背包鉆機在山區特高壓線路工程中的應用

黃呂衛，婁鳳強，唐　爽，姜　磊，趙　棟

（1.甘肅省電力設計院，蘭州　730050；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南　250021；3.國網山東省電力公司棗莊供電公司，山東　棗莊　277000）

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背包鉆機在山區特高壓線路工程中的應用

黃呂衛1，婁鳳強2，唐爽2，姜磊3，趙棟1

（1.甘肅省電力設計院，蘭州730050；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南250021；3.國網山東省電力公司棗莊供電公司，山東棗莊277000）

摘要：背包鉆機作為一種便攜輕型鉆探設備，應用于揭露覆蓋層厚度及巖石風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際問題，保證勘測質量。以某特高壓工程為例，結合實際巖土工程勘察過程中背包鉆機的應用情況，通過與傳統鉆機對比，總結背包鉆機在山區特高壓工程中的優勢及適用條件，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，提升勘察質量。

關鍵詞：背包鉆機；山區；特高壓；輸電線路

0　引言

隨著經濟社會的快速發展與進步，人們逐漸意識到當前所面臨氣候環境問題的嚴峻性，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，受益于我國電網工程技術的日趨成熟，特高壓工程的建設與運行得到保障，但對特高壓工程建設前期勘察工作的要求也越來越高，尤其在山區等地段，對現有的勘察手段及方法提出了挑戰。

針對現有勘察手段與方法難以滿足山區特高壓工程“逐級鉆探、逐腿勘探”要求的情況，本文以某特高壓工程山區段為例，通過背包鉆機與傳統鉆機在勘察工作中的實際應用情況對比［1-2］，總結背包鉆機在山區特高壓工程中的優勢所在及適用條件，為山區特高壓工程勘察工作增添有效手段，同時還指出不足與改進方向。

1　工程概況

±800 kV上海廟—山東特高壓工程，起于內蒙鄂爾多斯上海廟換流站，途經內蒙、陜西、山西、河北、河南、山東6省，其中設計14標自山東省寧陽縣磁窯鎮境內開始，至平邑與蒙陰縣分界處結束。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，局部為寒武系灰巖、砂質板巖等。

按照特高壓工程定位手冊的具體要求，根據多年來山區線路勘測的經驗和認識，結合本工程實際，分析本次勘測工作的主要特點與難點。

1）山區線路工程中，多數地段地形起伏較大、溝壑縱橫，交通條件差，機械設備進場、轉場難度大，受此局限，勘察手段多以調繪、簡易坑探為主，難以做到精細化勘察。

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

3）下伏地層主要為花崗巖等基巖地層，風化程度不一，準確劃分風化層分布特征，對基礎選型與設計影響較大，而現有勘察手段在巖石風化層劃分方面有一定局限性，需結合機械鉆探等多種方法綜合確定。

4）特高壓工程鐵塔基礎根開較大，而在山區地段，4個塔腿基礎經常處于不同的微地貌單元內，造成基礎地質條件較為復雜、塔腿地層條件不一致等情況，需逐腿進行勘探，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”，在山區地段實施難度較大，而在結合實際地質條件對鉆探工作量進行合理調整后，為準確查明塔基地質條件，部分地質條件復雜的塔位仍需布置鉆探工作進行查明，卻往往受地形條件限制造成設備無法進場或進場費用巨大等情況，使勘察工作進入僵局。

2　背包鉆機的結構及原理

背包式鉆機作為一款小型便攜式的鉆探設備，產品以小型化、輕便化為其主要特點［3］，用于一般鉆探任務的整套裝備重量不足20 kg，且設備均可裝入便攜背包中，成人可實現在山區進行單人搬運，該套設備在面對山區線路勘測時具有無可比擬的優勢［4-5］。

以紹爾鉆機為例，背包鉆機的主要結構和工作原理分別如圖1、圖2所示。其工作時主要由汽油發動機與鉆桿連接、鉆桿通過鉆具與鉆頭連接即可，同時將供水系統與發動機供水接口連接，各部件連接時均有專用轉換器進行對接，無需其他工具與設備，全程由手工操作完成，安裝與拆卸十分容易。

圖1　背包鉆機的主要結構　圖2　背包鉆機工作原理

設備連接完成后，即可進行鉆探、取樣，設備運作時，可由1～2人同時操作。設備工作過程中，由汽油發動機通過鉆桿、鉆具等帶動鉆頭高速運轉，同時供水系統通過發動機向鉆桿內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實現正循環，同時還具有冷卻鉆頭及護壁效果。

3　工程應用

3.1應用實例

針對工程沿線地質條件分布特征，結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不能進場，而現有勘探手段又不能滿足要求，采用背包鉆機進行勘探，背包鉆機單孔最大勘探深度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，鉆機進場困難。場地內上覆地層為粉質粘土，人工麻花鉆探至2.7 m，未揭穿，縮孔嚴重，無法繼續向下勘探。后改由背包鉆進行勘探，0.0～4.0 m段，進尺較快，縮孔明顯，巖屑呈泥狀，為粉質粘土層；4.0～7.0 m段，進尺較快，縮孔不明顯，返流巖屑呈灰綠色細砂，結合臨近塔位鉆機巖芯判斷為全風化花崗片麻巖；7.0 m以下，進尺逐漸變慢，無縮孔現象，鉆探過程中有明顯跳鉆現象，可取出碎塊狀巖芯，判斷為強風化層。

N4857塔位：位于丘陵頂部，臺階低，無道路通行，鉆機無法進場。該基地表覆蓋薄層全風化物，下伏基巖地層，為準確探明基巖風化層厚度，進行背包鉆鉆探。鉆探過程中，進尺緩慢，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，判斷進入中風化地層。

N4942塔位：位于丘陵中下部，場地內遍布陡坎與果樹林木，無道路通行，鉆機無法進場。據現場調查，該基基巖出露，但風化強烈，為準確查明風化層分布厚度，進行背包鉆鉆探。通過鉆探，0.0～2.6 m段，進尺較快，巖屑呈灰綠色細砂狀，孔壁穩定性較好，屬全風化層；2.6 m以下進尺緩慢，偶有跳鉆現象，巖芯以碎塊狀為主，偶見短柱狀巖芯，判斷為強風化層。

3.2與傳統鉆機對比

背包鉆機中鉆桿等設備長度小于1.0 m，且單個設備重量很輕，可作行李進行運輸，現場則可由人力靈活搬運；而普通鉆機單個設備自重最大達上百公斤，且鉆桿等設備長度多為5 m左右，遠程運輸多需專用車輛運輸，現場也多借助輔助設施進行搬運。

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

在覆蓋層中鉆探時，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。鉆機耗水量一般在10～40 L/h，在遇覆蓋層較深時，耗水量會有所增加；普通鉆機在鉆探覆蓋層時，一般情況均可干鉆進行或帶少量水進行護壁干鉆，耗水量相對較少，但在需帶水循環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，背包鉆一般效率可達11～16 m/h，而在基巖地層中鉆探時，因巖石風化程度及巖性不一等原因，一般效率約為0.5～4.0 m；普通鉆機在鉆探覆蓋層時，效率略低于背包鉆，而在鉆探基巖地層時（尤為硬質巖），效率則明顯高于背包鉆。

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

4　山區工程中背包鉆實用效果

背包鉆機有普通鉆機無法比擬的優勢，彌補了當前山區勘察工作中的一些不足。由于背包鉆機的便攜性，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場的情況下，能夠解決一定的問題，很好地為工程服務，保證工期與質量。

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

背包鉆機成孔孔徑為25～30 mm，鉆取的巖芯直徑為20 mm左右，受鉆機擾動等因素影響，無法進行室內常規實驗，同時無法進行標貫及重型動探等原位測試，使得在有效揭露覆蓋層厚度的情況下，無法準確獲得地基土物理力學基本參數。

背包鉆機扭矩較小，干鉆能力較弱，一般小于1.0 m，且在鉆遇較厚覆蓋層時（尤為粘性土），應適當加大水壓，同時適當減小鉆壓并多次上下循環鉆進，使得水泥漿充分護壁，避免出現卡鉆現象，但耗水量會有所增加，且鉆進效率會有所降低。

在鉆遇花崗巖及花崗片麻巖的砂狀風化層時，巖芯均呈細砂、粗砂顆粒狀，不易區分全風化層與強風化層；其在鉆遇塊狀強風化層時，巖芯及鉆進效率與鉆遇中風化層時較為相似，易形成誤判。

5　結語

背包鉆機在線路工程勘測工作中有很大優勢，能夠解決一些實際問題。尤其是山區特高壓線路工程勘測工作進行時，在背包鉆機的輔助及傳統鉆機等手段的配合下，能夠實現工程質量與工程進度的雙滿足。

但同時背包鉆機在勘測工作中還存在諸多的不足及缺陷，其中有設備自身原因，也有使用經驗不足的原因，需要在后續的工作中不斷加強實踐并及時總結、積累經驗，實現使用價值的最大化。

參考文獻

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

［2］王新紅，張衛紅，景欽剛，等.單人背包式鉆機在電力工程勘察中的應用［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化鉆機［J］.石油機械，2005，33（11）：78-80.

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

［5］孟慶輝.背包式鉆機在基巖山區勘測中的應用［C］/ /2011年電力巖土工程專業經驗交流會中國電力規劃設計協會勘測分會，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

文獻標志碼：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（1984），男，工程師，主要從事電力工程勘察工作。