是山区输电线路桩基础的施工痛点山地模块化微型钻机结合冲击碎岩装置原理设计了破碎锤挂载装置当土层施工过渡为岩层施工时模块化微型钻机通过门架葫芦拆卸钻杆模块和钻具快速切换为破碎锤装置 破碎锤装置由过渡法兰、对接法兰、送气回转器、钻杆、冲击器、潜孔锤、空压机等组成如图 所示 根据实际施工需求结合钻机性能参数、破碎锤参数在桩径 的桩孔中论证了梅花孔分布形式、直径、孔距及其对 直径的牙轮筒钻环切效率等影响 山地模块化微型钻机硬岩地层施 四川电力技术 第 卷图 山地模块化微型钻机硬岩破碎锤装置工工艺如图 所示 对 梅花孔、梅花孔、单孔对比分析如表 所示 考虑到梅花孔施工易发生串孔且定位难最终选择 破碎锤单孔施工施工工艺如下:)在 桩孔中先使用 破碎锤施工配合空压机清渣形成中心孔)利用牙轮筒钻进行环切破碎 前述 破碎锤施工后一方面在成孔时将对孔周岩石形成微小裂隙破坏有利于 压裂筒钻施工时破碎岩石另一方面除去牙轮环切槽宽度仅剩余 的环状区域总体上更有利于 牙轮筒钻进行施工提高施工效率表 桩径 种梅花孔施工方案的关键参数对比孔直径/孔数量/个孔间距/距孔壁距离/牙轮环切槽宽/优缺点对比.定位难、孔数多、效率低.孔距小、易串孔存在动力不足风险图 山地模块化微型钻机硬岩地层施工工艺 山地模块化钻机工程应用所研发的山地模块化微型桩钻机已完成土层中的现场测试并在试验场地完成了硬岩施工测试 年 月山地模块化微型桩钻机在湖南省娄底市新化县完成了土层中的施工验证现场照片如图 所示 该处地层 为残积土 以下为中风化岩石 在残积土、全风化地层中桩径 情况下山地模块化钻机利用体开斗施工成孔时间 机器组装快速、运转灵活、施工顺利成孔质量好无斜孔 相较文献中土层人工掏挖成孔约./的速度山地模块化钻机不仅降低了施工风险而且极大地提高了施工效率取得了较好效果 针对破碎锤装置的测试试验过程中采用试验台固定的形式对抗压强度为 的红砂岩选择 成孔直径进行施工综合钻进速度约./图 山地模块化微型钻机现场验证 结 论所研发的山地模块化微型钻机以其模块化运输、重量轻、施工灵活等特点符合山区地形中输电线路工程的机械化施工需求尤其是土层验证中取(下转第 页)第 期 马 宁等:模块化微型桩钻机的研制及工程应用 方保垒.智能变电站二次系统检修维护新方法研究.济南:山东大学.中国南方电网有限责任公司生产技术部.并联电抗器(含中性点电抗)技术规范:/.北京:中国电力出版社.周宗川.投退高压电抗器对系统电压产生的影响.宁夏电力():.作者简介:孙健杰()男硕士从事继电保护工作袁明哲()男高级工程师国网四川省电力公司研究生工作站企业导师研究方向为电力系统继电保护及信号处理在电力系统中的应用殷攀程()男硕士工程师从事继电保护工作张 治()男工程师从事继电保护及变电运行维护工作陈 翔()男硕士工程师从事变电运行维护工作(收稿日期:)(上接第 页)得了较好的效果 在下一步的研发和施工验证中应更注重瓶颈问题的解决比如硬岩施工效率低还需要在钻机性能、破碎锤参数、地质抗压强度三者之中找到平衡点 随着模块化微型钻机破碎锤的不断开发、测试和应用山地模块化微型钻机将以适用范围更广、施工能力更强的优势进一步提高山区输电线路工程的机械化程度参考文献 刘哲.送变电土建工程机械化施工及应用研究.保定:华北电力大学.张战战.旋控式全护筒钻孔灌注桩在电厂建设中的应用.电力科学与工程():.许琛 张志伟 王文鹏等.全护筒跟进旋挖钻进工艺在镇江电厂二期工程的应用/中国电机工程学会电力土建专业委员会“加入 与中国电力土建技术发展”学术交流会.北京:中国电机工程学会.吴立春 李华伟 洪辉.某电厂湿陷性黄土地基处理方法的对比试验.工程勘察():.葛海明 郭纪中.旋挖式钻孔灌注桩在张家港电厂中的应用.工程勘察():.秦庆芝 朱艳君 高学彬等.掏挖基础机械成孔设备研制及其工程应用.电力建设():.袁敬中 郎福堂 罗毅等.线路工程掏挖基础组合式成孔机械研究及应用.中国电业(技术版)():.鲁俊荣 宋念达 宋丹等.特高压淮南上海输变电工程新施工技术的应用.江苏电机工程():.瞿宗新.山区输电线路机械化施工方案研究.通讯世界():.沈伟 古银城周战等.浙江金华 换流站桩基方案的探讨/中国电力规划设计协会送变电设计交流会暨送变电专家委员会 年工作会议.石家庄:中国电力规划设计协会:.陈锦 吴长霖.线路掏挖基础利用旋挖钻机成孔方法.通讯世界():.钟维军.山地机械化施工基础型式设计方案研究.电力勘测设计():.张爱虎 苏小青 李峰.输电线路机械化施工方案的深化应用.江西电力 ():.徐用超.输电线路岩石基础开挖方法的比较.建筑工程技术与设计():.方月舵 郑卫锋 叶超等.输电线路岩石嵌固基础选型及施工技术研究.电力勘测设计():.袁茂书.液压振动锤在电力工程旋挖成孔灌注桩施工中的应用.科技创新导报():.高歌 高宽红 陆烨.旋挖钻机在架空输电线路工程中的应用研究.科技与创新():.陈万兵 杨增明 马耀华.输电线路桩孔基础机械开挖施工技术.大科技():.作者简介:马 宁()男博士高级工程师研究方向为桩基施工机械及工法林 峰()男正高级工程师研究方向为输变电工程项目管理江 雷()男高级工程师研究方向为输变电工程机械化施工创新应用狄锡颖()男高级工程师研究方向为输电线路工程施工技术及项目管理李 欣()男硕士高级工程师研究方向为输电线路工程施工技术及项目管理张恒武()男高级工程师研究方向为输变电工程机械化施工创新应用宋青杰()男硕士工程师研究方向地下空间工程机械设计李欣伟()男硕士工程师研究方向桩基施工工法(收稿日期:)四川电力技术 第 卷