汪志濤，王良會(huì)，張明瑞，藍(lán)天鵬，馬克剛

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230601

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

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)能建安徽院)所研發(fā)的鋼釬靜探和背包式巖芯鉆機(jī)的鉆頭組件及其冷卻水過濾循環(huán)裝置相關(guān)設(shè)備，為解決上述問題提供了有效的解決方案。

1 鋼釬靜探設(shè)備概述

在輸電線路工程中，一般采用人工小麻花鉆進(jìn)行勘察，但一般6m一套的人工麻花鉆設(shè)備重量約為30kg，長(zhǎng)距離搬運(yùn)困難，起拔費(fèi)力，工作效率低，同時(shí)需要3～4名熟練工人操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，勞務(wù)工人數(shù)量逐漸減少，用工成本逐漸增高，且臨時(shí)招工越發(fā)困難，傳統(tǒng)的勘探手段存在用工成本高、效率低、主觀經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)等缺點(diǎn)。中國(guó)能建安徽院所研發(fā)的鋼釬靜探設(shè)備是一種新型勘探設(shè)備[5]，集成了人工麻花鉆和靜力觸探兩種的設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)備重量約5kg，便于攜帶。該設(shè)備可直觀讀出測(cè)試過程中的土層阻力值，為勘探人員提供定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，提高了巖土參數(shù)取值的準(zhǔn)確性。

1.1 設(shè)備構(gòu)造及特點(diǎn)

鋼釬靜探設(shè)備主要由錐頭、探桿、測(cè)力計(jì)和丁字把手組成。其中，錐頭可更換為小型麻花鉆頭或洛陽(yáng)鏟頭用于取樣，測(cè)力計(jì)安裝在探桿上，可以測(cè)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(jìn)入地基土中，通過測(cè)力計(jì)采集力學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)地基土物理力學(xué)性質(zhì)。鋼釬靜探設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼釬靜探設(shè)備構(gòu)造示意圖

該套設(shè)備集成了人工麻花鉆和靜力觸探的兩種設(shè)備的特點(diǎn)，不僅能夠取樣觀察巖性，還可定量采集力學(xué)數(shù)據(jù)，用于評(píng)價(jià)地基土物理力學(xué)性質(zhì)。該套設(shè)備與人工麻花鉆的主要特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 鋼釬靜探與人工麻花鉆設(shè)備主要特點(diǎn)對(duì)比表

1.2 設(shè)備應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理

該套設(shè)備輕便，單人即可隨身攜帶，特別是對(duì)于交通不便的輸電線路而言，運(yùn)用該套設(shè)備可帶來極大便利。設(shè)備采用的圓錐探頭頂角為34°，底部直徑為15mm。數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)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(guān)系，用所計(jì)算的Qc對(duì)地基土物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

T值和Qc值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式可通過理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)比地表以下2m深度范圍內(nèi)的T值和Qc值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，深度范圍內(nèi)地基土為黏性土。研究共完成了10個(gè)孔的對(duì)比工作，限于篇幅，僅舉3個(gè)孔的對(duì)比數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 安徽淮北某輸電線路工程T值與實(shí)測(cè)Qc值的數(shù)據(jù)對(duì)比表

通過表1的數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，對(duì)于黏性土，建議T值與Qc之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(dāng)操作人員施加的探桿壓力為40kg，其對(duì)應(yīng)的雙橋靜力觸探錐尖阻力Qc為1.6MPa。

通過上述關(guān)系式，將T值轉(zhuǎn)換為雙橋靜力觸探錐尖阻力Qc值，可用于對(duì)地基土物理力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)，目前已積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)和公式[6-9]，不再贅述。

2 背包式巖芯鉆機(jī)的鉆頭組件研發(fā)及應(yīng)用

背包式巖芯鉆機(jī)是近年來由美國(guó)引進(jìn)的一款便攜式輕便鉆機(jī)，主要用于巖石地層鉆進(jìn)[10-11]。背包式巖芯鉆機(jī)的鉆頭屬于易耗品，原裝鉆頭價(jià)格較高，導(dǎo)致背包式巖芯鉆機(jī)的使用成本較高。另外，該套設(shè)備原裝鉆頭、鉆具在使用過程中磨損較嚴(yán)重，常發(fā)生燒鉆、掉鉆和錯(cuò)絲現(xiàn)象，鉆頭報(bào)廢率較高。針對(duì)上述問題，中國(guó)能建安徽院研發(fā)了一種用于背包式巖芯鉆機(jī)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(nèi)螺紋設(shè)計(jì)為粗牙螺紋結(jié)構(gòu)，鉆頭一端連接有外螺紋接口，外螺紋接口設(shè)計(jì)為粗牙螺紋結(jié)構(gòu)，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(tái)連接，胎體采用熱熔加工工藝，選用高濃度人造金剛石，設(shè)置內(nèi)出刃和外出刃，胎體厚度設(shè)計(jì)為孔徑的16%，可以減少胎體磨損，提高鉆進(jìn)效率。

所研發(fā)的鉆頭采用熱熔加工工藝，相對(duì)于傳統(tǒng)鉆頭采用的電鍍工藝生產(chǎn)而言，熱熔工藝具有加工周期短、效率高、成本低廉等特點(diǎn)。為了提高鉆進(jìn)效率，利于取芯，設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)加大了水口高度和寬度，將水口設(shè)計(jì)為扇形，通過與原裝鉆頭進(jìn)行對(duì)比，所研發(fā)的鉆頭可有效提高鉆進(jìn)效率。原裝鉆頭和所研發(fā)鉆頭對(duì)比如圖2所示。

圖2 原裝鉆頭（左）與所研發(fā)鉆頭（右）結(jié)構(gòu)對(duì)比

通過設(shè)置內(nèi)置粗螺紋鉆具，提高了鉆頭胎體高度，增加了出水口數(shù)量，提供了一種新型鉆頭組件，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中鉆頭在實(shí)際使用時(shí)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(duì)于原裝鉆頭的價(jià)格降低98%。

3 背包式巖芯鉆機(jī)的冷卻水過濾循環(huán)裝置研發(fā)及應(yīng)用

背包式巖芯鉆機(jī)需要用水對(duì)鉆頭冷卻和攜帶鉆渣，冷卻水通過鉆機(jī)循環(huán)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(qū)交通不便地段，冷卻水供應(yīng)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(duì)人力損耗巨大，極大地增加了鉆探用水的成本；同時(shí)，挑水上山耗費(fèi)時(shí)間，鉆探過程中常出現(xiàn)因冷卻水供應(yīng)不及時(shí)而不得不停機(jī)等待的情況，導(dǎo)致鉆探過程費(fèi)時(shí)費(fèi)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(guó)能建安徽院研發(fā)了一種用于背包式巖芯鉆機(jī)的冷卻水過濾循環(huán)裝置，包括電動(dòng)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(huán)利用，從而大幅度減少了人工工作量。背包式巖芯鉆機(jī)冷卻水過濾循環(huán)裝置如圖3所示。

圖3 背包式巖芯鉆機(jī)冷卻水過濾循環(huán)裝置示意圖

該裝置在鉆孔旁設(shè)置冷卻水過濾沉淀盒，沉淀盒內(nèi)縱向安裝有隔水板，隔水板將過濾沉淀盒分為除污區(qū)和凈水區(qū)，隔水板上設(shè)有通孔，過濾沉淀盒的除污區(qū)內(nèi)橫向安裝有濾網(wǎng)組件，除污區(qū)內(nèi)位于濾網(wǎng)組件上方的過濾沉淀盒側(cè)壁上開有水口，進(jìn)水管的一端位于凈水區(qū)內(nèi)，另一端插在加壓循環(huán)水箱的進(jìn)水端處，加壓循環(huán)水箱的出水端接有出水管，出水管的另一端接在鉆機(jī)本體的水箱入水口上。冷卻水從孔口流出后進(jìn)入過濾沉淀盒，通過過濾系統(tǒng)將冷卻水中泥漿過濾，并采用凈水劑對(duì)過濾后的水進(jìn)行凈化處理，從而將冷卻水由原來的100%流失，轉(zhuǎn)變?yōu)?0%～40%的土體滲入流失，其余60%～80%的水體都進(jìn)入過濾循環(huán)裝置進(jìn)行重復(fù)利用?？紤]到過濾操作中的部分水質(zhì)損耗，實(shí)際情況中利用過濾循環(huán)裝置可使冷卻水重復(fù)利用率達(dá)到40%～70%。該冷卻水過濾循環(huán)裝置獲得了一項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)[13]。

4 結(jié)論

文章所提相關(guān)新型勘探設(shè)備及裝置主要適用于淺層地基土勘探，已經(jīng)應(yīng)用的工程大部分在安徽省內(nèi)，部分是陜西、山西、吉林、新疆、江蘇、湖南、江西等地區(qū)的輸電線路勘察項(xiàng)目，具有一定的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，主要體現(xiàn)在如下方面：（1）鋼釬靜探結(jié)合了人工麻花鉆和靜探設(shè)備雙重特點(diǎn)，采用定量指標(biāo)評(píng)價(jià)土層力學(xué)性質(zhì)，對(duì)提高巖土勘察質(zhì)量和技術(shù)進(jìn)步具有良好的推動(dòng)作用；（2）背包式巖芯鉆機(jī)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(jī)的冷卻水過濾循環(huán)裝置顯著提高了水的利用效率，節(jié)約了水資源，減少了泥漿排放量，保護(hù)了自然環(huán)境，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干凈整潔、綠色環(huán)保。

另外，上述設(shè)備在應(yīng)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(shè)備在使用過程中需采取消除側(cè)阻力的措施，對(duì)于淤泥質(zhì)土等而言，在貫入過程中側(cè)阻力相對(duì)較大，會(huì)影響貫入總阻力的判斷，需進(jìn)一步研究消除側(cè)阻力的方法；（2）背包式巖芯鉆機(jī)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(duì)于土層和破碎巖體等的適用性較差，需進(jìn)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(jī)的冷卻水過濾循環(huán)裝置利用鉆孔內(nèi)回流的泥漿水進(jìn)行過濾、凈化和再循環(huán)利用，當(dāng)出現(xiàn)地層中裂隙較為發(fā)育或松散地層時(shí)，鉆孔內(nèi)存在漏水現(xiàn)象，從而影響循環(huán)用水的效率，對(duì)于漏水嚴(yán)重的地層，需研究相應(yīng)的處理方法。