背包钻机在山区特高压线路工程中的应用

黄吕卫，娄凤强，唐　爽，姜　磊，赵　栋

（1.甘肃省电力设计院，兰州　730050；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南　250021；3.国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东　枣庄　277000）



背包钻机在山区特高压线路工程中的应用

黄吕卫1，娄凤强2，唐爽2，姜磊3，赵栋1

（1.甘肃省电力设计院，兰州730050；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021；3.国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东枣庄277000）

摘要：背包钻机作为一种便携轻型钻探设备，应用于揭露覆盖层厚度及岩石风化层划分等工作中具有良好效果，在特高压工程工期紧、要求高的特殊情况下能够解决一些实际问题，保证勘测质量。以某特高压工程为例，结合实际岩土工程勘察过程中背包钻机的应用情况，通过与传统钻机对比，总结背包钻机在山区特高压工程中的优势及适用条件，为今后同类工程的勘察工作增添了新的有效手段，能够大大提高工作效率，提升勘察质量。

关键词：背包钻机；山区；特高压；输电线路

0　引言

随着经济社会的快速发展与进步，人们逐渐意识到当前所面临气候环境问题的严峻性，而这又与日益增长的能源需求问题相互制约。特高压工程作为解决这一矛盾的理想选择，越来越受到重视。同时，受益于我国电网工程技术的日趋成熟，特高压工程的建设与运行得到保障，但对特高压工程建设前期勘察工作的要求也越来越高，尤其在山区等地段，对现有的勘察手段及方法提出了挑战。

针对现有勘察手段与方法难以满足山区特高压工程“逐级钻探、逐腿勘探”要求的情况，本文以某特高压工程山区段为例，通过背包钻机与传统钻机在勘察工作中的实际应用情况对比［1-2］，总结背包钻机在山区特高压工程中的优势所在及适用条件，为山区特高压工程勘察工作增添有效手段，同时还指出不足与改进方向。

1　工程概况

±800 kV上海庙—山东特高压工程，起于内蒙鄂尔多斯上海庙换流站，途经内蒙、陕西、山西、河北、河南、山东6省，其中设计14标自山东省宁阳县磁窑镇境内开始，至平邑与蒙阴县分界处结束。工程沿线地形地貌主要为低山丘陵地貌，局部为河流阶地。地层岩性分布特征为：上覆厚度不等的第四系地层，主要为粉土、粉质粘土及碎石土地层；下伏基岩地层则主要为太古界花岗岩、花岗片麻岩，局部为寒武系灰岩、砂质板岩等。

按照特高压工程定位手册的具体要求，根据多年来山区线路勘测的经验和认识，结合本工程实际，分析本次勘测工作的主要特点与难点。

1）山区线路工程中，多数地段地形起伏较大、沟壑纵横，交通条件差，机械设备进场、转场难度大，受此局限，勘察手段多以调绘、简易坑探为主，难以做到精细化勘察。

2）沿线上覆厚度不等的第四系地层，在实际勘测过程中，覆盖层厚度较小时，一般可由地质调查、坑探及小型麻花钻进行查明；而厚度较大时，则需选用机械钻探等手段进行。

3）下伏地层主要为花岗岩等基岩地层，风化程度不一，准确划分风化层分布特征，对基础选型与设计影响较大，而现有勘察手段在岩石风化层划分方面有一定局限性，需结合机械钻探等多种方法综合确定。

4）特高压工程铁塔基础根开较大，而在山区地段，4个塔腿基础经常处于不同的微地貌单元内，造成基础地质条件较为复杂、塔腿地层条件不一致等情况，需逐腿进行勘探，勘探工作量较一般场地大。

5）特高压工程定位手册中要求“逐基钻探、逐腿勘探”，在山区地段实施难度较大，而在结合实际地质条件对钻探工作量进行合理调整后，为准确查明塔基地质条件，部分地质条件复杂的塔位仍需布置钻探工作进行查明，却往往受地形条件限制造成设备无法进场或进场费用巨大等情况，使勘察工作进入僵局。

2　背包钻机的结构及原理

背包式钻机作为一款小型便携式的钻探设备，产品以小型化、轻便化为其主要特点［3］，用于一般钻探任务的整套装备重量不足20 kg，且设备均可装入便携背包中，成人可实现在山区进行单人搬运，该套设备在面对山区线路勘测时具有无可比拟的优势［4-5］。

以绍尔钻机为例，背包钻机的主要结构和工作原理分别如图1、图2所示。其工作时主要由汽油发动机与钻杆连接、钻杆通过钻具与钻头连接即可，同时将供水系统与发动机供水接口连接，各部件连接时均有专用转换器进行对接，无需其他工具与设备，全程由手工操作完成，安装与拆卸十分容易。

图1　背包钻机的主要结构　图2　背包钻机工作原理

设备连接完成后，即可进行钻探、取样，设备运作时，可由1～2人同时操作。设备工作过程中，由汽油发动机通过钻杆、钻具等带动钻头高速运转，同时供水系统通过发动机向钻杆内高压供水直至钻孔底部，并沿钻杆与钻孔壁回流直至返回至地表，将孔底土、岩屑不断向地表搬运实现正循环，同时还具有冷却钻头及护壁效果。

3　工程应用

3.1应用实例

针对工程沿线地质条件分布特征，结合特高压工程具体要求，勘察工作主要采取坑探、小型麻花钻、井探、物探及钻探等手段，但局部地段受地形条件及交通条件限制钻机不能进场，而现有勘探手段又不能满足要求，采用背包钻机进行勘探，背包钻机单孔最大勘探深度10.5 m。

N4840塔位：场地平坦，为密集林地，塔位位于场地中间，周围为陡坎，且无较宽道路连接，钻机进场困难。场地内上覆地层为粉质粘土，人工麻花钻探至2.7 m，未揭穿，缩孔严重，无法继续向下勘探。后改由背包钻进行勘探，0.0～4.0 m段，进尺较快，缩孔明显，岩屑呈泥状，为粉质粘土层；4.0～7.0 m段，进尺较快，缩孔不明显，返流岩屑呈灰绿色细砂，结合临近塔位钻机岩芯判断为全风化花岗片麻岩；7.0 m以下，进尺逐渐变慢，无缩孔现象，钻探过程中有明显跳钻现象，可取出碎块状岩芯，判断为强风化层。

N4857塔位：位于丘陵顶部，台阶低，无道路通行，钻机无法进场。该基地表覆盖薄层全风化物，下伏基岩地层，为准确探明基岩风化层厚度，进行背包钻钻探。钻探过程中，进尺缓慢，无需套管，可直接下钻杆，岩芯呈砂状、碎块状；4 m以下，钻探耗水量有所减少，以柱状岩芯为主，判断进入中风化地层。

N4942塔位：位于丘陵中下部，场地内遍布陡坎与果树林木，无道路通行，钻机无法进场。据现场调查，该基基岩出露，但风化强烈，为准确查明风化层分布厚度，进行背包钻钻探。通过钻探，0.0～2.6 m段，进尺较快，岩屑呈灰绿色细砂状，孔壁稳定性较好，属全风化层；2.6 m以下进尺缓慢，偶有跳钻现象，岩芯以碎块状为主，偶见短柱状岩芯，判断为强风化层。

3.2与传统钻机对比

背包钻机中钻杆等设备长度小于1.0 m，且单个设备重量很轻，可作行李进行运输，现场则可由人力灵活搬运；而普通钻机单个设备自重最大达上百公斤，且钻杆等设备长度多为5 m左右，远程运输多需专用车辆运输，现场也多借助辅助设施进行搬运。

钻机工作时，背包钻机仅需1人司钻，加上辅助人员1人即可；而普通钻机除了需1人司钻外，需要2人及以上进行辅助。且背包钻机的设备安装、拆卸均可由单人手工完成，无需借助其他特殊设备；而普通钻机则需借助大量的辅助工具进行安装、拆卸。

在覆盖层中钻探时，背包钻干钻深度一般小于1.0 m，较深的情况下则需带水钻探。钻机耗水量一般在10～40 L/h，在遇覆盖层较深时，耗水量会有所增加；普通钻机在钻探覆盖层时，一般情况均可干钻进行或带少量水进行护壁干钻，耗水量相对较少，但在需带水循环钻探其他地层情况下其耗水量则约为背包钻的5倍以上。

在覆盖层中钻探时，背包钻一般效率可达11～16 m/h，而在基岩地层中钻探时，因岩石风化程度及岩性不一等原因，一般效率约为0.5～4.0 m；普通钻机在钻探覆盖层时，效率略低于背包钻，而在钻探基岩地层时（尤为硬质岩），效率则明显高于背包钻。

普通钻机的油耗一般为背包钻机的6～8倍，耗油量较大；背包钻成孔孔径为25～30 mm，而普通钻机成孔孔径一般为100 mm及以上。

4　山区工程中背包钻实用效果

背包钻机有普通钻机无法比拟的优势，弥补了当前山区勘察工作中的一些不足。由于背包钻机的便携性，在一般勘察方法与手段无法解决问题而较重型钻探身背又无法进场的情况下，能够解决一定的问题，很好地为工程服务，保证工期与质量。

背包钻机在揭露覆盖层厚度（尤其5～15 m深度段）具有很好的应用效果，且其在钻探全风化、强风化状基岩地层时同样具有较高效率及较好效果。背包钻机也存在一定的不足，使用中需注意。

背包钻机成孔孔径为25～30 mm，钻取的岩芯直径为20 mm左右，受钻机扰动等因素影响，无法进行室内常规实验，同时无法进行标贯及重型动探等原位测试，使得在有效揭露覆盖层厚度的情况下，无法准确获得地基土物理力学基本参数。

背包钻机扭矩较小，干钻能力较弱，一般小于1.0 m，且在钻遇较厚覆盖层时（尤为粘性土），应适当加大水压，同时适当减小钻压并多次上下循环钻进，使得水泥浆充分护壁，避免出现卡钻现象，但耗水量会有所增加，且钻进效率会有所降低。

在钻遇花岗岩及花岗片麻岩的砂状风化层时，岩芯均呈细砂、粗砂颗粒状，不易区分全风化层与强风化层；其在钻遇块状强风化层时，岩芯及钻进效率与钻遇中风化层时较为相似，易形成误判。

5　结语

背包钻机在线路工程勘测工作中有很大优势，能够解决一些实际问题。尤其是山区特高压线路工程勘测工作进行时，在背包钻机的辅助及传统钻机等手段的配合下，能够实现工程质量与工程进度的双满足。

但同时背包钻机在勘测工作中还存在诸多的不足及缺陷，其中有设备自身原因，也有使用经验不足的原因，需要在后续的工作中不断加强实践并及时总结、积累经验，实现使用价值的最大化。

参考文献

［1］戴胜生，吴朝峰，卢继强.背包式钻机在山区输电线路看测中的应用［J］.西部探矿工程，2014，26（9）：37-38.

［2］王新红，张卫红，景钦刚，等.单人背包式钻机在电力工程勘察中的应用［J］.山西建筑，2014，40（8）：52-53.

［3］唐丽华，王洪英.国外几种典型的新型自动化钻机［J］.石油机械，2005，33（11）：78-80.

［4］吴辉杰.背包式钻机在输电线路勘察中的应用［J］.江西建材，2015（20）：222.

［5］孟庆辉.背包式钻机在基岩山区勘测中的应用［C］/ /2011年电力岩土工程专业经验交流会中国电力规划设计协会勘测分会，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

中图分类号：TM726.1

文献标志码：B

文章编号：1007－9904（2016）05－0073－03

收稿日期：2016-03-08

作者简介：

黄吕卫（1984），男，工程师，主要从事电力工程勘察工作。