槽式太陽能熱發電站中槽式集熱器樁基礎的施工工藝研究

劉大勇

摘 要：以某槽式太陽能熱發電站的集熱場施工工程為例，在國內尚無相關成熟施工工藝的現狀下，針對槽式集熱器樁基礎施工工程量大，以及地腳螺栓施工精度高、工期緊的特點，對槽式集熱器樁基礎及地腳螺栓安裝、固定的施工工藝進行了研究。在滿足工程實踐需求的前提下，從樁基礎點位測量、樁基礎成孔、鋼筋籠的制作與安裝、地腳螺栓固定架的設計和制作、地腳螺栓的安裝及固定、混凝土澆筑等各方面對槽式集熱器樁基礎施工工藝流程進行了多次論證和現場實際驗證，最終提出了一套獨特的槽式太陽能熱發電站中槽式集熱器樁基礎的施工工藝。通過實際工程驗證，該槽式集熱器樁基礎施工工藝有效控制了地腳螺栓的施工質量，從而確保了槽式集熱器的安裝精度，并在大幅加快現場施工進度的基礎上滿足了工程的施工要求。該施工工藝可廣泛應用于其他大規模槽式太陽能熱發電站的槽式集熱器樁基礎施工中。

關鍵詞：槽式太陽能熱發電；槽式集熱器；樁基礎；地腳螺栓；地腳螺栓固定架；施工工藝

中圖分類號：TK513.5 文獻標志碼：A

0? 引言

太陽能熱發電站集發電和儲能于一身，因其獨有的大規模且低成本儲能使其可實現長周期連續發電，在中國正面臨前所未有的發展機遇。自第1批太陽能熱發電示范電站開工投運以來，“太陽能熱發電+光伏發電”或“太陽能熱發電+風電”等模式的大型新能源基地的建設方興未艾。

在槽式太陽能熱發電站的建設過程中，槽式集熱器樁基礎地腳螺栓施工的工程量大、精度要求高、進度緊張，其施工精度和速度將極大影響槽式集熱器的安裝精度和進度，并會影響實際運行時槽式集熱器跟蹤太陽的精度，從而影響整個槽式太陽能熱發電系統的集熱效率，最終對其發電量造成影響。因此，槽式集熱器樁基礎地腳螺栓的施工精度和速度是槽式集熱器安裝精度和進度的根本保證。

本文以某槽式太陽能熱發電站的集熱場施工工程為例，對槽式集熱器樁基礎的施工工藝進行研究。該項目的槽式集熱器占地面積占整個槽式太陽能熱發電站占地面積的94%以上，約為3400畝（1畝≈666.67 m2），在整個槽式太陽能熱發電站建設中工程量最大、工期最緊張，且建設時國內尚無成熟施工經驗可參考。該熱發電站的集熱場中共有190個集熱回路，每個集熱回路共4列槽式集熱器，為南北向布置；每列槽式集熱器長約148 m，包含13根單樁基礎；每根樁基礎有4個地腳螺栓（作為1組地腳螺栓組）。因此，該集熱場共計有760列槽式集熱器、9880根樁基礎、39520個地腳螺栓，施工量極大。

除施工量大之外，本槽式太陽能熱發電工程的施工工期也非常緊張。國外的槽式太陽能熱發電站通常是先建設集熱場，僅集熱場的施工工期就約為18個月；而本工程的集熱場標段招標滯后，同時無設計經驗，需請外方專家進行基礎設計和施工圖設計的核準，從簽訂工程總承包（EPC）合同到集熱場施工完成僅有不超過12個月的時間，扣除設計時間后施工時間不超過10個月，工期極為緊張。同時，由于要保證每列長148 m的槽式集熱器在電站整個生命周期內可以同軸旋轉幾萬次，設計要求對每根樁基礎地腳螺栓的定位精度要求極高。單列槽式集熱器的現場情況如圖1所示。

圖1? 單列槽式集熱器的現場情況

Fig. 1? On-site situation of single row trough collectors

國內尚無大規模且高精度的帶地腳螺栓的樁基礎施工工程案例，其他非槽式太陽能熱發電工程的樁基礎施工和地腳螺栓的安裝方式也遠不能滿足槽式太陽能熱發電工程施工現場的要求。雖然火電工程中鍋爐爐架基礎螺栓的安裝精度較高，一些太陽能熱發電試驗項目中也涉及了槽式集熱器樁基礎螺栓的安裝工作，但這些工程中螺栓安裝數量少，且一般都采用慢工出細活的方式，可以花費半個多月的時間安裝1臺鍋爐或幾個槽式集熱器的螺栓；此外，國外類似的大規模帶地腳螺栓的樁基礎施工工程實例提供的信息也比較零散，不成體系，無法直接套用。

基于此，本文在滿足工程實踐需求的前提下，針對槽式集熱器樁基礎施工的工程量大，以及地腳螺栓施工精度高、工期緊的特點，通過分析槽式集熱器的運行方式，對大規模樁基礎地腳螺栓的安裝和固定方式進行研究，并提出一套獨特的槽式太陽能熱發電站中槽式集熱器樁基礎施工工藝。該施工工藝針對槽式集熱器樁基礎施工工藝全流程每一道工序進行質量控制，重點研究專用的地腳螺栓固定架，以及地腳螺栓的定位、安裝及固定，并進行多次論證和現場實際驗證。

1? 施工工藝及要點

槽式集熱器樁基礎的施工規模大，采用的是比較特殊的單樁基礎，且需要滿足整列槽式集熱器同軸高精度旋轉，因此在樁基礎地腳螺栓的安裝過程中，核心要點在于地腳螺栓固定架的制作精度及其自身的固定方式、地腳螺栓的點位測放和定位精度，以及每個地腳螺栓相對位置的安裝及固定精度。地腳螺栓固定架自身的固定方式應滿足混凝土澆筑振搗時牢固可靠的要求；同時，大規模槽式集熱器樁基礎的施工需要具備施工成本低、速度快、普通技術工人易掌握、易操作等特點。

在對各類地腳螺栓的施工經驗進行分析研究的基礎上，經過前期論證和后期實際驗證優化，編制了槽式集熱器樁基礎地腳螺栓施工的核心施工工藝。整個槽式集熱器樁基礎的施工工藝流程為：準備材料、設備及工器具→利用全球定位系統（GPS）定位儀進行樁基礎點位測放→樁基礎成孔→鋼筋籠的初步安裝、起吊與固定→地腳螺栓的安裝、找正、固定和鋼筋籠的調整→樁基礎頂部模板的安裝→混凝土的澆筑和養護→地腳螺栓固定架和樁基礎頂部模板的拆除→地腳螺栓的保護。下文針對該施工工藝中具體工序的操作步驟及要點進行詳細闡述。

1.1? 準備材料、設備及工器具

槽式集熱器樁基礎施工需要的主要設備和工器具包括：GPS定位儀、全站儀、水準儀、倒鏈、細鋼絲、鉗子、自制鋼筋籠起吊龍門架、自制鋼筋籠龍門架、自制地腳螺栓固定架、地腳螺栓找正板、混凝土放料器、旋挖鉆機等，以上設備和工器具應準備到位并檢驗合格。

特別要重點指出的是，由于對每列槽式集熱器各個樁基礎中心位置，尤其是地腳螺栓安裝時每組地腳螺栓組的十字中心線的精度要求很高，但因每列槽式集熱器（ 南北向） 的地勢存在1% 的坡度且單列槽式集熱器的長度較長，再加上要求測量速度快，因此不適宜采用鋼卷尺進行測放，而是采用細鋼絲配合精度較高的全站儀進行測放。

根據樁基礎施工方案的圖紙，制作2個鋼筋籠起吊龍門架；制作10列鋼筋籠龍門架，每列13個，共130個；制作20列專用的地腳螺栓固定架，每列13套，共260套，用于地腳螺栓的固定。鋼筋籠起吊龍門架、鋼筋籠龍門架及地腳螺栓固定架可以周轉使用，且具體數量可根據工期及工人對施工工藝的熟悉程度進行適當增減。

1.2? 利用GPS定位儀進行樁基礎點位測放

采用GPS定位儀進行控制樁的測量放樣，形成封閉的測量控制網。采用GPS定位儀在每列樁基礎的首、尾樁基礎點位外側進行槽式集熱器中心軸線的控制樁點位測放，并用鋼筋頭砸入地里做標識?？刂茦饵c位與樁基礎點位之間的距離通常在5 m以上，以避免樁基礎鉆孔和機械移動時的震動影響。另外，還應對控制樁點位做好保護措施，避免被損壞。

由于控制樁是每列槽式集熱器從樁基礎成孔、地腳螺栓安裝到槽式集熱器安裝的基準，對定位精度的要求極高，因此對其點位進行測放時一定要在定位好的鋼筋頭上刻劃十字中心線，以十字中心線的中心點作為基準，從而可確保歷次測放時控制樁點位的一致性。

每列槽式集熱器樁基礎的南北向軸線與地理方向的南北向之間的誤差角度應小于0.05°，換算后間距為148 m 的首、尾樁基礎的東西向坐標誤差不超過12.9 cm。在GPS定位儀定位基準點準確的情況下，其測量得到的每個樁基礎點位的坐標誤差一般不超過2 cm，采用GPS定位儀測量可保證每個樁基礎點位的定位精度和施工進度，使地腳螺栓的安裝精度能夠滿足工程要求。

由于本工程中槽式集熱器樁基礎采用的是單樁基礎，單列長148 m的槽式集熱器需要同軸旋轉，其對樁基礎點位的定位精度要求遠超過采用群樁基礎時對樁基礎點位的定位精度要求，具體的精度要求為：南北向兩個樁基礎間距的測量誤差需小于20 mm，東西向兩個樁基礎的坐標誤差需小于20 mm。但在該誤差范圍內需要考慮鋼筋籠保護層及其主筋與地腳螺栓位置可能存在沖突，還需要考慮鉆孔的誤差，因此實際測量時對樁基礎點位的定位精度要求遠高于前述精度要求。需采用全站儀利用首、尾控制樁點位沿南北向一次性放出整列樁基礎點位且測放后的點位誤差應小于等于5 mm，并用鐵釘加醒目色帶標識定位點。

1.3? 樁基礎成孔

本工程中樁基礎的直徑大多為1 m，采用旋挖鉆機進行樁基礎孔位的鉆孔施工。槽式集熱器的安裝對樁基礎孔位的精度要求較高，除了對點位測放精度要求高以外，樁機的定位也非常重要。由于鉆頭本身的中心位置并不明顯，因此需要在鉆頭護筒邊緣處采用十字拉線的方式進行鉆頭中心位置的找正，以確保鉆頭中心對準樁基礎點位，從而可以確保鉆進時定位準確；鉆頭中心找正后，對旋挖鉆機的鉆桿、桅桿的垂直度進行調整，并在調整好后鎖定。

在鉆孔作業開始階段，為避免旋挖鉆機抖動過大造成鉆孔位置偏差過大，鉆進速度一定要先慢后快，剛開始每次進尺約為50 cm，待鉆進速度正常、鉆桿的抖動明顯減小且穩定后，可以適當加大進尺，每次進尺控制在80 cm左右。鉆孔達到設計高程后，需對孔的深度、直徑、垂直度及孔底沉渣的厚度按設計要求進行檢查，并使用自制工具，人工將樁基礎底部的浮土或沉渣清理干凈。

1.4? 鋼筋籠的初步安裝、起吊與固定

鋼筋籠首先采用隨車吊安放到樁孔中，準確安放就位后，將其固定在安裝好的專用的鋼筋籠起吊龍門架上，將鋼筋籠升高至設計標高的位置后，再將其初步固定在鋼筋籠龍門架上。需要強調的是，鋼筋籠龍門架在樁基礎混凝土澆筑完成且初凝后才能拆除；另外，應避免鋼筋籠龍門架的安放位置與后續工序中采用的地腳螺栓固定架的安放位置沖突，鋼筋籠龍門架為東西向安放，地腳螺栓固定架為南北向安放。為避免鋼筋籠固定在鋼筋籠龍門架之后難以擺放地腳螺栓固定架，可在鋼筋籠龍門架安裝前預先將地腳螺栓固定架及地腳螺栓大致擺放到位。

鋼筋籠起吊龍門架及鋼筋籠龍門架的樣式示意圖如圖2所示。鋼筋籠起吊和固定過程中的現場圖如圖3所示。

1.5? 地腳螺栓的安裝、找正、固定和鋼筋籠的調整

1.5.1? 地腳螺栓固定架的選型與制作

由于要保證長度達148 m的單列槽式集熱器同軸旋轉，因此對地腳螺栓安裝位置的精度要求極高。根據外方專家的設計要求，將此精度要求轉化為實際操作時的誤差控制標準為：每根樁基礎的4個地腳螺栓為1組，每組地腳螺栓組的兩條中心線（即南北向及東西向的中心線）與南北向軸線和東西向軸線之間的水平誤差應小于等于2.5 mm，相對標高差在0～10 mm之間；每組4個地腳螺栓的重直度誤差和中心線水平誤差應小于等于2.5 mm，每組地腳螺栓組的中心位置誤差應小于等于2.5 mm。若超過此誤差范圍，地腳螺栓的安裝位置需要重新測放。

同一組地腳螺栓組內每個地腳螺栓的相對位置采用專門定制的地腳螺栓固定架進行控制。同一列樁基礎的每組地腳螺栓組的兩條中心線采用全站儀進行測放，利用樁基礎成孔階段測放的各列的首、尾控制樁，將每個樁基礎地腳螺栓組的東西向和南北向的中心線測放在地腳螺栓固定架的十字中心線上，且二者的東西向和南北向的中心線誤差都控制在2 mm以內。

地腳螺栓固定架上留出的地腳螺栓孔位置及孔徑的精度對工程中地腳螺栓的安裝精度和進度至關重要，其是地腳螺栓安裝精度控制最核心的工藝。工程前期與外方專家溝通后了解到，國外工程中一般采用高強度鋁型材制作地腳螺栓固定架，但造價極高。經過實際試驗，本工程的地腳螺栓固定架的上、下兩塊地腳螺栓固定鋼板均采用在加工廠中經過機床精加工的鋼板，以本工程采用的槽式集熱器作為樣本，在固定鋼板上打出單個樁基礎地腳螺栓組的十字中心線的鋼印記，并確保固定鋼板上地腳螺栓孔的位置準確，且孔徑控制在比地腳螺栓直徑大1 mm，4個地腳螺栓孔的間距誤差小于等于1 mm。鋼板的厚度為6 mm，能保證在地腳螺栓固定架加工和固定過程中不會對固定鋼板上的地腳螺栓組十字中心線精度和地腳螺栓孔精度產生影響。

地腳螺栓固定架的主骨架采用壁厚為3 mm、橫截面尺寸為80 mm×80 mm的方鋼焊接而成，在主骨架與固定鋼板上地腳螺栓孔相對應的地方也鉆出地腳螺栓孔。為避免固定鋼板焊接時變形，固定鋼板與主骨架之間采用錨釘進行錨固。

為避免地腳螺栓固定架在固定時產生不均勻沉降且便于其高程的調整和調平，采用套絲圓鋼制作該固定架的4個支腿，轉動支腿可以調節地腳螺栓固定架的高度；支腿頂部為方頭，便于利用工具轉動支腿；4個支腿下部插入與圓形地面墊板連成一體的圓管套筒中，以調節地腳螺栓固定架的平整度；穿過支腿的螺栓開孔孔徑需比螺栓直徑大10 mm，螺栓墊片的內徑與螺栓直徑相同，外徑需比支腿的螺栓開孔孔徑大10 mm，用于微調整個地腳螺栓固定架（支腿及圓形地面墊板不動）的平面位置。

1.5.2? 地腳螺栓固定架的位置測放、地腳螺栓的安裝和鋼筋籠的調整

地腳螺栓固定架的位置測放及固定是地腳螺栓安裝精度控制工藝中最核心的工藝。此環節的基本工藝流程為：地腳螺栓固定架的位置粗放及高程調整→精調地腳螺栓固定架的中線位置及高程并固定→地腳螺栓的安裝與固定。

在鋼筋籠龍門架安放好并初步固定好鋼筋籠后，安放地腳螺栓固定架。首先用?0.2 mm細鋼絲大致拉出樁基礎的中心線，然后擺放地腳螺栓固定架，細鋼絲放置高度略高于地腳螺栓固定架上表面的高度，并粗調地腳螺栓固定架使其中心線與細鋼絲對齊。采用全站儀將1列13個樁基礎的地腳螺栓固定架的中心點位置（即每組地腳螺栓組的中心位置）都調整到設計坐標位置；再使用水準儀對地腳螺栓固定架進行水平調整，并將地腳螺栓固定架南北向中心線調整到與該列樁基礎南北向中心線完全一致，施工現場如圖5、圖6所示；最后再利用全站儀調整各地腳螺栓固定架南北向的相對位置，此時地腳螺栓固定架的定位完成。另外，調整完成后需要將整列中心線的細

鋼絲分成4段，便于人員和機械在段與段之間行走。

地腳螺栓固定架安放好后，利用水平尺來安放地腳螺栓，并保證地腳螺栓全長的垂直度誤差在2 mm以內，使用水準儀控制地腳螺栓頂部的水平標高，如圖7所示，并用螺帽固定牢固。

地腳螺栓精確找正完畢后，用兩個螺帽將地腳螺栓牢固固定在地腳螺栓固定架上，再利用土袋或鋼管固定架對地腳螺栓固定架的兩端進行固定，以確保其位置不發生偏移。其中，采用鋼管固定架進行固定時，鋼管需打入地基土中，但打入過程會擾動周圍地基土，進而引起地腳螺栓固定架的位移，因此需要在地腳螺栓固定架位置大致確定后且未調整到位前打入鋼管。當地基土承載力較強、壓縮性不高時，可采用在地腳螺栓固定架上堆土袋壓重的方法對其進行固定。在地腳螺栓安裝調整的過程中，由于鋼筋籠的頂部鋼筋較多，很可能與地腳螺栓的安裝位置相沖突，此時應將鋼筋籠適當移位。澆筑混凝土前應再次使用全站儀進行位置復核，以避免地腳螺栓安裝完成后因各種原因發生位置偏移。

為進一步加快地腳螺栓的安裝進度，可增加利用專用的地腳螺栓找正板對地腳螺栓組進行定位的工序。地腳螺栓找正板采用與地腳螺栓固定架頂部固定鋼板的規格尺寸完全相同的鋼板，在精加工機床上開出1組地腳螺栓孔并打出十字中心線的鋼印記。二者唯一的區別在于地腳螺栓孔的尺寸，頂部固定鋼板上地腳螺栓孔的孔徑比地腳螺栓的直徑大1 mm；地腳螺栓找正板上地腳螺栓孔的孔徑略小，與地腳螺栓直徑相同。

在增加利用地腳螺栓找正板對地腳螺栓組進行定位這道工序后，可適當降低前文所述的地腳螺栓固定架及地腳螺栓的水平位置調整標準。在地腳螺栓頂部標高及水平位置基本調整到位并稍擰緊后，將地腳螺栓找正板套進地腳螺栓頂部但不冒頭；再通過代表整列樁基礎中心線的細鋼絲和全站儀來調整地腳螺栓找正板的中心線，使其與當前地腳螺栓組的設計中心線重合，從而對地腳螺栓的位置進行精確調整；最后再擰緊地腳螺栓固定架上、下的螺帽來固定地腳螺栓。利用專用的地腳螺栓找正板對地腳螺栓組進行定位的現場圖如圖8所示。如果在地腳螺栓的找正過程中發現僅調整地腳螺栓不能滿足找正要求時，需適當移動地腳螺栓固定架，同時復測地腳螺栓固定架的水平度。通過增加利用專用的地腳螺栓找正板對地腳螺栓組進行定位這道工序，可進一步提高地腳螺栓的安裝速度。

1.6? 樁基礎頂部模板的安裝

樁基礎頂部模板的制作方法為：采用兩塊半圓模板，沿模板的上、下半圓邊沿分別焊接厚度為4 mm、寬度為30 mm的鋼板檐口；半圓模板外側壁上對稱分布加勁肋，以提高樁基礎頂部模板的整體剛度；半圓模板側壁對接處采用螺栓對接，螺栓口上、下對稱分布，以保證兩塊半圓模板對接后接縫嚴密，此時樁基礎頂部模板制作完成，其示意圖如圖9所示。

由于整體工程各樁位處地面高程與設計高程之間的誤差一般會超出標準范圍，因此建議根據現場實際情況，在制作樁基礎頂部模板時將其主高度加高一些，以便于安裝。

因樁基礎頂部模板是采用兩塊半圓模板拼接而成，將地腳螺栓固定架安裝好后再放入樁基礎頂部模板很困難，因此應提前將該模板擺放到位，等地腳螺栓安裝固定完畢后，再安裝樁基礎頂部模板，樁基礎頂部模板的中心點與該樁基礎地腳螺栓組中心點的誤差盡可能控制在5 mm以內。樁基礎頂部模板安裝完成后，應再對鋼筋籠保護層進行調整，使其滿足設計要求。

1.7? 混凝土的澆筑和養護

本工程使用專用的混凝土放料器進行卸料，既方便移動，又可以提高混凝土的澆筑速度。該放料器出口位置設計有混凝土防濺擋板，可避免混凝土污染地腳螺栓固定架?；炷练帕掀鞯默F場照片如圖10所示。

在混凝土澆筑過程中，應注意避免混凝土碰觸地腳螺栓固定架和地腳螺栓?；炷翝仓瓿珊?，應及時對樁基礎頂部外露的混凝土進行養護，通常采用在外露混凝土上覆蓋塑料薄膜的方式，但當氣溫較低，尤其是在冬季時，還應加蓋棉氈、棉被來保溫。

1.8? 地腳螺栓固定架和樁基礎頂部模板的拆除

拆除地腳螺栓固定架時應注意拆除時機，太早拆除容易造成地腳螺栓松動，太晚拆除會導致地腳螺栓固定架的周轉率下降；一般在混凝土終凝后即可拆除地腳螺栓固定架，但拆除時應避免硬撬。

樁基礎頂部模板應與地腳螺栓固定架同步拆除，且需要把控好模板的拆除時間，樁基礎頂部模板太早拆除易導致樁基礎出現缺棱掉角的情況；太晚拆除易導致樁基礎頂部模板被混凝土凝固住，出現模板拆除困難的情況。

1.9? 地腳螺栓的保護

地腳螺栓固定架和樁基礎頂部模板拆除后，應繼續對樁基礎進行保溫養護，直到符合混凝土施工相關規范規定的時間，并采用在地腳螺栓外露部分涂抹黃油及添加保護套管的方式來保護地腳螺栓。

1.10? 小結

通過前文所述的施工工藝，特別是針對地腳螺栓固定架的制作、安裝及地腳螺栓的安裝、固定等關鍵工藝的探索和驗證，最終形成了一套成熟的槽式集熱器樁基礎施工工藝。本工程采用該施工工藝，在施工過程中嚴格把關，歷時5個多月將整個集熱場所有槽式集熱器的樁基礎施工完成，大幅加快了施工進度，滿足了工期要求；經過后期槽式集熱器的安裝驗證，所有樁基礎地腳螺栓的技術參數均滿足槽式集熱器的安裝和運行要求。同時，與國際上同類工程相比，施工費用大幅降低，特別是地腳螺栓固定架的制作費用僅為國外同類工程中地腳螺栓固定架的1/10。

2? 結論

本文以某槽式太陽能熱發電站的集熱場施工工程為例，在滿足工程實踐需求的前提下，提出了一套獨特的槽式太陽能熱發電站中槽式集熱器樁基礎的施工工藝，并重點研究了專用的地腳螺栓固定架、地腳螺栓的定位、安裝及固定。通過實際工程驗證，所提出的槽式集熱器樁基礎施工工藝提高了樁基礎地腳螺栓的安裝精度，有效控制了地腳螺栓的施工質量，并在大幅加快現場施工進度的基礎上滿足了工程的施工要求。該槽式集熱器樁基礎施工工藝開創了國內大規模槽式太陽能熱發電站集熱場樁基礎施工的先河，在國際上也處于領先水平，能廣泛應用于其他槽式太陽能熱發電站的施工中。

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