塔式背包鉆機在水利工程地質勘察中的應用

韋廷濤，韋 紅，李國平，段 磊

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

0 引言

鉆探不僅是直接獲取地下實物資料的唯一技術方法，而且是工程地質勘察中不可或缺的勘察手段[1]。目前在工程地質勘察中，常用的鉆探設備有液壓鉆機、立軸鉆機、背包鉆機、其它輕型鉆探手段（如麻花鉆、洛陽鏟）等。背包鉆機最早于2000年由美國紹爾公司為進行礦物勘察、油田勘測等地質學者打造的一種輕型便攜式鉆機[2]。近年來，背包鉆機已成為地質行業內重要的淺層勘探、取樣設備。常用的背包鉆機包括手持式背包鉆機（紹爾背包鉆機）和塔式背包鉆機。

由于手持式背包鉆機的鉆進穩定性不如塔式背包鉆機，因此在工程地質勘察中常用塔式背包鉆機進行鉆探、取樣工作。本文通過工程實踐總結了塔式背包鉆機在水利工程中的應用效果，對比分析了該鉆機的優點，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在工程地質勘察中的應用提供經驗參考。

1 塔式背包鉆機結構和工作原理

塔式背包鉆機是便攜式背包鉆機的一種，其主要結構包括柴油（汽油）發動機、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換器或配件將發動機與鉆桿對接，鉆桿通過鉆具與鉆頭連接，同時將供水系統接入發動機供水接口；然后在鉆進過程中依靠支架塔式鏈條上下發動機變速箱來完成鉆具的提升和鉆進，有發動機通過鉆桿和鉆具帶動鉆頭高速旋轉，高壓供水系統通過發動機與鉆桿相連，水流從鉆桿內部流至鉆孔底部，利用水泵對鉆頭進行冷卻后再從孔壁返回孔口，同時將土（巖）屑攜帶至地表（見圖1B）。隨著鉆具向下鉆進，土（巖）芯進入到巖芯管中，當鉆進達到一定鉆孔深度或取樣深度后，便可提升鉆桿取出土（巖）樣，完成單回次鉆進或取樣作業。

2 工程應用

2.1 某灌區續建配套與節水改造工程

該工程為舊灌區改造工程，工程區的地形地貌主要為低山丘陵和喀斯特平原，覆蓋層較厚，植被發育，灰巖山多呈孤立狀態。覆蓋層主要為第四系黏土、粉質黏土、含礫石粉質黏土等，下伏基巖包括白堊系泥質粉砂巖、泥巖，二疊系灰巖，石炭系灰巖、白云質灰巖等。該工程共布置了42 個鉆孔，其中20 個塔式背包鉆機孔，總進尺為98.6 m，有10 個孔入巖。

塔式背包鉆機在該工程中主要起到加密淺層勘探點的輔助作用，勘探地層土（巖）性基本與立軸鉆機能夠對應。但是塔式背包鉆機在不同的土（巖）性地層中的鉆探和取芯效果差別較大。在黏土、粉質黏土等無包含物的地層中，芯樣形態規則，為土柱狀（見圖2A～B），取芯率較高；在含礫粉質黏土、含礫黏土、砂卵礫石等含較多礫石、碎石、卵石的土層中，芯樣形態不規則，呈泥包礫石狀或散體狀（見圖2C），取芯率低，甚至無法取芯；在灰巖、白云質灰巖等完整較硬巖的地層中，塔式背包鉆機的鉆探和取芯效果良好，巖芯以圓柱狀為主（見圖2D），取芯率也相對較高。在灰巖與礫巖互層地層中，只要不同巖性間接觸式膠結程度高，是較完整～完整巖體，塔式背包鉆機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 某灌區續建配套與節水改造工程塔式背包鉆機巖芯

2.2 某地中小河流重點洪水易發區水文監測應急建設工程

該工程共新建水文站19個，水位站30個，雨量站270個，改建巡測基底2處，改建完善省應急中心1處。工程區地形包括巖溶峰叢、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、砂質黏土、粉質黏土、砂卵礫石等，下伏基巖主要為石炭系、二疊系和泥盆系灰巖。該工程共布置27個塔式背包鉆機鉆孔，總進尺為116.45 m。

該工程勘探點的特點是孔深較淺，勘探精度要求不高，所以塔式背包鉆機是主要的鉆探設備。塔式背包鉆機在該工程的應用效果與上述工程的類似。在黏土和粉質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 某地中小河流重點洪水易發區水文監測應急建設工程塔式背包鉆機巖芯

3 塔式背包鉆機的優點

由上述工程實例可知，塔式背包鉆機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，在黏土、粉質黏土、較完整～完整灰巖地層中的取芯率較高，鉆進效果較好。但是在砂層、卵礫石層、碎石土層以及破碎基巖和硬質花崗巖地層中，塔式背包鉆機的適用性相對較差，取芯率也較低，甚至無法取芯，而且容易發生粘鉆、卡鉆、埋鉆等孔內事故。此外，在大多數情況下，塔式背包鉆機需要加水鉆進，該工藝會對土（巖）芯產生較大的擾動影響，破壞土（巖）芯的完整性。

塔式背包鉆機和立軸鉆機、其他輕型鉆探（麻花鉆、洛陽鏟等）參數對比見表1。

表1 塔式背包鉆機、立軸鉆機以及其他輕型鉆探參數對比

塔式背包鉆機主要具有以下幾點優勢：

（1）小巧靈活，便于搬運，搬運便捷。塔式背包鉆機及其附件總重量僅40～50 kg，略重于麻花鉆、洛陽鏟等輕型鉆探工具，遠輕于立軸鉆機，只需2～3個普通成年人即可輕松搬運。塔式背包鉆機易裝易拆，安裝與拆卸只需常見的五金工具，無需搬運其他額外設備。因此塔式背包鉆機更具機動性和靈活性。

（2）操作簡便，安全系數高。塔式背包鉆機搬運到鉆探點位并安裝完成后，只需簡單的操作即可連接和延伸整個裝置，再加上取芯器，便可快速進行鉆探取芯。整個鉆探和取樣工作全程僅需1～2個人同時操作。此外，塔式背包鉆機操作靈活簡單，操作人員只需經過簡單的操作和安全培訓即可上崗，而立軸鉆機屬于大中型機械，其操作較為復雜，也存在較多的安全隱患，因此立軸鉆機的操作需要聘請專業的鉆探工人，鉆探工人在上崗前需要經過較長時間的操作培訓和安全教育。

（3）施工用地面積小，用水量少，綠色環保。塔式背包鉆機施工占地面積（約0.5 m2），遠小于立軸鉆機施工占地面積，對地表植被和環境的破壞輕微，有效地解決了地質鉆探工作的環境保護問題。塔式背包鉆機一般配備一個50 L 水桶或一個小型水泵，每鉆進1 m 土（巖）層的用水量為5～10 L，鉆進用水量明顯少于立軸鉆機，符合綠色鉆探的發展理念。

（4）鉆探效率高，鉆探成本低。通過多個水利工程實踐發現，在一般情況下，從搬機到鉆探點位開始，到鉆進10 m土層結束，塔式背包鉆機僅需2～3 h，而立軸鉆機則需要3～5 h，節約了鉆探時間，從而有效降低了鉆探成本。此外，立軸鉆機的鉆探成本還包括進（退）場費和青苗補償費，進（退）場費與運距、轉運次數、地形條件復雜程度呈正比，青苗補償費與鉆機的占地面積密切相關。塔式背包鉆機因其輕便、易拆卸的特性，進（退）場費用低，同時由于占地面積較小，很少會產生青苗補償費，從而直接減少了鉆探成本。

4 塔式背包鉆機存在問題

（1）鉆探乏力，水壓不穩。當鉆探到達定深度后（約10 m），塔式背包鉆機的動力稍顯不足，鉆進隨著深度的增加會變得越來越困難，這不僅增加了鉆探時間，容易引起鉆頭疲勞損傷，影響鉆進效果，而且更容易發生卡鉆、埋鉆等孔內事故。此外，該鉆機主要采用清水鉆進方式，當水源距離較遠時，水壓供水不足，導致（巖）屑無法及時從孔內排出，鉆頭沒有得到及時冷卻，同樣容易造成埋鉆、粘鉆、燒鉆等不良后果，極大地影響鉆進效率和取芯效果。

（2）取芯效果一般，土（巖）樣擾動嚴重。鉆探時長，土（巖）層性質和鉆進工藝等是影響鉆探取芯的重要因素[3]。塔式背包鉆機隨著孔深增加，鉆探動力降低，增加了鉆頭研磨土（巖）層的時長，對土（巖）芯會產生較大的機械破壞擾動。水鉆工藝會對土芯產生較大的擾動影響[4]，例如干燥的黏土，經長時間水鉆后可能會變成稍濕黏土，會影響現場地質人員對土體性質的判斷。由于塔式背包鉆孔徑和取芯管較小，在鉆取巖芯時，由于鉆頭高速旋轉，用水量較大，容易將全風化巖石磨成巖粉，或使柱狀巖芯斷裂為短柱狀或碎塊狀，現場地質人員只能根據巖粉大致判斷全風化層的巖性或巖體的完整性。因此，塔式背包鉆取芯對鉆探工藝、鉆機操作、設備狀態（如發動機動力、鉆頭磨損程度等）的要求比較高。筆者認為背包鉆機所取土（巖）芯僅適用于對工程地質土（巖）體的命名和基礎性質作出基本判別。

（3）發動機易熄火，零部件易損壞。背包鉆機普遍存在發動機易熄火的問題[4]。在鉆進過程中，因孔內事故或操作不當引起發動機超負荷運轉現象，嚴重超負荷運轉時，發動機的鉆速會大幅下降，甚至會發生爆缸的危險。背包鉆機不宜進行傾斜鉆探，尤其是仰角作業時會發生發動機油液倒置的情況，因為在仰角鉆探時汽（柴）油難以進入供油系統，從而導致發動機熄火。除發動機外，水泵、風扇罩、軸承等零部件也易發生損壞或磨損。零部件一般為鉆機廠家特制，在五金店難以購買到適配的零件，需聯系制造鉆機廠家，等待廠家發貨，才能對零部件進行更換或修理。因此，塔式背包鉆機應經常進行日常的檢查和維護，常備易損零部件，以免設備損壞后不能及時維修或更換，耽誤勘察進度。

（4）在部分地層的適用性較差。塔式背包鉆機在礫石或碎石含量較高的土層、砂層、卵礫石層以及巖質堅硬的花崗巖層、完整性差的基巖層的適用性較差，容易發生卡鉆、埋鉆等孔內事故，應用效果不佳，取芯率較低。因此，在選擇塔式背包鉆機進行鉆探時，應先進行地質測繪或根據區域地質資料對地層進行判斷。

5 結語

通過工程實踐和對比分析，得出以下幾點結論：

（1）塔式背包鉆機雖然具有較強的便攜性和靈活性，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勘察。

（2）塔式背包鉆機在黏土層、粉質黏土層以及較完整～完整泥巖、砂巖、灰巖等軟巖和較硬基巖中的應用效果較好，不適用于碎石土層、砂層、卵礫石層等覆蓋層和較破碎～破碎、堅硬的基巖層。

（3）塔式背包鉆機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備之一，也可以作為大中型水利工程鉆探的輔助勘察設備，起到補充勘察的作用。

根據塔式背包鉆機在水利工程的實際應用情況，筆者建議在選擇塔式背包鉆機作為水利工程鉆探的主要設備時，應在滿足勘察規范要求的前提下進行地質測繪或查閱區域地質資料，判斷塔式背包鉆機是否適用于該區域地層；同時需做好鉆機的日常維護工作，以免因鉆機損壞耽誤勘察工期。