背包鉆機(jī)在山區(qū)特高壓線路工程中的應(yīng)用

黃呂衛(wèi)，婁鳳強(qiáng)，唐　爽，姜　磊，趙　棟

（1.甘肅省電力設(shè)計(jì)院，蘭州　730050；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南　250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東　棗莊　277000）

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背包鉆機(jī)在山區(qū)特高壓線路工程中的應(yīng)用

黃呂衛(wèi)1，婁鳳強(qiáng)2，唐爽2，姜磊3，趙棟1

（1.甘肅省電力設(shè)計(jì)院，蘭州730050；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東棗莊277000）

摘要：背包鉆機(jī)作為一種便攜輕型鉆探設(shè)備，應(yīng)用于揭露覆蓋層厚度及巖石風(fēng)化層劃分等工作中具有良好效果，在特高壓工程工期緊、要求高的特殊情況下能夠解決一些實(shí)際問題，保證勘測質(zhì)量。以某特高壓工程為例，結(jié)合實(shí)際巖土工程勘察過程中背包鉆機(jī)的應(yīng)用情況，通過與傳統(tǒng)鉆機(jī)對比，總結(jié)背包鉆機(jī)在山區(qū)特高壓工程中的優(yōu)勢及適用條件，為今后同類工程的勘察工作增添了新的有效手段，能夠大大提高工作效率，提升勘察質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：背包鉆機(jī)；山區(qū)；特高壓；輸電線路

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展與進(jìn)步，人們逐漸意識到當(dāng)前所面臨氣候環(huán)境問題的嚴(yán)峻性，而這又與日益增長的能源需求問題相互制約。特高壓工程作為解決這一矛盾的理想選擇，越來越受到重視。同時(shí)，受益于我國電網(wǎng)工程技術(shù)的日趨成熟，特高壓工程的建設(shè)與運(yùn)行得到保障，但對特高壓工程建設(shè)前期勘察工作的要求也越來越高，尤其在山區(qū)等地段，對現(xiàn)有的勘察手段及方法提出了挑戰(zhàn)。

針對現(xiàn)有勘察手段與方法難以滿足山區(qū)特高壓工程“逐級鉆探、逐腿勘探”要求的情況，本文以某特高壓工程山區(qū)段為例，通過背包鉆機(jī)與傳統(tǒng)鉆機(jī)在勘察工作中的實(shí)際應(yīng)用情況對比［1-2］，總結(jié)背包鉆機(jī)在山區(qū)特高壓工程中的優(yōu)勢所在及適用條件，為山區(qū)特高壓工程勘察工作增添有效手段，同時(shí)還指出不足與改進(jìn)方向。

1　工程概況

±800 kV上海廟—山東特高壓工程，起于內(nèi)蒙鄂爾多斯上海廟換流站，途經(jīng)內(nèi)蒙、陜西、山西、河北、河南、山東6省，其中設(shè)計(jì)14標(biāo)自山東省寧陽縣磁窯鎮(zhèn)境內(nèi)開始，至平邑與蒙陰縣分界處結(jié)束。工程沿線地形地貌主要為低山丘陵地貌，局部為河流階地。地層巖性分布特征為：上覆厚度不等的第四系地層，主要為粉土、粉質(zhì)粘土及碎石土地層；下伏基巖地層則主要為太古界花崗巖、花崗片麻巖，局部為寒武系灰?guī)r、砂質(zhì)板巖等。

按照特高壓工程定位手冊的具體要求，根據(jù)多年來山區(qū)線路勘測的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識，結(jié)合本工程實(shí)際，分析本次勘測工作的主要特點(diǎn)與難點(diǎn)。

1）山區(qū)線路工程中，多數(shù)地段地形起伏較大、溝壑縱橫，交通條件差，機(jī)械設(shè)備進(jìn)場、轉(zhuǎn)場難度大，受此局限，勘察手段多以調(diào)繪、簡易坑探為主，難以做到精細(xì)化勘察。

2）沿線上覆厚度不等的第四系地層，在實(shí)際勘測過程中，覆蓋層厚度較小時(shí)，一般可由地質(zhì)調(diào)查、坑探及小型麻花鉆進(jìn)行查明；而厚度較大時(shí)，則需選用機(jī)械鉆探等手段進(jìn)行。

3）下伏地層主要為花崗巖等基巖地層，風(fēng)化程度不一，準(zhǔn)確劃分風(fēng)化層分布特征，對基礎(chǔ)選型與設(shè)計(jì)影響較大，而現(xiàn)有勘察手段在巖石風(fēng)化層劃分方面有一定局限性，需結(jié)合機(jī)械鉆探等多種方法綜合確定。

4）特高壓工程鐵塔基礎(chǔ)根開較大，而在山區(qū)地段，4個(gè)塔腿基礎(chǔ)經(jīng)常處于不同的微地貌單元內(nèi)，造成基礎(chǔ)地質(zhì)條件較為復(fù)雜、塔腿地層條件不一致等情況，需逐腿進(jìn)行勘探，勘探工作量較一般場地大。

5）特高壓工程定位手冊中要求“逐基鉆探、逐腿勘探”，在山區(qū)地段實(shí)施難度較大，而在結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件對鉆探工作量進(jìn)行合理調(diào)整后，為準(zhǔn)確查明塔基地質(zhì)條件，部分地質(zhì)條件復(fù)雜的塔位仍需布置鉆探工作進(jìn)行查明，卻往往受地形條件限制造成設(shè)備無法進(jìn)場或進(jìn)場費(fèi)用巨大等情況，使勘察工作進(jìn)入僵局。

2　背包鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

背包式鉆機(jī)作為一款小型便攜式的鉆探設(shè)備，產(chǎn)品以小型化、輕便化為其主要特點(diǎn)［3］，用于一般鉆探任務(wù)的整套裝備重量不足20 kg，且設(shè)備均可裝入便攜背包中，成人可實(shí)現(xiàn)在山區(qū)進(jìn)行單人搬運(yùn)，該套設(shè)備在面對山區(qū)線路勘測時(shí)具有無可比擬的優(yōu)勢［4-5］。

以紹爾鉆機(jī)為例，背包鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理分別如圖1、圖2所示。其工作時(shí)主要由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與鉆桿連接、鉆桿通過鉆具與鉆頭連接即可，同時(shí)將供水系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)供水接口連接，各部件連接時(shí)均有專用轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對接，無需其他工具與設(shè)備，全程由手工操作完成，安裝與拆卸十分容易。

圖1　背包鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)　圖2　背包鉆機(jī)工作原理

設(shè)備連接完成后，即可進(jìn)行鉆探、取樣，設(shè)備運(yùn)作時(shí)，可由1～2人同時(shí)操作。設(shè)備工作過程中，由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)通過鉆桿、鉆具等帶動(dòng)鉆頭高速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)供水系統(tǒng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)向鉆桿內(nèi)高壓供水直至鉆孔底部，并沿鉆桿與鉆孔壁回流直至返回至地表，將孔底土、巖屑不斷向地表搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)正循環(huán)，同時(shí)還具有冷卻鉆頭及護(hù)壁效果。

3　工程應(yīng)用

3.1應(yīng)用實(shí)例

針對工程沿線地質(zhì)條件分布特征，結(jié)合特高壓工程具體要求，勘察工作主要采取坑探、小型麻花鉆、井探、物探及鉆探等手段，但局部地段受地形條件及交通條件限制鉆機(jī)不能進(jìn)場，而現(xiàn)有勘探手段又不能滿足要求，采用背包鉆機(jī)進(jìn)行勘探，背包鉆機(jī)單孔最大勘探深度10.5 m。

N4840塔位：場地平坦，為密集林地，塔位位于場地中間，周圍為陡坎，且無較寬道路連接，鉆機(jī)進(jìn)場困難。場地內(nèi)上覆地層為粉質(zhì)粘土，人工麻花鉆探至2.7 m，未揭穿，縮孔嚴(yán)重，無法繼續(xù)向下勘探。后改由背包鉆進(jìn)行勘探，0.0～4.0 m段，進(jìn)尺較快，縮孔明顯，巖屑呈泥狀，為粉質(zhì)粘土層；4.0～7.0 m段，進(jìn)尺較快，縮孔不明顯，返流巖屑呈灰綠色細(xì)砂，結(jié)合臨近塔位鉆機(jī)巖芯判斷為全風(fēng)化花崗片麻巖；7.0 m以下，進(jìn)尺逐漸變慢，無縮孔現(xiàn)象，鉆探過程中有明顯跳鉆現(xiàn)象，可取出碎塊狀巖芯，判斷為強(qiáng)風(fēng)化層。

N4857塔位：位于丘陵頂部，臺階低，無道路通行，鉆機(jī)無法進(jìn)場。該基地表覆蓋薄層全風(fēng)化物，下伏基巖地層，為準(zhǔn)確探明基巖風(fēng)化層厚度，進(jìn)行背包鉆鉆探。鉆探過程中，進(jìn)尺緩慢，無需套管，可直接下鉆桿，巖芯呈砂狀、碎塊狀；4 m以下，鉆探耗水量有所減少，以柱狀巖芯為主，判斷進(jìn)入中風(fēng)化地層。

N4942塔位：位于丘陵中下部，場地內(nèi)遍布陡坎與果樹林木，無道路通行，鉆機(jī)無法進(jìn)場。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該基基巖出露，但風(fēng)化強(qiáng)烈，為準(zhǔn)確查明風(fēng)化層分布厚度，進(jìn)行背包鉆鉆探。通過鉆探，0.0～2.6 m段，進(jìn)尺較快，巖屑呈灰綠色細(xì)砂狀，孔壁穩(wěn)定性較好，屬全風(fēng)化層；2.6 m以下進(jìn)尺緩慢，偶有跳鉆現(xiàn)象，巖芯以碎塊狀為主，偶見短柱狀巖芯，判斷為強(qiáng)風(fēng)化層。

3.2與傳統(tǒng)鉆機(jī)對比

背包鉆機(jī)中鉆桿等設(shè)備長度小于1.0 m，且單個(gè)設(shè)備重量很輕，可作行李進(jìn)行運(yùn)輸，現(xiàn)場則可由人力靈活搬運(yùn)；而普通鉆機(jī)單個(gè)設(shè)備自重最大達(dá)上百公斤，且鉆桿等設(shè)備長度多為5 m左右，遠(yuǎn)程運(yùn)輸多需專用車輛運(yùn)輸，現(xiàn)場也多借助輔助設(shè)施進(jìn)行搬運(yùn)。

鉆機(jī)工作時(shí)，背包鉆機(jī)僅需1人司鉆，加上輔助人員1人即可；而普通鉆機(jī)除了需1人司鉆外，需要2人及以上進(jìn)行輔助。且背包鉆機(jī)的設(shè)備安裝、拆卸均可由單人手工完成，無需借助其他特殊設(shè)備；而普通鉆機(jī)則需借助大量的輔助工具進(jìn)行安裝、拆卸。

在覆蓋層中鉆探時(shí)，背包鉆干鉆深度一般小于1.0 m，較深的情況下則需帶水鉆探。鉆機(jī)耗水量一般在10～40 L/h，在遇覆蓋層較深時(shí)，耗水量會有所增加；普通鉆機(jī)在鉆探覆蓋層時(shí)，一般情況均可干鉆進(jìn)行或帶少量水進(jìn)行護(hù)壁干鉆，耗水量相對較少，但在需帶水循環(huán)鉆探其他地層情況下其耗水量則約為背包鉆的5倍以上。

在覆蓋層中鉆探時(shí)，背包鉆一般效率可達(dá)11～16 m/h，而在基巖地層中鉆探時(shí)，因巖石風(fēng)化程度及巖性不一等原因，一般效率約為0.5～4.0 m；普通鉆機(jī)在鉆探覆蓋層時(shí)，效率略低于背包鉆，而在鉆探基巖地層時(shí)（尤為硬質(zhì)巖），效率則明顯高于背包鉆。

普通鉆機(jī)的油耗一般為背包鉆機(jī)的6～8倍，耗油量較大；背包鉆成孔孔徑為25～30 mm，而普通鉆機(jī)成孔孔徑一般為100 mm及以上。

4　山區(qū)工程中背包鉆實(shí)用效果

背包鉆機(jī)有普通鉆機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了當(dāng)前山區(qū)勘察工作中的一些不足。由于背包鉆機(jī)的便攜性，在一般勘察方法與手段無法解決問題而較重型鉆探身背又無法進(jìn)場的情況下，能夠解決一定的問題，很好地為工程服務(wù)，保證工期與質(zhì)量。

背包鉆機(jī)在揭露覆蓋層厚度（尤其5～15 m深度段）具有很好的應(yīng)用效果，且其在鉆探全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化狀基巖地層時(shí)同樣具有較高效率及較好效果。背包鉆機(jī)也存在一定的不足，使用中需注意。

背包鉆機(jī)成孔孔徑為25～30 mm，鉆取的巖芯直徑為20 mm左右，受鉆機(jī)擾動(dòng)等因素影響，無法進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)無法進(jìn)行標(biāo)貫及重型動(dòng)探等原位測試，使得在有效揭露覆蓋層厚度的情況下，無法準(zhǔn)確獲得地基土物理力學(xué)基本參數(shù)。

背包鉆機(jī)扭矩較小，干鉆能力較弱，一般小于1.0 m，且在鉆遇較厚覆蓋層時(shí)（尤為粘性土），應(yīng)適當(dāng)加大水壓，同時(shí)適當(dāng)減小鉆壓并多次上下循環(huán)鉆進(jìn)，使得水泥漿充分護(hù)壁，避免出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，但耗水量會有所增加，且鉆進(jìn)效率會有所降低。

在鉆遇花崗巖及花崗片麻巖的砂狀風(fēng)化層時(shí)，巖芯均呈細(xì)砂、粗砂顆粒狀，不易區(qū)分全風(fēng)化層與強(qiáng)風(fēng)化層；其在鉆遇塊狀強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，巖芯及鉆進(jìn)效率與鉆遇中風(fēng)化層時(shí)較為相似，易形成誤判。

5　結(jié)語

背包鉆機(jī)在線路工程勘測工作中有很大優(yōu)勢，能夠解決一些實(shí)際問題。尤其是山區(qū)特高壓線路工程勘測工作進(jìn)行時(shí)，在背包鉆機(jī)的輔助及傳統(tǒng)鉆機(jī)等手段的配合下，能夠?qū)崿F(xiàn)工程質(zhì)量與工程進(jìn)度的雙滿足。

但同時(shí)背包鉆機(jī)在勘測工作中還存在諸多的不足及缺陷，其中有設(shè)備自身原因，也有使用經(jīng)驗(yàn)不足的原因，需要在后續(xù)的工作中不斷加強(qiáng)實(shí)踐并及時(shí)總結(jié)、積累經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)使用價(jià)值的最大化。

參考文獻(xiàn)

［1］戴勝生，吳朝峰，盧繼強(qiáng).背包式鉆機(jī)在山區(qū)輸電線路看測中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2014，26（9）：37-38.

［2］王新紅，張衛(wèi)紅，景欽剛，等.單人背包式鉆機(jī)在電力工程勘察中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2014，40（8）：52-53.

［3］唐麗華，王洪英.國外幾種典型的新型自動(dòng)化鉆機(jī)［J］.石油機(jī)械，2005，33（11）：78-80.

［4］吳輝杰.背包式鉆機(jī)在輸電線路勘察中的應(yīng)用［J］.江西建材，2015（20）：222.

［5］孟慶輝.背包式鉆機(jī)在基巖山區(qū)勘測中的應(yīng)用［C］/ /2011年電力巖土工程專業(yè)經(jīng)驗(yàn)交流會中國電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會勘測分會，2011.

Application of Knapsack Rig for UHV Transmission Line Projects in Mountain Area

HUANG Lvwei1，LOU Fengqiang2，TANG Shuang2，JIANG Lei3，ZHAO Dong1
（1. Energy China Gsepdi，Lanzhou 730050，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；3. State Grid Zaozhuang Power Supply Company，Zaozhuang 277000，China）

Abstract:As a portable drill，the knapsack rig has good effects on finding overburden thickness and ascertaining rock weathering degrees. It can solve some practical problems when facing the tight schedule and the high requires and ensure the quality of survey. Taking one UHV engineering project as an example，combined with the actual application condition in geotechnical engineering investigation，advantages and applicable conditions of the knapsack rig are summarized for UHV transmission line projects in mountain area，comparing with the traditional drilling machine. The Conclusion offers a new effective method for similar projects，which helps to improve the survey quality and the work efficiency.

Key words:knapsack rig；mountain area；ultra high voltage；transmission line

中圖分類號：TM726.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007－9904（2016）05－0073－03

收稿日期：2016-03-08

作者簡介：

黃呂衛(wèi)（1984），男，工程師，主要從事電力工程勘察工作。