架空輸電線路施工中自動旋樁機的研究與設(shè)計

陳 林，趙宇飛，李松銘，張玉嶺，陳險峰，孟 巍，鄒 龍，韓 冬，韓 飛，呂 繼

（1.國網(wǎng)阜陽供電公司，安徽 阜陽236017；2.安徽三環(huán)電力工程集團有限公司，安徽 阜陽236017）

目前，國家的經(jīng)濟和社會發(fā)展非常迅速，電網(wǎng)的整體建設(shè)和發(fā)展進入新時期。在架空輸電線路施工過程中，必須要使用鉆樁連接拉線，固定鐵塔或跨越架，否則受自身結(jié)構(gòu)和大風(fēng)等影響，可能會發(fā)生倒塌事件，影響施工的安全性。通過常年的輸電施工，已經(jīng)形成了鉆樁的標(biāo)注化規(guī)格，一般根據(jù)鉆樁的鉆徑和鉆長，可以分為?32×1.2 m、?32×1.5 m、?32×1.8 m 3種規(guī)格。鉆樁的頭部一般使用圓環(huán)焊接成為一體，主要作用是便于撬棍或鋼管插入后進行旋轉(zhuǎn)，能夠提供足夠的旋轉(zhuǎn)扭矩，使得鉆樁入地后能夠不斷地旋切下鉆。鉆樁根部則為針狀，在尖部上方15 cm處設(shè)置單旋片，能夠在上方提供的扭矩作用下，切割土壤下鉆，進而增加鉆樁的抓地力，為桿塔或跨越架的固定提供足夠的力量。

在設(shè)置拉線前，需要選定地點設(shè)置鉆樁，通常情況下是采用人工旋入（出）的方式，將鉆樁根部垂直插入地面，使得旋片與土地接觸，然后施工人員以對稱的方式在頭部圓環(huán)插入撬棍或者鋼管，保持受力均衡，通過順時針方向，提供旋轉(zhuǎn)扭矩，使得鉆樁能夠旋切進入土地。通常情況下，一根鉆樁需要4人操作，并且需要10 min左右的時間才能完成下鉆。因此，當(dāng)出現(xiàn)大面積的組塔架線工作時，需要使用大量的鉆樁，尤其是基建工程需要使用雙鉆，極大地增加了工作量，影響施工進度和工期。

現(xiàn)在，國家已經(jīng)進入“十四五”戰(zhàn)略發(fā)展機遇期，國網(wǎng)公司推廣機械化施工，尤其是重視創(chuàng)新研發(fā)，大力支持能夠提高施工進度和質(zhì)量的新型工器具，進一步推進“碳達峰”和“碳中和”，因此在輸電線路施工中為降低人工成本、提高工作進度和效率、增強安全施工力度，研制新的旋樁機迫在眉睫。目前，常用打樁方式有人工打樁和機械打樁。人工打樁勞動強度大、安全性差、工作效率低。通過對施工現(xiàn)場工器具的市場調(diào)研，目前常用的類似施工器械如下所述：

（1）農(nóng)耕旋樁機。此旋樁機常用于城市綠化、農(nóng)業(yè)種植行業(yè)，采用汽油驅(qū)動，工作時通過機器前端的旋樁將土壤旋出，挖出坑洞，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，僅采用基本框架和汽油機組裝而成，裝設(shè)的導(dǎo)輪便于工器具的運輸和攜帶，缺點是施工時阻力小，僅能用于小坑小洞的挖掘，難以滿足輸電線路組塔架線時鉆樁的施工要求。

（2）液壓式旋樁機。此旋樁機重量和體積較大，常常搭設(shè)在機動車輛上，動力源由機動車提供，一般適用于施工地區(qū)挖坑鉆洞，優(yōu)點是動力強，能夠提供足夠強大的動力扭矩，缺點是過于笨重，搭載車輛常常無法達到施工地點，不適合惡劣地區(qū)的地形，并且使用成本較高，不滿足精益化管理的要求。

1 輸電線路施工過程中影響鉆樁的因素分析

1.1 自然環(huán)境

目前，輸電線路的架設(shè)方式主要包括架空輸電線路和電纜，電纜一般多見于城區(qū)等復(fù)雜地形的區(qū)域，通過埋設(shè)在地下，減少土地占用，提高運行穩(wěn)定性，在輸電線路中占小部分。而架空輸電線路則占絕大多數(shù)，遍布平原、丘陵、山區(qū)、高原等多種地理區(qū)域，并且隨著天氣和環(huán)境的不斷變化，輸電線路所在區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)大風(fēng)、洪澇和山體滑坡等情況。

1.2 人為因素

架空輸電線路不同于城區(qū)配網(wǎng)線路，往往需要十余人甚至數(shù)十人參與，占用的施工區(qū)域大、使用的工器具種類多、涉及的民事和停電工作較多，因此決定施工進度和質(zhì)量的主要因素之一就是施工人員。在實際的架空輸電線路施工中，由于鉆樁需要4人合力同時工作，而每基桿塔的組立僅10人左右，因此會占用隊伍三分之一左右的施工人員，極大地延緩施工的進度。

1.3 施工工器具因素

施工工器具是施工人員開展工作必不可少的條件，工器具是輔助人員開展工作的重要保障措施，安全、可靠、便攜和省時省力的施工器具是確保施工有序開展的強有力支撐，也是施工質(zhì)量和進度的保障措施。

2 自動旋樁機設(shè)計思路

研發(fā)小組匯聚了具有豐富架空輸電線路組塔架線現(xiàn)場經(jīng)驗的技術(shù)人員，結(jié)合輸電線路組塔架線的現(xiàn)場實際，針對旋樁機的可行性和操作性，從機械結(jié)構(gòu)強度、安全操作、動力選擇、外設(shè)配套等方面提出如下要求。

2.1 機械結(jié)構(gòu)方面

自動旋樁機最主要的特點就是在旋樁傳動外部加設(shè)動力源，采用“動力源+旋樁機本體”相結(jié)合的方式，一方面動力源提供旋樁機工作的動力，確保鉆樁能夠鉆入土層，另一方面旋樁機本體能夠固定鉆樁，確保鉆樁垂直旋鉆入地下。動力源部分采用燃油機提供動力，旋樁機部分整體由鋼結(jié)構(gòu)組成框架，中間為傳動裝置，確保整體結(jié)構(gòu)牢固、穩(wěn)定，能夠抵抗旋樁時產(chǎn)生的巨大反作用力而不變形。同時，采用齒輪傳動的方式，將動力源的橫向動力，轉(zhuǎn)換為旋樁機部分的豎直動力。此外，考慮到鉆樁最高可達1.8 m，因此旋樁機的全高需要超過1.8 m。

2.2 動力供給方面

通過對比相同排量的汽油機和柴油機，發(fā)現(xiàn)汽油機的功率雖然比柴油機大，但是由于自身結(jié)構(gòu)的影響，柴油機的壓縮比、燃油轉(zhuǎn)化率和活塞沖程比汽油機更大，因此能夠產(chǎn)生較大的扭矩，但是由于轉(zhuǎn)速較低，因此功率較汽油機低。分析旋樁機的技術(shù)特點，發(fā)現(xiàn)鉆樁并不需要高速的旋轉(zhuǎn)，而是需要低轉(zhuǎn)速、大扭矩和功率穩(wěn)定的動力源，因此選用柴油機作為動力來源。

2.3 安全操作方面

旋樁機動力由燃油機帶動，有機械傳動和齒輪，因此在該部分加裝保護外殼，防止人身或異物進入該部分造成人身傷害和結(jié)構(gòu)性損壞。在旋樁機部分裝設(shè)固定板，確保鉆樁能夠保持垂直向下的方向。

綜合上述的因素考慮，設(shè)計出自動旋樁機如圖1所示。

圖1 自動旋樁機設(shè)計圖

3 自動旋樁機設(shè)計特征

旋樁機設(shè)計原理是以一種通用的手扶牽引車作為載體，能實現(xiàn)立樁、旋樁、脫樁全自動化。示意圖和局部放大示意圖如圖2所示。

圖2 自動旋樁機示意圖和放大示意圖

設(shè)計的自動旋樁機工作步驟為：自動旋樁機就位→埋設(shè)護筒→鉆桿6的動力頭10輕著地后，啟動減速機，減速機的輸出軸驅(qū)動第一主動齒輪14旋轉(zhuǎn)，第一主動齒輪14通過第一過橋齒輪13嚙合傳遞動力給第一被動齒輪11，第一被動齒輪11帶動第一傘齒輪和第二傘齒輪12旋轉(zhuǎn)，第二傘齒輪12帶動導(dǎo)桿3轉(zhuǎn)動→導(dǎo)桿3上的第二主動齒輪16同步轉(zhuǎn)動，第二主動齒輪16通過第二過橋齒輪17嚙合傳遞給第二被動齒輪20，第二被動齒輪20帶動絲桿1轉(zhuǎn)動，絲桿1將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，絲桿1帶動鉆桿6完成下降動作→動力頭10開鉆，動力頭10逐步深入→鉆孔完成，清孔并測定深度→放入鋼筋籠和導(dǎo)管→進行混凝土灌注→拔出護筒并清理樁頭沉淤回填，成樁。

自動旋樁機特征在于：包括相互平行的絲桿1和導(dǎo)桿3；絲桿1和導(dǎo)桿3均固定在機架7上；絲桿1的一端連接鉆桿6；絲桿1和導(dǎo)桿3均穿過第二同步板15；第二同步板15一面固定第二齒輪組；第二齒輪組包括多個嚙合傳動的第二機械傳動件；絲桿1和導(dǎo)桿3分別穿過第二機械傳動件；導(dǎo)桿3的端部和動力機構(gòu)相連；動力機構(gòu)包括減速機和牽引板21；牽引板21的一面固定第一齒輪組；第一齒輪組包括多個嚙合傳動的第一機械傳動件；牽引板21的另一面固定相互咬合的第一傘齒輪和第二傘齒輪12；第一傘齒輪和第一機械傳動件通過傳動軸連接；減速機的輸出軸連接傳動軸。鉆桿6和導(dǎo)桿3還同時穿過第一同步板8；第一同步板8和第二同步板15相互平行。鉆桿6和第一同步板8連接處設(shè)置固定套9；鉆桿6和固定套9過盈配合。第一齒輪組包括相互嚙合的第一主動齒輪14、第一過橋齒輪13和第一被動齒輪11；第一主動齒輪14、第一過橋齒輪13和第一被動齒輪11均固定在牽引板21的一面；傳動軸依次穿過第一被動齒輪11、牽引板21和第一傘齒輪。第二齒輪組包括相互嚙合的第二主動齒輪16、第二過橋齒輪17和第二被動齒輪20；導(dǎo)桿3穿過第二主動齒輪16；絲桿1穿過第二被動齒輪20。鉆桿6的端部固定在固定架19上；固定架19貼合第二機械傳動件。導(dǎo)桿3的頂部通過第一固定板4和第一緊固元件5固定在機架7之上。鉆桿6包括動力頭10；動力頭10的外壁設(shè)置多圈螺紋。機架7包括橫梁和一組立柱；一組立柱支撐橫梁，且橫梁和立柱相互垂直。

自動旋樁機的使用方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟S1：自動旋樁機就位，埋設(shè)護筒。

步驟S2：鉆桿6的端部輕著地后，啟動減速機，減速機的輸出軸驅(qū)動第一齒輪組旋轉(zhuǎn)，第一齒輪組帶動第一傘齒輪和第二傘齒輪12旋轉(zhuǎn)，第二傘齒輪12帶動導(dǎo)桿3轉(zhuǎn)動。

步驟S3：導(dǎo)桿3帶動第二齒輪組轉(zhuǎn)動，第二齒輪組帶動絲桿1轉(zhuǎn)動，絲桿1將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，絲桿1帶動鉆桿6完成下降動作。

步驟S4：鉆桿6鉆，鉆桿6逐步深入，鉆孔完成，清孔并測定深度，放入鋼筋籠和導(dǎo)管，進行混凝土灌注，拔出護筒并清理樁頭沉淤回填，成樁。

4 結(jié)束語

自動旋樁機的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：一是自動化程度高、機動性好、結(jié)構(gòu)新穎、方便實用，可方便、快捷地實現(xiàn)自動脫樁，更好地滿足建筑施工、搶險救災(zāi)的需要。二是能夠在無人工接觸的情況下實現(xiàn)自動旋樁、脫樁，整個旋樁過程快速、穩(wěn)定、安全。它有效地克服了傳統(tǒng)打樁機在使用過程中存在的操作不便、安全性差、生產(chǎn)效率低和噪聲過大等問題。三是使用手扶牽引機作為驅(qū)動載體，不需外接電源，機動靈活，安全可靠。

本文設(shè)計的自動旋樁機會將人員數(shù)量降低至1人，并且減少人員體力消耗，保證安全性、便攜性，能夠運用到現(xiàn)場工作中，后續(xù)創(chuàng)新小組將繼續(xù)開展旋樁機的研制和現(xiàn)場測試工作。