輸電線路工程新型勘探設備的研發及應用

汪志濤，王良會，張明瑞，藍天鵬，馬克剛

中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601

常規輸電線路工程中，對于采用天然地基的塔基而言，一般對勘探深度要求相對較低[1-4]。對于土層而言，傳統的輕便勘探手段主要包括人工麻花鉆和洛陽鏟。對于山區覆蓋層較淺的地段，常用鉆探手段為背包巖芯鉆機。人工麻花鉆或洛陽鏟存在用工人數多、勘探時間長、巖土特性無法定量判斷的不足；背包巖芯鉆機的鉆頭屬于易耗品，原裝鉆頭價格較高，因而使用該套設備成本較高。另外，背包巖芯鉆機使用的冷卻水無法循環使用，導致水量消耗大，在取水困難的山區地段，明顯制約了該套設備鉆探效率。如何對上述傳統的勘察手段進行改進，提高勘察成果質量和工作效率，減少用工成本等，是一個亟待解決的問題。

中國能源建設集團安徽省電力設計院(以下簡稱中國能建安徽院)所研發的鋼釬靜探和背包式巖芯鉆機的鉆頭組件及其冷卻水過濾循環裝置相關設備，為解決上述問題提供了有效的解決方案。

1 鋼釬靜探設備概述

在輸電線路工程中，一般采用人工小麻花鉆進行勘察，但一般6m一套的人工麻花鉆設備重量約為30kg，長距離搬運困難，起拔費力，工作效率低，同時需要3～4名熟練工人操作，費時費力。隨著城鎮化水平的提高，勞務工人數量逐漸減少，用工成本逐漸增高，且臨時招工越發困難，傳統的勘探手段存在用工成本高、效率低、主觀經驗性強等缺點。中國能建安徽院所研發的鋼釬靜探設備是一種新型勘探設備[5]，集成了人工麻花鉆和靜力觸探兩種的設備的特點，設備重量約5kg，便于攜帶。該設備可直觀讀出測試過程中的土層阻力值，為勘探人員提供定量的評價指標，提高了巖土參數取值的準確性。

1.1 設備構造及特點

鋼釬靜探設備主要由錐頭、探桿、測力計和丁字把手組成。其中，錐頭可更換為小型麻花鉆頭或洛陽鏟頭用于取樣，測力計安裝在探桿上，可以測試探頭下壓過程中的探桿壓力。使用過程中，操作人員通過丁字把手下壓探頭使其進入地基土中，通過測力計采集力學指標評價地基土物理力學性質。鋼釬靜探設備結構如圖1所示。

圖1 鋼釬靜探設備構造示意圖

該套設備集成了人工麻花鉆和靜力觸探的兩種設備的特點，不僅能夠取樣觀察巖性，還可定量采集力學數據，用于評價地基土物理力學性質。該套設備與人工麻花鉆的主要特點對比如表1所示。

表1 鋼釬靜探與人工麻花鉆設備主要特點對比表

1.2 設備應用及數據處理

該套設備輕便，單人即可隨身攜帶，特別是對于交通不便的輸電線路而言，運用該套設備可帶來極大便利。設備采用的圓錐探頭頂角為34°，底部直徑為15mm。數據采集儀采集的數據為探頭下壓過程中的探桿壓力T值。通過建立T值和雙橋靜力觸探錐尖阻力Qc值之間的關系，用所計算的Qc對地基土物理力學性質進行評價。

T值和Qc值之間的轉換關系式可通過理論計算和實際測數據對比兩種方式建立，文章主要采用后者。以安徽淮北某輸電線路工程為例，主要對比地表以下2m深度范圍內的T值和Qc值的對應關系，深度范圍內地基土為黏性土。研究共完成了10個孔的對比工作，限于篇幅，僅舉3個孔的對比數據，如表2所示。

表2 安徽淮北某輸電線路工程T值與實測Qc值的數據對比表

通過表1的數據對比分析可知，對于黏性土，建議T值與Qc之間的轉換關系為

式中，T為探桿壓力值，kg；Qc為雙橋靜力觸探錐尖阻力值，MPa。當操作人員施加的探桿壓力為40kg，其對應的雙橋靜力觸探錐尖阻力Qc為1.6MPa。

通過上述關系式，將T值轉換為雙橋靜力觸探錐尖阻力Qc值，可用于對地基土物理力學性質評價，目前已積累了相當多的經驗和公式[6-9]，不再贅述。

2 背包式巖芯鉆機的鉆頭組件研發及應用

背包式巖芯鉆機是近年來由美國引進的一款便攜式輕便鉆機，主要用于巖石地層鉆進[10-11]。背包式巖芯鉆機的鉆頭屬于易耗品，原裝鉆頭價格較高，導致背包式巖芯鉆機的使用成本較高。另外，該套設備原裝鉆頭、鉆具在使用過程中磨損較嚴重，常發生燒鉆、掉鉆和錯絲現象，鉆頭報廢率較高。針對上述問題，中國能建安徽院研發了一種用于背包式巖芯鉆機的鉆頭組件[12]。

鉆頭組件包括鉆具和鉆頭，為了拆裝方便，鉆具的內螺紋設計為粗牙螺紋結構，鉆頭一端連接有外螺紋接口，外螺紋接口設計為粗牙螺紋結構，鉆頭通過外螺紋接口安裝在鉆具上。通過銅焊將胎體與凸臺連接，胎體采用熱熔加工工藝，選用高濃度人造金剛石，設置內出刃和外出刃，胎體厚度設計為孔徑的16%，可以減少胎體磨損，提高鉆進效率。

所研發的鉆頭采用熱熔加工工藝，相對于傳統鉆頭采用的電鍍工藝生產而言，熱熔工藝具有加工周期短、效率高、成本低廉等特點。為了提高鉆進效率，利于取芯，設計鉆頭時加大了水口高度和寬度，將水口設計為扇形，通過與原裝鉆頭進行對比，所研發的鉆頭可有效提高鉆進效率。原裝鉆頭和所研發鉆頭對比如圖2所示。

圖2 原裝鉆頭（左）與所研發鉆頭（右）結構對比

通過設置內置粗螺紋鉆具，提高了鉆頭胎體高度，增加了出水口數量，提供了一種新型鉆頭組件，彌補了現有技術中鉆頭在實際使用時可靠性差的缺陷，鉆頭、鉆具損耗率降低了20%以上，鉆頭成本相對于原裝鉆頭的價格降低98%。

3 背包式巖芯鉆機的冷卻水過濾循環裝置研發及應用

背包式巖芯鉆機需要用水對鉆頭冷卻和攜帶鉆渣，冷卻水通過鉆機循環后從孔口冒出，在地表流失，消耗量約為40～60L/h，水量消耗巨大。在山區交通不便地段，冷卻水供應主要通過人工挑水完成，但山地海拔較高且無明顯通行道路，人工挑水上山的方式對人力損耗巨大，極大地增加了鉆探用水的成本；同時，挑水上山耗費時間，鉆探過程中常出現因冷卻水供應不及時而不得不停機等待的情況，導致鉆探過程費時費力、工作效率低下。為了降低鉆探用水成本，提高工作效率，中國能建安徽院研發了一種用于背包式巖芯鉆機的冷卻水過濾循環裝置，包括電動加壓水箱和冷卻水過濾凈化裝置，使原本一次性使用的冷卻水可以部分循環利用，從而大幅度減少了人工工作量。背包式巖芯鉆機冷卻水過濾循環裝置如圖3所示。

圖3 背包式巖芯鉆機冷卻水過濾循環裝置示意圖

該裝置在鉆孔旁設置冷卻水過濾沉淀盒，沉淀盒內縱向安裝有隔水板，隔水板將過濾沉淀盒分為除污區和凈水區，隔水板上設有通孔，過濾沉淀盒的除污區內橫向安裝有濾網組件，除污區內位于濾網組件上方的過濾沉淀盒側壁上開有水口，進水管的一端位于凈水區內，另一端插在加壓循環水箱的進水端處，加壓循環水箱的出水端接有出水管，出水管的另一端接在鉆機本體的水箱入水口上。冷卻水從孔口流出后進入過濾沉淀盒，通過過濾系統將冷卻水中泥漿過濾，并采用凈水劑對過濾后的水進行凈化處理，從而將冷卻水由原來的100%流失，轉變為20%～40%的土體滲入流失，其余60%～80%的水體都進入過濾循環裝置進行重復利用?？紤]到過濾操作中的部分水質損耗，實際情況中利用過濾循環裝置可使冷卻水重復利用率達到40%～70%。該冷卻水過濾循環裝置獲得了一項發明專利授權[13]。

4 結論

文章所提相關新型勘探設備及裝置主要適用于淺層地基土勘探，已經應用的工程大部分在安徽省內，部分是陜西、山西、吉林、新疆、江蘇、湖南、江西等地區的輸電線路勘察項目，具有一定的社會和經濟價值，主要體現在如下方面：（1）鋼釬靜探結合了人工麻花鉆和靜探設備雙重特點，采用定量指標評價土層力學性質，對提高巖土勘察質量和技術進步具有良好的推動作用；（2）背包式巖芯鉆機鉆頭組件降低了鉆探工作耗材損耗率，整體提高了鉆探效率和加深了深度；（3）背包式巖芯鉆機的冷卻水過濾循環裝置顯著提高了水的利用效率，節約了水資源，減少了泥漿排放量，保護了自然環境，作業現場干凈整潔、綠色環保。

另外，上述設備在應用過程中仍然存在一些短板，在此列出，以供同行參考：（1）鋼釬靜探設備在使用過程中需采取消除側阻力的措施，對于淤泥質土等而言，在貫入過程中側阻力相對較大，會影響貫入總阻力的判斷，需進一步研究消除側阻力的方法；（2）背包式巖芯鉆機的鉆頭組件采用金剛石鉆頭，該類型鉆頭主要適用于完整性較好的巖體，對于土層和破碎巖體等的適用性較差，需進一步研究適用于土層和破碎巖體的鉆頭；（3）背包式巖芯鉆機的冷卻水過濾循環裝置利用鉆孔內回流的泥漿水進行過濾、凈化和再循環利用，當出現地層中裂隙較為發育或松散地層時，鉆孔內存在漏水現象，從而影響循環用水的效率，對于漏水嚴重的地層，需研究相應的處理方法。