特高压输电线路全过程机械化施工技术应用
赵 琦，胡 科，聂荣镇
（国网湖北送变电工程有限公司，湖北 武汉 430063）
特高压输电线路是实现能源资源集约开发、促进清洁能源发展的重要载体，是当今转变能源发展方式、保障能源安全和实现能源优化配置的必然选择，是实现我国“西电东送，北电南供”、建设“全球能源互联网”、落实国家“一带一路”发展战略的重大工程［1-4］。至“十四五”末，国网湖北省电力有限公司（以下简称“湖北公司”）将新建成“五交五直”10项特高压工程，规模达到：特高压交直流站5座，线路长度突破5 000 km，达到5 324 km。届时，将建成两条外电入鄂直流大通道，直流区外受电能力达到1 600万kW，全面建成华中“日”字型特高压交流环网，省间电力互济能力大大增加，推动湖北电网迈入特高压时代，对湖北电网加快向能源互联网转型升级具有重要战略决定性意义，为实现湖北公司电网转型作出有力贡献。
我国经济社会经过高速发展，电网也进入大规模建设阶段，电网建设面临一系列问题。一是劳动力资源越来越紧张，人工成本持续上涨，传统的劳动密集为主的施工方法将难以为继；
二是传统施工方法作业强度大、效率低，而且安全风险高。国家电网有限公司（以下简称“国网公司”）针对上述问题，提出了输电线路全机械化施工理念，要求改变线路工程建设过去以人力为主、机械为辅的方式，实现线路工程建设向机械化方式的转变，有利于提升电网安全质量、效率效益、工艺水平。
特高压工程杆塔高、单件塔材重、导地线截面大、建设环境复杂，传统施工装备、施工技术很难适应，施工技术和装备严重制约建设能力进一步提升，而人们的用电需求在不断增加，必须进行更高程度的机械化施工，提高施工的安全性和灵活性［5-6］。实现架空输电线路全过程机械化施工有利于支撑特高压工程建设，满足电网大规模建设需求，确保安全优质高效完成电网建设任务［7-10］；
有利于推动建设“施工管理型、专业技术型”施工企业，加快培育施工装备科技创新人才，全面掌握施工技术研发、持续创新等核心竞争力；
有利于提高施工效率效益、安全质量水平，转变传统“人力为主、机械为辅”的施工模式，有效解决施工人力减少、劳务成本上涨问题，减轻施工现场人员劳动强度［11-14］。
本文结合国网湖北送变电工程有限公司近年来在湖北境内参建的±800 kV 陕湖线、±800 kV 白江线、±800 kV 白浙线、1 000 kV 荆武线、1 000 kV 南荆长线及驻武线等特高压工程，重点阐述特高压输电线路全过程机械化施工技术应用及施工过程中的综合效益分析。
1.1 临时道路修筑机械化施工技术应用
大多特高压输电线路施工需要在人烟稀少地区完成整体的施工工作，为了减少由于施工场地偏远，交通不便等问题对施工造成的影响，在施工前要修建临时道路，以辅助完成对特高压输电线路的安装［15-16］。
1）对于施工必经的但部分路段不满足施工机械通行需求的主干道路、重要的乡村公路等施工道路，一般通过填平、拓展、碾平、压实等手段对原有道路进行改造。
2）地面起伏不大但地表含水丰富，此类情况一般机械无法到达塔位。对部分基础，虽然履带式挖掘机可到达塔位，但仅能保证基坑开挖时的机械化，后续机械化施工诸如混凝土泵车进场、塔材的运输及吊车组塔等仍存在困难。因此，对此部分位于平原地段的塔位，采取新修临时道路并结合铺设钢板、路基箱的方式。
3）位于沟渠地段的塔位，一般机械通行均会产生下陷，若修筑传统临时道路需铺设石子等，会封堵现有的灌溉水网。对此类地形塔位，采取铺设涵管方式，局部铺设铺路垫板的方式。
目前常用的修路设备主要为挖机、压路机、推土机及装载机等，这些装备施工市场化程度高，因此以租赁为主。
1.2 材料运输机械化施工技术应用
由于特高压输电线路普遍为规模较大的施工工程，因此需要更多的施工材料，并且在施工前还需要对材料进行预处理，而传统施工材料主要依靠人力及马帮完成运输，因此对于运输量及运输速度都存在很多的局限性。应用机械化施工技术后，可以通过构建机械化输送通道，完成对施工材料的运输，提高了工程整体的运输效率。
施工现场物料运输环节，常用的机械有货车、全地形履带式运输车、货运索道，路面情况较好的可以使用大卡车、半挂式运载卡车以进一步加大载重量，如果是山区临时道路或者开辟的临时运输道路，路面情况较差的，可以选用小三轮运输车，增强运载工具对道路路面的适应性。履带式运输工具一般用于路面地基软弱的地形条件下，或者坡度较大的山地区域，对于气候的适应能力较强，能节省大量的人力成本［17］。索道运输方式是较最常用的运输方式，其运输的工效高、施工方便、建设周期短、对环境破坏小，可适用于高海拔的山岭地形条件，建成后的运输成本也较低，气候适应能力强。在±800 kV陕湖线、±800 kV白江线、±800 kV白浙线应用的“新型往复式索道”施工机械，大幅度提高了塔材、金具的运输效率，有效克服了地形限制、环境保护等难题。
1.3 基础施工机械化施工技术应用
目前特高压常用的灌注桩、大开挖基础、岩石锚杆基础、预制微型桩基础、PHC桩均有专业机械设备用于施工。对于土方挖掘量要求较高，环境影响因素较小的施工现场，应选用挖掘机来进行基础开挖的施工。对于挖孔、钻孔类机械，由于其不同的挖掘设备种类，要根据现场的实际情况灵活选用。例如，旋挖钻机适用于黏性土、粉土、砂岩等土层，适应性较强；
冲击打桩机结构简单，使用便捷，动力消耗较少，可以适用于卵石层和基岩等地段，对于成本的控制有显著优势；
机械洛阳铲的采购成本较低，但是需要人工操作，可以适用于人工资源丰富的施工单位；
履带式液压冲击钻机的地质适应能力最强，设备操作简单，可以适用于复杂的地质环境施工现场；
岩石锚杆钻机一般用于海拔较高的山岭环境，其锚孔的开挖精度较高，可以适用于高精度的施工作业。
例如荆门-武汉1 000 kV 特高压输电线路（6 标）施工中，根据地形、地质条件，基础多位于小山丘上，可依靠的运输道路条件良好，地质条件以强、中风化岩石为主，为了保证施工安全和进度，对挖孔桩和灌注桩基础采用了185n.m、235n.m、285n.m、360n.m 等多种型号的旋挖/电建钻机，实现了机械化施工率的100%。
混凝土施工的机械化主要内容包含混凝土制备和输送、混凝土泵送、混凝土灌注等。在混凝土施工过程当中，应灵活选用混凝土制备和输送方法，严格按照施工要求来进行泵送、灌注等环节，针对不同的地形条件设计不同的专业混凝土施工方式。在设计方案的过程中要综合考虑桩土基础，最大程度减少混凝土用量；
通过基础埋深、主柱宽度、底板宽度和厚度的优化等专业施工手段控制混凝土用量，控制施工成本；
在特殊的特高压线路基础柱体截面阶段，可以使用空心钢筋混凝土基础，从而减小施工难度，达到最好的施工效果。基础机械化施工现场应用示例如图1所示。
图1 白鹤滩-浙江±800 kV特高压直流输电工程基础施工应用机械化施工装备Fig.1 Mechanized construction equipment in foundation construction of Baihetan-Zhejiang ±800 kV UHVDC transmission project
1.4 杆塔组立机械化施工技术应用
伴随杆塔高度及自重的增大，从最初的人字抱杆到应用时间最长的格构式抱杆，再到当前更具安全性的落地抱杆，杆塔组立经历了漫长的由半机械化到全机械化的过程［18-19］。
杆塔组立可细分成整体立塔与分解组塔两种形式，考虑到现阶段特高压杆塔的高度高、自重偏大，已不再适用整体立塔方式。对于特高压铁塔，塔形尺寸显著增加，塔材单件重量大，安装精度要求高，质量控制严，组塔施工难度增加，为此，国网公司推荐使用吊车和落地抱杆组塔，严格限制内悬浮抱杆组塔（平地地形100%应用落地抱杆或流动式起重机组塔，其他地形应用落地抱杆或流动式起重机组塔比例不低于80%）。目前特高压组塔应用较成熟的主要有吊车组塔、落地双平臂抱杆组塔、落地双摇臂抱杆组塔等3种机械化组塔方式。当采用落地抱杆组塔时，辅助装备有单抱杆、人字抱杆以及抱杆监测装置。抱杆驱动装置主要有电动卷扬机、机动绞磨、液压绞磨以及绞磨尾绳收线装置等。当采用流动式起重机组塔时，辅助装备为对接装置，螺栓紧固施工主要为数控扭矩扳手。
1.4.1 吊车组塔
在交通方便、起吊高度在120 m以下塔位，优先采用吊车组塔。根据现场实际需要，可投入25 t、50 t、60 t、100 t、130 t、260 t、300 t、350 t、400 t等多种型号的流动式起重机对适用吊车组立的塔位开展组塔作业。塔腿及塔身40 m 以下部吊装范围大、单根主材重、斜材较长，就位高度较低，视线和通讯情况好，安全性高，可采用25 t～60 t 的吊车进行。塔身40 m 以上，75 m～80 m 以下部分及下横担、中横担断面尺寸明显变小，塔身部分可分片吊装，该部分单吊重量有所增加，就位高度较高，横担吊装较困难，可选择100 t～130 t吊车进行吊装。铁塔全高在90 m 左右，采用260 t 吊车吊装，90 m～105 m，采用300 t 吊车吊装，100 m～120 m，采用350 t～400 t 吊车吊装。一般350 t 吊车日均费用2 万元，全部副臂达到最大起重高度时，吊装能力差，有可能不能满足上横担和地线横担的整体吊装，需分散吊装，工效降低。所以塔高在120 m以上时，从经济性和安全性考虑，不宜使用吊车。传统1 000 kV 双回立塔需要20 d左右，通过在荆武线、白江线及白浙线特高压的实践，采取吊车立塔仅需8 d～10 d，工效提升50%以上，安全可靠性大大提高。但所需吊车吨位较大，且以市场租赁为主，使用频次低，对操作人员要求高，往往需要较大投入来租赁吊车和修路。
1.4.2 落地双平臂抱杆组塔
落地双平臂抱杆主要用于地形地势较好，呼高高的塔位，按设备许用工况和经济分析，可采取25 t～60 t吊车配合完成塔腿底部两段及抱杆的组立，再使用双平臂抱杆进行塔身以上部位的吊装，特别是特高压大跨越塔，双平臂抱杆的优势尤为显著。
落地平臂系列抱杆作为国网湖北送变电工程有限公司首创，其在建筑塔吊的基础上进行3大创新：一是采用可折叠收拢的、对称的双水平吊臂；
二是液压顶升，地面加节，司机在地面操作；
三是使用标准件装配式软附着及底座。抱杆安全装置齐全，安全性能好，功能齐全，自动化程度高，操作简便实用，组塔工效是传统抱杆的3.6至4.2倍。目前常用的落地平臂抱杆主要有T2T50、T2T80、T2T120、T2T150、T2T800、T2T1260、T2T1500等型号（落地平臂抱杆系列性能参数如表1所示），设计最大使用高度从120 m到400 m不等，额定起重力矩最大可达到1 500 t·m。目前已经施工完成的南荆长螺山大跨越跨越塔，全高371 m，单基塔重约4 400 t，超出现有特高压最高铁塔93.5 m，针对该跨越塔结构特点，国家电网公司研制了T2T800大型落地双平臂抱杆，其顶升高度达到440 m，创下顶升高度之最，落地双平臂抱杆现场应用示意图如图2所示。
图2 大型落地双平臂抱杆图Fig.2 Diagram of large landing double flat arm holding rod
表1 落地平臂抱杆系列性能参数Table 1 Performance parameters of landing flat arm pole series
1.4.3 落地双摇臂抱杆组塔
双摇臂落地抱杆是近一两年发展起来的，它综合了传统内悬浮双摇臂抱杆和双平臂落地抱杆的特点，除了双摇臂特征外，其余与双平臂落地抱杆几乎无异。相对于双平臂抱杆，双摇臂抱杆承载力偏小，但杆身截面小重量轻，更有利于工地运输，更适用于山地施工。
落地双摇臂抱杆目前已成为特高压杆塔组立的常规方案，它具有适用性能广，施工效率高，施工安全可靠的优点。采用传统的悬浮抱杆组塔，需将抱杆提升至高出铁塔顶面20 多米，地面控制拉线需引至塔外100 多米，地形较差的地方甚至引至200 m～300 m，对施工场地要求较高，在临近带电体组塔施工中制约明显。而且施工过程中，整个起吊系统在理论上处于力学临界状态，受风力影响显著，对现场指挥、系统控制的要求都很高。而落地双摇臂抱杆整体的稳定性依赖底座、内拉线和多组腰环。摆脱了承托绳、外拉线、地锚等因素，安全要素基本都集中于塔基占地内部，监测和控制大为简化。落地双摇臂抱杆起吊完全采用直上直下方式，钢丝绳系统垂直受力，揽风拉线所需控制力很小，从而大大提升了起吊过程的抗风能力及系统稳定性。特别是对付酒杯型直线塔曲臂部分的吊装，双摇臂抱杆的安全性和效率是悬浮抱杆无法比拟的。目前落地双摇臂抱杆在南长线、白江线、白浙线等特高压建设中得到了广泛的应用。落地双摇臂抱杆系列性能参数见表2，落地摇臂抱杆现场应用示例图如图3所示。
图3 白鹤滩-江苏±800 kV特高压直流输电工程大力推广落地摇臂抱杆Fig.3 Vigorously pushed wide landing rocker boom of Baihetan-Jiangsu ±800 kV UHVDC power transmission project
表2 落地双摇臂抱杆系列性能参数Table 2 Performance parameters of double rocker arm series
1.5 架线施工机械化施工技术应用
随着科技水平的发展和提升，当今的施工过程中已经实现了对架线施工的机械化。在施工过程中，采用无人机展放初引绳、机械展放导引绳的方式，使用牵张机进行架线施工能够完全满足当前架线施工的施工要求，免除了高空架线的安全隐患，是现代化机械技术应用于输电线路工程中的典范［20-21］。
目前特高压架线施工已逐渐由机械化向数字化转型发展。在荆武线等特高压的“三跨”放线段，已逐步推广应用集控可视化张牵设备，集控可视化系统可以保证操作员接受信息的及时、准确、清晰，减少操作之间的时间差。集中控制室最多可对所处牵张场内4台设备实施集中控制，也可以通过专用平台及公网对设备实施远程控制，仅需1位操作人员就能够实现8分裂导线的同步展放，有效消除操作人员驻守设备时存在的机械伤人及恶劣环境影响带来的隐患问题，减少了传统工艺的人员监测点设置和设备操作人员数量，总体减少人工投入30%。人员的减少和智能化提升，使得特高压机械化和数字化架线作业具备高可靠性和安全性。
同时，特高压架线施工的机械化能显著提高输电线路工程中架线工程的施工效率，可以利用高空架线的方式绕开一些植被和高山，对于生态环境的保护具有重要意义，是现代企业发展资源友好型、环境节约型的显著体现［22-23］。特高压架线机械化施工现场应用示例如图4所示。
图4 白鹤滩-江苏±800 kV特高压直流输电工程跨越汉江施工Fig.4 Across-Hanjiang-River Construction of Baihetan-Jiangsu±800 kV UHVDC transmission project
通过标准化索道、旋挖钻机、落地抱杆、各型号吊车等专用机械化装备在特高压工程建设中的应用，协调统筹全过程机械化施工管理，合理配置机械、人力等资源，提高了现场施工机械化程度，减少人力投入，降低劳动强度、本体材料成本，提高各施工过程建设效率及质量，降低安全风险，缩短工程建设周期，有力保护生态环境，全面提升工程建设经济、社会等综合效益［24-26］。
2.1 经济效益显著
通过对±800 kV白江线、±800 kV白浙线、1 000 kV武荆线等多个工程旋挖钻机使用情况进行分析，对于中风化岩石成孔成本约1 000 元/m3，对于强风化岩石成孔成本约500元/m3对于软弱泥质地质，成孔成本约在100 元/m3。相比传统的水磨钻、风镐及循环钻等成孔方式，分别降低成本25%、20%、25%以上，施工效率得到极大提高，人力成本降低。同时，因机械化施工可取消部分混凝土护壁等要求，节约材料本体费用。荆武线（6标）投标阶段筋护壁重量为2 150.46 m3，机械化施工后护壁实施量为1 621.978 m³，共减少混凝土528.482 m3，减少比例24.6%。
因设计理念的改变亦可减少本体费用，如对挖孔基础因旋挖钻机受进场道路等因素限制，工程将48基挖孔基础的7基在设计阶段调整为锚杆基础，单基平均减少103 m³，减少混凝土方量约为51.9%。开展机械化施工作业后，现场均可采用机械运输方式，塔材、绝缘子等运输可节省材料运输费用。±800 kV白江线（鄂7标）机械化成孔施工塔位共减少混凝土388.96 m3，钢筋13.856 t，减少了混凝土护壁工程量，节约材料本体费用，采用汽车运输平均降低费用1.5万元/基。
2.2 减少人力投入，降低劳动强度，提高机械化程度
挖孔基础使用旋挖钻机等专用机械，杆塔组立使用落地平臂抱杆和吊车，各工序机械化施工率达到100%，相比传统人工开挖和悬浮抱杆组立铁塔，人力投入明显减少，劳动强度大幅降低，节约人力成本。如基础成孔过程单桩平均减少人力投入20人天，基础阶段机械化程度由71%提高至100%。±800 kV 白浙线（鄂7标段）基础成孔过程减少人力投入4 400人天，基础机械化率由65%提高至88.51%，组塔作业机械化率96.96%，综合机械化率达92.74%。
2.3 提高工程建设效率
特高压全过程机械化施工显著提高物料运输、基础施工、杆塔组立等工程建设效率，经试点工程应用统计，与传统人力为主施工方式相比，各工序工期缩短。
2.3.1 工地运输
传统施工材料主要依靠人力及马帮完成运输，因此对于运输量以及运输速度都有所限制。应用机械化施工技术后，可以采用货车、全地形履带式运输车、货运索道完成对施工材料的运输，提高了工程整体的运输效率，工地运输进度效益比较见表3。
表3 工地运输进度效益比较Table 3 Comparison of construction site transportation schedule benefit
2.3.2 基础工程
基础工程工期占整个工程比重大，提高基础施工效率可以大大缩短输电线路施工周期，提高效益。旋挖钻机较常规的回旋钻机效率更高，且较传统人工开挖速度提升更显著。另外，采用机械化施工后，可将商混车直接开到施工现场，较传统现场搅拌或农用车二次倒运混凝土，减少人力投入并提高浇筑速度和质量，对施工进度效益比较见表4。
表4 施工进度效益比较Table 4 Comparison of construction schedule benefit
2.3.3 杆塔组立工程
采用落地抱杆与吊车相结合的方式，吊车辅助塔腿吊装机地面组装，减少升降抱杆工作，另外采用落地摇臂抱杆机械组塔无需设置外拉线，效率大幅提升。对交通便利，吊装高度小于等于110 m 的杆塔，并适宜大型吊车入场的塔位，直接使用吊车进行组立，整体工效提升。杆塔组立工程进度效益比较见表5。
表5 杆塔组立工程进度效益比较Table 5 Comparison of progress benefit of tower construction project
2.3.4 降低安全风险、提高施工质量
根据《Q/GDW12152-2021 输变电工程建设施工安全风险管理规程》，结合工程实际情况，采用输变电工程安全风险评价方法（LEC法）对在建工程全过程机械化施工方法和传统施工方法进行动态安全风险等级评定，量化施工现场安全风险，评定结果见表6。
表6 安全风险等级比较Table 6 Comparison of security risk levels
由表6 可见，各物料运输、土石方开挖、混凝土浇筑、杆塔组立的机械化施工安全动态风险值均低于传统施工的安全动态风险值。特别是人工挖孔桩基础、地形较好的杆塔组立，采用机械化施工的安全风险明显降低，有利于施工安全管控。
2.3.5 减少环境污染
特高压基础施工过程中应用的旋挖钻机可根据自身设备的特点取土，无需采用泥浆循环，其中一般粘性土不用制浆，制浆量减少100%；
软土地质泥浆排放量可减少70%；
粉土及软土地质泥浆排放量减少43%。同时，旋挖钻机加钢护筒施工工艺减少了泥浆护壁对现场环境的污染，减少了青苗赔偿和植被恢复成本，具有造价合理、技术先进、施工效率高、环境友好的优点。
特高压建设过程中推行机械化施工，是适应电网建设发展形势，有效促进了工程建设方式的转变。将机械化施工技术应用到特高压施工过程中，不仅提升了输电线路的架空建设水平，完善和更新了施工工艺和方法，而且降低了施工风险及施工成本，得到了最大化的人力资源利用效果。本文结合近年来湖北境内建设的特高压工程建设情况，对特高压输电线路全过程的机械化施工技术进行了全面分析，介绍了机械化施工技术在临时道路修筑、材料运输、基础施工、塔杆组立及架线施工中的应用，并以实例分析了机械化施工技术应用于工程中所带来的显著的经济效益，对特高压线路工程建设的发展具有重要的意义。
猜你喜欢摇臂吊车特高压柴油机摇臂与摇臂轴粘连原因分析及改进金属加工(冷加工)(2023年1期)2023-02-04一种加工摇臂装置销孔的工艺水泥工程(2020年4期)2020-12-18立式设备吊装抬尾吊车的选择石油化工建设(2017年5期)2018-01-26汽车摇臂中频电磁感应加热炉控制系统设计河南工学院学报(2017年1期)2017-06-07大吊车力气大幼儿画刊(2017年1期)2017-03-20指形摇臂脱落故障解析汽车实用技术(2016年1期)2016-12-24骄傲的大吊车学苑创造·A版(2016年9期)2016-10-101000kV特高压输电线路失效绝缘子判断的仿真计算通信电源技术(2016年3期)2016-03-26我国最长距离特高压输电工程开工现代企业(2015年6期)2015-02-28特高压输电塔双重非线性分析西安建筑科技大学学报（自然科学版）(2014年2期)2014-11-12