韋廷濤，韋 紅，李國(guó)平，段 磊

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

0 引言

鉆探不僅是直接獲取地下實(shí)物資料的唯一技術(shù)方法，而且是工程地質(zhì)勘察中不可或缺的勘察手段[1]。目前在工程地質(zhì)勘察中，常用的鉆探設(shè)備有液壓鉆機(jī)、立軸鉆機(jī)、背包鉆機(jī)、其它輕型鉆探手段（如麻花鉆、洛陽(yáng)鏟）等。背包鉆機(jī)最早于2000年由美國(guó)紹爾公司為進(jìn)行礦物勘察、油田勘測(cè)等地質(zhì)學(xué)者打造的一種輕型便攜式鉆機(jī)[2]。近年來(lái)，背包鉆機(jī)已成為地質(zhì)行業(yè)內(nèi)重要的淺層勘探、取樣設(shè)備。常用的背包鉆機(jī)包括手持式背包鉆機(jī)（紹爾背包鉆機(jī)）和塔式背包鉆機(jī)。

由于手持式背包鉆機(jī)的鉆進(jìn)穩(wěn)定性不如塔式背包鉆機(jī)，因此在工程地質(zhì)勘察中常用塔式背包鉆機(jī)進(jìn)行鉆探、取樣工作。本文通過工程實(shí)踐總結(jié)了塔式背包鉆機(jī)在水利工程中的應(yīng)用效果，對(duì)比分析了該鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，以及存在的問題，并提出使用建議，以期為今后塔式背包鉆機(jī)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 塔式背包鉆機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

塔式背包鉆機(jī)是便攜式背包鉆機(jī)的一種，其主要結(jié)構(gòu)包括柴油（汽油）發(fā)動(dòng)機(jī)、立架、鉆桿、鉆具、鉆頭、水泵等，還包括油壺、配比壺、水管以及各種五金工具配件等（見圖1A）。其工作原理是：首先利用配備的五金工具和專用轉(zhuǎn)換器或配件將發(fā)動(dòng)機(jī)與鉆桿對(duì)接，鉆桿通過鉆具與鉆頭連接，同時(shí)將供水系統(tǒng)接入發(fā)動(dòng)機(jī)供水接口；然后在鉆進(jìn)過程中依靠支架塔式鏈條上下發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱來(lái)完成鉆具的提升和鉆進(jìn)，有發(fā)動(dòng)機(jī)通過鉆桿和鉆具帶動(dòng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，高壓供水系統(tǒng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)與鉆桿相連，水流從鉆桿內(nèi)部流至鉆孔底部，利用水泵對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻后再?gòu)目妆诜祷乜卓?，同時(shí)將土（巖）屑攜帶至地表（見圖1B）。隨著鉆具向下鉆進(jìn)，土（巖）芯進(jìn)入到巖芯管中，當(dāng)鉆進(jìn)達(dá)到一定鉆孔深度或取樣深度后，便可提升鉆桿取出土（巖）樣，完成單回次鉆進(jìn)或取樣作業(yè)。

2 工程應(yīng)用

2.1 某灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程

該工程為舊灌區(qū)改造工程，工程區(qū)的地形地貌主要為低山丘陵和喀斯特平原，覆蓋層較厚，植被發(fā)育，灰?guī)r山多呈孤立狀態(tài)。覆蓋層主要為第四系黏土、粉質(zhì)黏土、含礫石粉質(zhì)黏土等，下伏基巖包括白堊系泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，二疊系灰?guī)r，石炭系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等。該工程共布置了42 個(gè)鉆孔，其中20 個(gè)塔式背包鉆機(jī)孔，總進(jìn)尺為98.6 m，有10 個(gè)孔入巖。

塔式背包鉆機(jī)在該工程中主要起到加密淺層勘探點(diǎn)的輔助作用，勘探地層土（巖）性基本與立軸鉆機(jī)能夠?qū)?yīng)。但是塔式背包鉆機(jī)在不同的土（巖）性地層中的鉆探和取芯效果差別較大。在黏土、粉質(zhì)黏土等無(wú)包含物的地層中，芯樣形態(tài)規(guī)則，為土柱狀（見圖2A～B），取芯率較高；在含礫粉質(zhì)黏土、含礫黏土、砂卵礫石等含較多礫石、碎石、卵石的土層中，芯樣形態(tài)不規(guī)則，呈泥包礫石狀或散體狀（見圖2C），取芯率低，甚至無(wú)法取芯；在灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等完整較硬巖的地層中，塔式背包鉆機(jī)的鉆探和取芯效果良好，巖芯以圓柱狀為主（見圖2D），取芯率也相對(duì)較高。在灰?guī)r與礫巖互層地層中，只要不同巖性間接觸式膠結(jié)程度高，是較完整～完整巖體，塔式背包鉆機(jī)的鉆探和取芯效果與在較硬巖地層中的差別不大，即巖芯呈圓柱狀，取芯率較高（見圖2E～F）。

圖2 某灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程塔式背包鉆機(jī)巖芯

2.2 某地中小河流重點(diǎn)洪水易發(fā)區(qū)水文監(jiān)測(cè)應(yīng)急建設(shè)工程

該工程共新建水文站19個(gè)，水位站30個(gè)，雨量站270個(gè)，改建巡測(cè)基底2處，改建完善省應(yīng)急中心1處。工程區(qū)地形包括巖溶峰叢、高山、低山丘陵以及喀斯特等多種地形地貌。覆蓋層主要為黏土、砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂卵礫石等，下伏基巖主要為石炭系、二疊系和泥盆系灰?guī)r。該工程共布置27個(gè)塔式背包鉆機(jī)鉆孔，總進(jìn)尺為116.45 m。

該工程勘探點(diǎn)的特點(diǎn)是孔深較淺，勘探精度要求不高，所以塔式背包鉆機(jī)是主要的鉆探設(shè)備。塔式背包鉆機(jī)在該工程的應(yīng)用效果與上述工程的類似。在黏土和粉質(zhì)黏土覆蓋層以及砂巖和泥巖的基巖層中，鉆探效果良好，取芯率高，還可以觀察到巖石層理（見圖3）。

圖3 某地中小河流重點(diǎn)洪水易發(fā)區(qū)水文監(jiān)測(cè)應(yīng)急建設(shè)工程塔式背包鉆機(jī)巖芯

3 塔式背包鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

由上述工程實(shí)例可知，塔式背包鉆機(jī)普遍適用于各種地形地貌，尤其適用于崇山峻嶺、交通困難和水源缺乏的地區(qū)，在黏土、粉質(zhì)黏土、較完整～完整灰?guī)r地層中的取芯率較高，鉆進(jìn)效果較好。但是在砂層、卵礫石層、碎石土層以及破碎基巖和硬質(zhì)花崗巖地層中，塔式背包鉆機(jī)的適用性相對(duì)較差，取芯率也較低，甚至無(wú)法取芯，而且容易發(fā)生粘鉆、卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。此外，在大多數(shù)情況下，塔式背包鉆機(jī)需要加水鉆進(jìn)，該工藝會(huì)對(duì)土（巖）芯產(chǎn)生較大的擾動(dòng)影響，破壞土（巖）芯的完整性。

塔式背包鉆機(jī)和立軸鉆機(jī)、其他輕型鉆探（麻花鉆、洛陽(yáng)鏟等）參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 塔式背包鉆機(jī)、立軸鉆機(jī)以及其他輕型鉆探參數(shù)對(duì)比

塔式背包鉆機(jī)主要具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）小巧靈活，便于搬運(yùn)，搬運(yùn)便捷。塔式背包鉆機(jī)及其附件總重量?jī)H40～50 kg，略重于麻花鉆、洛陽(yáng)鏟等輕型鉆探工具，遠(yuǎn)輕于立軸鉆機(jī)，只需2～3個(gè)普通成年人即可輕松搬運(yùn)。塔式背包鉆機(jī)易裝易拆，安裝與拆卸只需常見的五金工具，無(wú)需搬運(yùn)其他額外設(shè)備。因此塔式背包鉆機(jī)更具機(jī)動(dòng)性和靈活性。

（2）操作簡(jiǎn)便，安全系數(shù)高。塔式背包鉆機(jī)搬運(yùn)到鉆探點(diǎn)位并安裝完成后，只需簡(jiǎn)單的操作即可連接和延伸整個(gè)裝置，再加上取芯器，便可快速進(jìn)行鉆探取芯。整個(gè)鉆探和取樣工作全程僅需1～2個(gè)人同時(shí)操作。此外，塔式背包鉆機(jī)操作靈活簡(jiǎn)單，操作人員只需經(jīng)過簡(jiǎn)單的操作和安全培訓(xùn)即可上崗，而立軸鉆機(jī)屬于大中型機(jī)械，其操作較為復(fù)雜，也存在較多的安全隱患，因此立軸鉆機(jī)的操作需要聘請(qǐng)專業(yè)的鉆探工人，鉆探工人在上崗前需要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的操作培訓(xùn)和安全教育。

（3）施工用地面積小，用水量少，綠色環(huán)保。塔式背包鉆機(jī)施工占地面積（約0.5 m2），遠(yuǎn)小于立軸鉆機(jī)施工占地面積，對(duì)地表植被和環(huán)境的破壞輕微，有效地解決了地質(zhì)鉆探工作的環(huán)境保護(hù)問題。塔式背包鉆機(jī)一般配備一個(gè)50 L 水桶或一個(gè)小型水泵，每鉆進(jìn)1 m 土（巖）層的用水量為5～10 L，鉆進(jìn)用水量明顯少于立軸鉆機(jī)，符合綠色鉆探的發(fā)展理念。

（4）鉆探效率高，鉆探成本低。通過多個(gè)水利工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在一般情況下，從搬機(jī)到鉆探點(diǎn)位開始，到鉆進(jìn)10 m土層結(jié)束，塔式背包鉆機(jī)僅需2～3 h，而立軸鉆機(jī)則需要3～5 h，節(jié)約了鉆探時(shí)間，從而有效降低了鉆探成本。此外，立軸鉆機(jī)的鉆探成本還包括進(jìn)（退）場(chǎng)費(fèi)和青苗補(bǔ)償費(fèi)，進(jìn)（退）場(chǎng)費(fèi)與運(yùn)距、轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)、地形條件復(fù)雜程度呈正比，青苗補(bǔ)償費(fèi)與鉆機(jī)的占地面積密切相關(guān)。塔式背包鉆機(jī)因其輕便、易拆卸的特性，進(jìn)（退）場(chǎng)費(fèi)用低，同時(shí)由于占地面積較小，很少會(huì)產(chǎn)生青苗補(bǔ)償費(fèi)，從而直接減少了鉆探成本。

4 塔式背包鉆機(jī)存在問題

（1）鉆探乏力，水壓不穩(wěn)。當(dāng)鉆探到達(dá)定深度后（約10 m），塔式背包鉆機(jī)的動(dòng)力稍顯不足，鉆進(jìn)隨著深度的增加會(huì)變得越來(lái)越困難，這不僅增加了鉆探時(shí)間，容易引起鉆頭疲勞損傷，影響鉆進(jìn)效果，而且更容易發(fā)生卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。此外，該鉆機(jī)主要采用清水鉆進(jìn)方式，當(dāng)水源距離較遠(yuǎn)時(shí)，水壓供水不足，導(dǎo)致（巖）屑無(wú)法及時(shí)從孔內(nèi)排出，鉆頭沒有得到及時(shí)冷卻，同樣容易造成埋鉆、粘鉆、燒鉆等不良后果，極大地影響鉆進(jìn)效率和取芯效果。

（2）取芯效果一般，土（巖）樣擾動(dòng)嚴(yán)重。鉆探時(shí)長(zhǎng)，土（巖）層性質(zhì)和鉆進(jìn)工藝等是影響鉆探取芯的重要因素[3]。塔式背包鉆機(jī)隨著孔深增加，鉆探動(dòng)力降低，增加了鉆頭研磨土（巖）層的時(shí)長(zhǎng)，對(duì)土（巖）芯會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械破壞擾動(dòng)。水鉆工藝會(huì)對(duì)土芯產(chǎn)生較大的擾動(dòng)影響[4]，例如干燥的黏土，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間水鉆后可能會(huì)變成稍濕黏土，會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)人員對(duì)土體性質(zhì)的判斷。由于塔式背包鉆孔徑和取芯管較小，在鉆取巖芯時(shí)，由于鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，用水量較大，容易將全風(fēng)化巖石磨成巖粉，或使柱狀巖芯斷裂為短柱狀或碎塊狀，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)人員只能根據(jù)巖粉大致判斷全風(fēng)化層的巖性或巖體的完整性。因此，塔式背包鉆取芯對(duì)鉆探工藝、鉆機(jī)操作、設(shè)備狀態(tài)（如發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、鉆頭磨損程度等）的要求比較高。筆者認(rèn)為背包鉆機(jī)所取土（巖）芯僅適用于對(duì)工程地質(zhì)土（巖）體的命名和基礎(chǔ)性質(zhì)作出基本判別。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)易熄火，零部件易損壞。背包鉆機(jī)普遍存在發(fā)動(dòng)機(jī)易熄火的問題[4]。在鉆進(jìn)過程中，因孔內(nèi)事故或操作不當(dāng)引起發(fā)動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的鉆速會(huì)大幅下降，甚至?xí)l(fā)生爆缸的危險(xiǎn)。背包鉆機(jī)不宜進(jìn)行傾斜鉆探，尤其是仰角作業(yè)時(shí)會(huì)發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)油液倒置的情況，因?yàn)樵谘鼋倾@探時(shí)汽（柴）油難以進(jìn)入供油系統(tǒng)，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。除發(fā)動(dòng)機(jī)外，水泵、風(fēng)扇罩、軸承等零部件也易發(fā)生損壞或磨損。零部件一般為鉆機(jī)廠家特制，在五金店難以購(gòu)買到適配的零件，需聯(lián)系制造鉆機(jī)廠家，等待廠家發(fā)貨，才能對(duì)零部件進(jìn)行更換或修理。因此，塔式背包鉆機(jī)應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行日常的檢查和維護(hù)，常備易損零部件，以免設(shè)備損壞后不能及時(shí)維修或更換，耽誤勘察進(jìn)度。

（4）在部分地層的適用性較差。塔式背包鉆機(jī)在礫石或碎石含量較高的土層、砂層、卵礫石層以及巖質(zhì)堅(jiān)硬的花崗巖層、完整性差的基巖層的適用性較差，容易發(fā)生卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故，應(yīng)用效果不佳，取芯率較低。因此，在選擇塔式背包鉆機(jī)進(jìn)行鉆探時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪或根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料對(duì)地層進(jìn)行判斷。

5 結(jié)語(yǔ)

通過工程實(shí)踐和對(duì)比分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）塔式背包鉆機(jī)雖然具有較強(qiáng)的便攜性和靈活性，由于其鉆探深度較淺，所以主要適用于各種地形地貌的淺層線性水利工程地質(zhì)勘察。

（2）塔式背包鉆機(jī)在黏土層、粉質(zhì)黏土層以及較完整～完整泥巖、砂巖、灰?guī)r等軟巖和較硬基巖中的應(yīng)用效果較好，不適用于碎石土層、砂層、卵礫石層等覆蓋層和較破碎～破碎、堅(jiān)硬的基巖層。

（3）塔式背包鉆機(jī)可以作為鉆探精度要求不高的淺層水利線性工程鉆探的主要設(shè)備之一，也可以作為大中型水利工程鉆探的輔助勘察設(shè)備，起到補(bǔ)充勘察的作用。

根據(jù)塔式背包鉆機(jī)在水利工程的實(shí)際應(yīng)用情況，筆者建議在選擇塔式背包鉆機(jī)作為水利工程鉆探的主要設(shè)備時(shí)，應(yīng)在滿足勘察規(guī)范要求的前提下進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪或查閱區(qū)域地質(zhì)資料，判斷塔式背包鉆機(jī)是否適用于該區(qū)域地層；同時(shí)需做好鉆機(jī)的日常維護(hù)工作，以免因鉆機(jī)損壞耽誤勘察工期。