输电线路工程新型勘探设备的研发及应用

汪志涛，王良会，张明瑞，蓝天鹏，马克刚

中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601

常规输电线路工程中，对于采用天然地基的塔基而言，一般对勘探深度要求相对较低[1-4]。对于土层而言，传统的轻便勘探手段主要包括人工麻花钻和洛阳铲。对于山区覆盖层较浅的地段，常用钻探手段为背包岩芯钻机。人工麻花钻或洛阳铲存在用工人数多、勘探时间长、岩土特性无法定量判断的不足；背包岩芯钻机的钻头属于易耗品，原装钻头价格较高，因而使用该套设备成本较高。另外，背包岩芯钻机使用的冷却水无法循环使用，导致水量消耗大，在取水困难的山区地段，明显制约了该套设备钻探效率。如何对上述传统的勘察手段进行改进，提高勘察成果质量和工作效率，减少用工成本等，是一个亟待解决的问题。

中国能源建设集团安徽省电力设计院(以下简称中国能建安徽院)所研发的钢钎静探和背包式岩芯钻机的钻头组件及其冷却水过滤循环装置相关设备，为解决上述问题提供了有效的解决方案。

1 钢钎静探设备概述

在输电线路工程中，一般采用人工小麻花钻进行勘察，但一般6m一套的人工麻花钻设备重量约为30kg，长距离搬运困难，起拔费力，工作效率低，同时需要3～4名熟练工人操作，费时费力。随着城镇化水平的提高，劳务工人数量逐渐减少，用工成本逐渐增高，且临时招工越发困难，传统的勘探手段存在用工成本高、效率低、主观经验性强等缺点。中国能建安徽院所研发的钢钎静探设备是一种新型勘探设备[5]，集成了人工麻花钻和静力触探两种的设备的特点，设备重量约5kg，便于携带。该设备可直观读出测试过程中的土层阻力值，为勘探人员提供定量的评价指标，提高了岩土参数取值的准确性。

1.1 设备构造及特点

钢钎静探设备主要由锥头、探杆、测力计和丁字把手组成。其中，锥头可更换为小型麻花钻头或洛阳铲头用于取样，测力计安装在探杆上，可以测试探头下压过程中的探杆压力。使用过程中，操作人员通过丁字把手下压探头使其进入地基土中，通过测力计采集力学指标评价地基土物理力学性质。钢钎静探设备结构如图1所示。

图1 钢钎静探设备构造示意图

该套设备集成了人工麻花钻和静力触探的两种设备的特点，不仅能够取样观察岩性，还可定量采集力学数据，用于评价地基土物理力学性质。该套设备与人工麻花钻的主要特点对比如表1所示。

表1 钢钎静探与人工麻花钻设备主要特点对比表

1.2 设备应用及数据处理

该套设备轻便，单人即可随身携带，特别是对于交通不便的输电线路而言，运用该套设备可带来极大便利。设备采用的圆锥探头顶角为34°，底部直径为15mm。数据采集仪采集的数据为探头下压过程中的探杆压力T值。通过建立T值和双桥静力触探锥尖阻力Qc值之间的关系，用所计算的Qc对地基土物理力学性质进行评价。

T值和Qc值之间的转换关系式可通过理论计算和实际测数据对比两种方式建立，文章主要采用后者。以安徽淮北某输电线路工程为例，主要对比地表以下2m深度范围内的T值和Qc值的对应关系，深度范围内地基土为黏性土。研究共完成了10个孔的对比工作，限于篇幅，仅举3个孔的对比数据，如表2所示。

表2 安徽淮北某输电线路工程T值与实测Qc值的数据对比表

通过表1的数据对比分析可知，对于黏性土，建议T值与Qc之间的转换关系为

式中，T为探杆压力值，kg；Qc为双桥静力触探锥尖阻力值，MPa。当操作人员施加的探杆压力为40kg，其对应的双桥静力触探锥尖阻力Qc为1.6MPa。

通过上述关系式，将T值转换为双桥静力触探锥尖阻力Qc值，可用于对地基土物理力学性质评价，目前已积累了相当多的经验和公式[6-9]，不再赘述。

2 背包式岩芯钻机的钻头组件研发及应用

背包式岩芯钻机是近年来由美国引进的一款便携式轻便钻机，主要用于岩石地层钻进[10-11]。背包式岩芯钻机的钻头属于易耗品，原装钻头价格较高，导致背包式岩芯钻机的使用成本较高。另外，该套设备原装钻头、钻具在使用过程中磨损较严重，常发生烧钻、掉钻和错丝现象，钻头报废率较高。针对上述问题，中国能建安徽院研发了一种用于背包式岩芯钻机的钻头组件[12]。

钻头组件包括钻具和钻头，为了拆装方便，钻具的内螺纹设计为粗牙螺纹结构，钻头一端连接有外螺纹接口，外螺纹接口设计为粗牙螺纹结构，钻头通过外螺纹接口安装在钻具上。通过铜焊将胎体与凸台连接，胎体采用热熔加工工艺，选用高浓度人造金刚石，设置内出刃和外出刃，胎体厚度设计为孔径的16%，可以减少胎体磨损，提高钻进效率。

所研发的钻头采用热熔加工工艺，相对于传统钻头采用的电镀工艺生产而言，热熔工艺具有加工周期短、效率高、成本低廉等特点。为了提高钻进效率，利于取芯，设计钻头时加大了水口高度和宽度，将水口设计为扇形，通过与原装钻头进行对比，所研发的钻头可有效提高钻进效率。原装钻头和所研发钻头对比如图2所示。

图2 原装钻头（左）与所研发钻头（右）结构对比

通过设置内置粗螺纹钻具，提高了钻头胎体高度，增加了出水口数量，提供了一种新型钻头组件，弥补了现有技术中钻头在实际使用时可靠性差的缺陷，钻头、钻具损耗率降低了20%以上，钻头成本相对于原装钻头的价格降低98%。

3 背包式岩芯钻机的冷却水过滤循环装置研发及应用

背包式岩芯钻机需要用水对钻头冷却和携带钻渣，冷却水通过钻机循环后从孔口冒出，在地表流失，消耗量约为40～60L/h，水量消耗巨大。在山区交通不便地段，冷却水供应主要通过人工挑水完成，但山地海拔较高且无明显通行道路，人工挑水上山的方式对人力损耗巨大，极大地增加了钻探用水的成本；同时，挑水上山耗费时间，钻探过程中常出现因冷却水供应不及时而不得不停机等待的情况，导致钻探过程费时费力、工作效率低下。为了降低钻探用水成本，提高工作效率，中国能建安徽院研发了一种用于背包式岩芯钻机的冷却水过滤循环装置，包括电动加压水箱和冷却水过滤净化装置，使原本一次性使用的冷却水可以部分循环利用，从而大幅度减少了人工工作量。背包式岩芯钻机冷却水过滤循环装置如图3所示。

图3 背包式岩芯钻机冷却水过滤循环装置示意图

该装置在钻孔旁设置冷却水过滤沉淀盒，沉淀盒内纵向安装有隔水板，隔水板将过滤沉淀盒分为除污区和净水区，隔水板上设有通孔，过滤沉淀盒的除污区内横向安装有滤网组件，除污区内位于滤网组件上方的过滤沉淀盒侧壁上开有水口，进水管的一端位于净水区内，另一端插在加压循环水箱的进水端处，加压循环水箱的出水端接有出水管，出水管的另一端接在钻机本体的水箱入水口上。冷却水从孔口流出后进入过滤沉淀盒，通过过滤系统将冷却水中泥浆过滤，并采用净水剂对过滤后的水进行净化处理，从而将冷却水由原来的100%流失，转变为20%～40%的土体渗入流失，其余60%～80%的水体都进入过滤循环装置进行重复利用。考虑到过滤操作中的部分水质损耗，实际情况中利用过滤循环装置可使冷却水重复利用率达到40%～70%。该冷却水过滤循环装置获得了一项发明专利授权[13]。

4 结论

文章所提相关新型勘探设备及装置主要适用于浅层地基土勘探，已经应用的工程大部分在安徽省内，部分是陕西、山西、吉林、新疆、江苏、湖南、江西等地区的输电线路勘察项目，具有一定的社会和经济价值，主要体现在如下方面：（1）钢钎静探结合了人工麻花钻和静探设备双重特点，采用定量指标评价土层力学性质，对提高岩土勘察质量和技术进步具有良好的推动作用；（2）背包式岩芯钻机钻头组件降低了钻探工作耗材损耗率，整体提高了钻探效率和加深了深度；（3）背包式岩芯钻机的冷却水过滤循环装置显著提高了水的利用效率，节约了水资源，减少了泥浆排放量，保护了自然环境，作业现场干净整洁、绿色环保。

另外，上述设备在应用过程中仍然存在一些短板，在此列出，以供同行参考：（1）钢钎静探设备在使用过程中需采取消除侧阻力的措施，对于淤泥质土等而言，在贯入过程中侧阻力相对较大，会影响贯入总阻力的判断，需进一步研究消除侧阻力的方法；（2）背包式岩芯钻机的钻头组件采用金刚石钻头，该类型钻头主要适用于完整性较好的岩体，对于土层和破碎岩体等的适用性较差，需进一步研究适用于土层和破碎岩体的钻头；（3）背包式岩芯钻机的冷却水过滤循环装置利用钻孔内回流的泥浆水进行过滤、净化和再循环利用，当出现地层中裂隙较为发育或松散地层时，钻孔内存在漏水现象，从而影响循环用水的效率，对于漏水严重的地层，需研究相应的处理方法。