行新学
中国电建集团重庆工程有限公司
[摘要]山地光伏电站施工过程中，桩基施工费用占电站总造价比例逐步上升，针对常规桩基设计与施工工艺材料消耗量大，机械使用要求高等问题，依托于贵州贞丰县挽澜窑上及长田下布克二期光伏电站项目，通过优化桩基设计，提出了变截面光伏微孔灌注桩设计方案，并研制出可安装于挖机上的挤压头，开发出挖机冲击挤压成孔的施工工艺，达到了施工过程高效、环保的良好效果，解决了桩基施工成本高的难题。本成果适用于山地光伏电站建设领域，具备较高的推广价值。
[关键字]光伏；桩基；预埋螺栓；挤压
1、前言
随着我国山地光伏电站数量增多，光伏组件的制造水平逐步提高，产品价格在整个电站造价中所占比例逐步降低，而其桩基施工仍延续传统工艺，造成桩基施工费用占电站造价比例逐步上升。
常规光伏设计时，其桩基地下部分与地上部分为相同截面，其截面尺寸主要取决于光伏支架的底板尺寸与地质状况。由于光伏桩基受力不大，地下部分截面尺寸要求不高，但受光伏支架底板尺寸影响，为保证光伏支架底板顺利安装，往往造成桩基截面偏大，从而使混凝土用量增加，且钻孔施工难度加大。
常规光伏桩基施工时，多采用潜孔钻冲击回转钻孔或重锤挤压成孔工艺，机械台班费偏高，且燃油消耗偏大。
本文依托于贵州贞丰县挽澜窑上及长田下布克二期光伏电站项目，通过技术创新，研究一种山地光伏桩基设计与施工新工艺。包括设计一种变截面光伏微孔灌注桩设计，以及研制一套可安装于挖机上的挤压头进行挤压成孔。
2、依托工程简介
挽澜窑上光伏电站项目，规划装机容量50MW，长田下布克二期光伏电站项目，规划装机容量30MW。两个项目均位于贵州省贞丰县境内，距离贞丰县政府约12km，场地共分为较大的5块，海拔高程在1470-1720m之间，主要坡度主要为北坡，坡度在25°左右，总占地面积约2500亩。两个项目合建1座110KV升压站，并通过6.28km单回110KV线路送出至对侧白蜡变电站。
本工程采用435Wp及440Wp光伏组件，合计24万块。每20块组件串联成1个组串，每300个组串合并为1个方阵，共计40个方阵。
每个组串由4根直线排列的φ300桩基作为基础，每个桩基顶部预埋M14×500的U型地脚螺栓2套，基础上安装光伏组件支架。桩基混凝土为C30，钢筋由6根φ10圆钢作为主筋，外箍φ6圆钢螺旋封闭。根据地质条件不同，桩基长度略有差别。当表面黏土厚度0.5m以内时，桩基嵌岩深度0.8m，整长1m；当表面黏土厚度0.5-1.1m时，桩基嵌岩深度1.3m，整长1.5m；当表面黏土厚度1.1m以上时，桩基地下部分深度1.6m，整长1.8m；设计结构使用年限25年，安全等级为三级。
3、桩基设计优化
3.1 桩基原始设计
根据设计方提出的第一版施工图，桩基地上部分及地下部分采用等截面灌注桩，截面尺寸φ300，地上部分200mm。原始设计见图3-1：桩基原始施工图。
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根据原始施工图，在成孔施工时，需要选用φ300钻头，已达到目前市场上常规潜孔钻钻孔能力极限，施工难度增加，对机械损耗加大。施工前对图纸进行审核，施工人员提出是否可以修改为等截面φ250桩基时，设计方认为光伏组件重量较轻，桩基承载力不大，地下部分截面尺寸要求不高。
但本工程光伏支架底板尺寸为250×250，若选用φ250桩基，在支架无法安装。为此需要对桩基尺寸进行设计优化。
3.2 桩基优化设计
设计一种变截面光伏微孔灌注桩，地下部分截面尺寸为φ250，地上部分截面尺寸为φ300。见图3-2：变截面桩基图。
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使用变截面桩基，难点在于截面过渡部分处理。成孔过程中，由于混凝土保护层厚度为35mm，如果钢筋通长均按φ250截面设计，则造成顶部混凝土保护层厚度偏大。因此，顶部钢筋需按φ300截面进行设计。
根据优化方案，在施工现场与设计方进行沟通，获得了设计人员认可。
4、成孔机械研制
根据实际地质状况，光伏区分为三种地质类型：A类为纯土层地质结构、B类为上部土层+下部岩石结构、C类为纯岩石地质结构。对于B类与C类地质结构，由于纯粹的挤压成孔工艺无法实施，只能选择潜孔钻冲击回转钻孔。但对于A类地质结构，如果选择潜孔钻冲击回转钻孔或重锤挤压成孔，则施工成本偏高。
在A类地质结构中，我们研制一套可安装于挖机上的挤压头进行挤压成孔，利用挖机的冲击力进行成孔。挤压头的结构见图4-1：挤压头结构图。
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使用时，该挤压头安装于挖机破碎头内，将破碎头原有的破碎杆取消，安装本挤压头即可，挖机的操作与岩石破碎操作方法相同，各挖机司机均可熟练掌握相应技能。
5、经济技术对比
在桩基设计过程中，如采用原设计方案，单根桩基混凝土量为0.106m3，螺旋箍钢筋工程量为1.6785kg；使用变截面桩基优化设计后，单根桩基混凝土量为0.074m3，螺旋箍钢筋工程量为1.3339kg；贵州贞丰光伏工程共计4.8万根桩基，节约混凝土量1536m3，节约钢筋16.54t。节约材料费57.54万元，节约钢筋混凝土施工人工费46万元，合计产生经济效益103.54万元。
在成孔工艺改进中，采用常规潜孔钻施工，机械台班费为140元/孔，使用320挖机成孔，机械台班费为40元/孔，且挖机比潜孔钻燃油消耗量降低40%左右。贵州贞丰光伏工程A类地质结构区域约1.2万根桩基，合计产生经济效益约120万元。
因此，通过山地光伏桩基设计与施工工艺优化，贵州贞丰光伏工程预计产生经济效益203.54万元。
6、结论
变截面光伏微孔灌注桩设计可行，施工操作简单，在常规等截面灌注桩基础上，施工工艺未发生变化，但材料用量极大降低。该设计方案不受光伏支架尺寸限制，既能够保证足够的承载力，又可满足光伏支架安装要求。
可安装于挖机上的挤压头研制成功后，直接以挖机代替潜孔钻作业，可用于纯土层地质结构中的桩基成孔，机械租赁价格降低，且节约能源消耗，促进节能减排。
因此，山地光伏桩基设计与施工工艺的优化达到了节约施工成本，促进节能减排的作用，是一种高效、环保的建筑施工技术，该技术在贵州贞丰光伏工程得到成功应用，并可适用于所用山地光伏电站建设领域，具备较高的推广价值。
参考文献：
[1] 《变截面钻孔灌注桩的计算与分析》湖南大学，程翔云，公路1989年第1期。
[2] 《嵌岩变截面桩断面的选择与计算分析》贵州工业大学土建系，王小敏，刘玉等，贵州工业大学学报：自然科学版2000年第1期。
[3] 《旋转挤压灌注桩施工工法与工程应用》延边大学工学院，张宏博，方光秀，南元，赵世范，山西建筑2017年第16期。
[4] 《冲击成孔混凝土灌注桩施工技术》浙江天地环保工程有限公司，徐肖波，建筑工程技术与设计2016年第6期。