塔式背包钻机在水利工程地质勘察中的应用

韦廷涛，韦 红，李国平，段 磊

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

0 引言

钻探不仅是直接获取地下实物资料的唯一技术方法，而且是工程地质勘察中不可或缺的勘察手段[1]。目前在工程地质勘察中，常用的钻探设备有液压钻机、立轴钻机、背包钻机、其它轻型钻探手段（如麻花钻、洛阳铲）等。背包钻机最早于2000年由美国绍尔公司为进行矿物勘察、油田勘测等地质学者打造的一种轻型便携式钻机[2]。近年来，背包钻机已成为地质行业内重要的浅层勘探、取样设备。常用的背包钻机包括手持式背包钻机（绍尔背包钻机）和塔式背包钻机。

由于手持式背包钻机的钻进稳定性不如塔式背包钻机，因此在工程地质勘察中常用塔式背包钻机进行钻探、取样工作。本文通过工程实践总结了塔式背包钻机在水利工程中的应用效果，对比分析了该钻机的优点，以及存在的问题，并提出使用建议，以期为今后塔式背包钻机在工程地质勘察中的应用提供经验参考。

1 塔式背包钻机结构和工作原理

塔式背包钻机是便携式背包钻机的一种，其主要结构包括柴油（汽油）发动机、立架、钻杆、钻具、钻头、水泵等，还包括油壶、配比壶、水管以及各种五金工具配件等（见图1A）。其工作原理是：首先利用配备的五金工具和专用转换器或配件将发动机与钻杆对接，钻杆通过钻具与钻头连接，同时将供水系统接入发动机供水接口；然后在钻进过程中依靠支架塔式链条上下发动机变速箱来完成钻具的提升和钻进，有发动机通过钻杆和钻具带动钻头高速旋转，高压供水系统通过发动机与钻杆相连，水流从钻杆内部流至钻孔底部，利用水泵对钻头进行冷却后再从孔壁返回孔口，同时将土（岩）屑携带至地表（见图1B）。随着钻具向下钻进，土（岩）芯进入到岩芯管中，当钻进达到一定钻孔深度或取样深度后，便可提升钻杆取出土（岩）样，完成单回次钻进或取样作业。

2 工程应用

2.1 某灌区续建配套与节水改造工程

该工程为旧灌区改造工程，工程区的地形地貌主要为低山丘陵和喀斯特平原，覆盖层较厚，植被发育，灰岩山多呈孤立状态。覆盖层主要为第四系黏土、粉质黏土、含砾石粉质黏土等，下伏基岩包括白垩系泥质粉砂岩、泥岩，二叠系灰岩，石炭系灰岩、白云质灰岩等。该工程共布置了42 个钻孔，其中20 个塔式背包钻机孔，总进尺为98.6 m，有10 个孔入岩。

塔式背包钻机在该工程中主要起到加密浅层勘探点的辅助作用，勘探地层土（岩）性基本与立轴钻机能够对应。但是塔式背包钻机在不同的土（岩）性地层中的钻探和取芯效果差别较大。在黏土、粉质黏土等无包含物的地层中，芯样形态规则，为土柱状（见图2A～B），取芯率较高；在含砾粉质黏土、含砾黏土、砂卵砾石等含较多砾石、碎石、卵石的土层中，芯样形态不规则，呈泥包砾石状或散体状（见图2C），取芯率低，甚至无法取芯；在灰岩、白云质灰岩等完整较硬岩的地层中，塔式背包钻机的钻探和取芯效果良好，岩芯以圆柱状为主（见图2D），取芯率也相对较高。在灰岩与砾岩互层地层中，只要不同岩性间接触式胶结程度高，是较完整～完整岩体，塔式背包钻机的钻探和取芯效果与在较硬岩地层中的差别不大，即岩芯呈圆柱状，取芯率较高（见图2E～F）。

图2 某灌区续建配套与节水改造工程塔式背包钻机岩芯

2.2 某地中小河流重点洪水易发区水文监测应急建设工程

该工程共新建水文站19个，水位站30个，雨量站270个，改建巡测基底2处，改建完善省应急中心1处。工程区地形包括岩溶峰丛、高山、低山丘陵以及喀斯特等多种地形地貌。覆盖层主要为黏土、砂质黏土、粉质黏土、砂卵砾石等，下伏基岩主要为石炭系、二叠系和泥盆系灰岩。该工程共布置27个塔式背包钻机钻孔，总进尺为116.45 m。

该工程勘探点的特点是孔深较浅，勘探精度要求不高，所以塔式背包钻机是主要的钻探设备。塔式背包钻机在该工程的应用效果与上述工程的类似。在黏土和粉质黏土覆盖层以及砂岩和泥岩的基岩层中，钻探效果良好，取芯率高，还可以观察到岩石层理（见图3）。

图3 某地中小河流重点洪水易发区水文监测应急建设工程塔式背包钻机岩芯

3 塔式背包钻机的优点

由上述工程实例可知，塔式背包钻机普遍适用于各种地形地貌，尤其适用于崇山峻岭、交通困难和水源缺乏的地区，在黏土、粉质黏土、较完整～完整灰岩地层中的取芯率较高，钻进效果较好。但是在砂层、卵砾石层、碎石土层以及破碎基岩和硬质花岗岩地层中，塔式背包钻机的适用性相对较差，取芯率也较低，甚至无法取芯，而且容易发生粘钻、卡钻、埋钻等孔内事故。此外，在大多数情况下，塔式背包钻机需要加水钻进，该工艺会对土（岩）芯产生较大的扰动影响，破坏土（岩）芯的完整性。

塔式背包钻机和立轴钻机、其他轻型钻探（麻花钻、洛阳铲等）参数对比见表1。

表1 塔式背包钻机、立轴钻机以及其他轻型钻探参数对比

塔式背包钻机主要具有以下几点优势：

（1）小巧灵活，便于搬运，搬运便捷。塔式背包钻机及其附件总重量仅40～50 kg，略重于麻花钻、洛阳铲等轻型钻探工具，远轻于立轴钻机，只需2～3个普通成年人即可轻松搬运。塔式背包钻机易装易拆，安装与拆卸只需常见的五金工具，无需搬运其他额外设备。因此塔式背包钻机更具机动性和灵活性。

（2）操作简便，安全系数高。塔式背包钻机搬运到钻探点位并安装完成后，只需简单的操作即可连接和延伸整个装置，再加上取芯器，便可快速进行钻探取芯。整个钻探和取样工作全程仅需1～2个人同时操作。此外，塔式背包钻机操作灵活简单，操作人员只需经过简单的操作和安全培训即可上岗，而立轴钻机属于大中型机械，其操作较为复杂，也存在较多的安全隐患，因此立轴钻机的操作需要聘请专业的钻探工人，钻探工人在上岗前需要经过较长时间的操作培训和安全教育。

（3）施工用地面积小，用水量少，绿色环保。塔式背包钻机施工占地面积（约0.5 m2），远小于立轴钻机施工占地面积，对地表植被和环境的破坏轻微，有效地解决了地质钻探工作的环境保护问题。塔式背包钻机一般配备一个50 L 水桶或一个小型水泵，每钻进1 m 土（岩）层的用水量为5～10 L，钻进用水量明显少于立轴钻机，符合绿色钻探的发展理念。

（4）钻探效率高，钻探成本低。通过多个水利工程实践发现，在一般情况下，从搬机到钻探点位开始，到钻进10 m土层结束，塔式背包钻机仅需2～3 h，而立轴钻机则需要3～5 h，节约了钻探时间，从而有效降低了钻探成本。此外，立轴钻机的钻探成本还包括进（退）场费和青苗补偿费，进（退）场费与运距、转运次数、地形条件复杂程度呈正比，青苗补偿费与钻机的占地面积密切相关。塔式背包钻机因其轻便、易拆卸的特性，进（退）场费用低，同时由于占地面积较小，很少会产生青苗补偿费，从而直接减少了钻探成本。

4 塔式背包钻机存在问题

（1）钻探乏力，水压不稳。当钻探到达定深度后（约10 m），塔式背包钻机的动力稍显不足，钻进随着深度的增加会变得越来越困难，这不仅增加了钻探时间，容易引起钻头疲劳损伤，影响钻进效果，而且更容易发生卡钻、埋钻等孔内事故。此外，该钻机主要采用清水钻进方式，当水源距离较远时，水压供水不足，导致（岩）屑无法及时从孔内排出，钻头没有得到及时冷却，同样容易造成埋钻、粘钻、烧钻等不良后果，极大地影响钻进效率和取芯效果。

（2）取芯效果一般，土（岩）样扰动严重。钻探时长，土（岩）层性质和钻进工艺等是影响钻探取芯的重要因素[3]。塔式背包钻机随着孔深增加，钻探动力降低，增加了钻头研磨土（岩）层的时长，对土（岩）芯会产生较大的机械破坏扰动。水钻工艺会对土芯产生较大的扰动影响[4]，例如干燥的黏土，经长时间水钻后可能会变成稍湿黏土，会影响现场地质人员对土体性质的判断。由于塔式背包钻孔径和取芯管较小，在钻取岩芯时，由于钻头高速旋转，用水量较大，容易将全风化岩石磨成岩粉，或使柱状岩芯断裂为短柱状或碎块状，现场地质人员只能根据岩粉大致判断全风化层的岩性或岩体的完整性。因此，塔式背包钻取芯对钻探工艺、钻机操作、设备状态（如发动机动力、钻头磨损程度等）的要求比较高。笔者认为背包钻机所取土（岩）芯仅适用于对工程地质土（岩）体的命名和基础性质作出基本判别。

（3）发动机易熄火，零部件易损坏。背包钻机普遍存在发动机易熄火的问题[4]。在钻进过程中，因孔内事故或操作不当引起发动机超负荷运转现象，严重超负荷运转时，发动机的钻速会大幅下降，甚至会发生爆缸的危险。背包钻机不宜进行倾斜钻探，尤其是仰角作业时会发生发动机油液倒置的情况，因为在仰角钻探时汽（柴）油难以进入供油系统，从而导致发动机熄火。除发动机外，水泵、风扇罩、轴承等零部件也易发生损坏或磨损。零部件一般为钻机厂家特制，在五金店难以购买到适配的零件，需联系制造钻机厂家，等待厂家发货，才能对零部件进行更换或修理。因此，塔式背包钻机应经常进行日常的检查和维护，常备易损零部件，以免设备损坏后不能及时维修或更换，耽误勘察进度。

（4）在部分地层的适用性较差。塔式背包钻机在砾石或碎石含量较高的土层、砂层、卵砾石层以及岩质坚硬的花岗岩层、完整性差的基岩层的适用性较差，容易发生卡钻、埋钻等孔内事故，应用效果不佳，取芯率较低。因此，在选择塔式背包钻机进行钻探时，应先进行地质测绘或根据区域地质资料对地层进行判断。

5 结语

通过工程实践和对比分析，得出以下几点结论：

（1）塔式背包钻机虽然具有较强的便携性和灵活性，由于其钻探深度较浅，所以主要适用于各种地形地貌的浅层线性水利工程地质勘察。

（2）塔式背包钻机在黏土层、粉质黏土层以及较完整～完整泥岩、砂岩、灰岩等软岩和较硬基岩中的应用效果较好，不适用于碎石土层、砂层、卵砾石层等覆盖层和较破碎～破碎、坚硬的基岩层。

（3）塔式背包钻机可以作为钻探精度要求不高的浅层水利线性工程钻探的主要设备之一，也可以作为大中型水利工程钻探的辅助勘察设备，起到补充勘察的作用。

根据塔式背包钻机在水利工程的实际应用情况，笔者建议在选择塔式背包钻机作为水利工程钻探的主要设备时，应在满足勘察规范要求的前提下进行地质测绘或查阅区域地质资料，判断塔式背包钻机是否适用于该区域地层；同时需做好钻机的日常维护工作，以免因钻机损坏耽误勘察工期。