轻便电动麻花钻在电力岩土工程中的应用

刘 瑞，宋庆志，王应新

(安徽华电工程咨询设计有限责任公司，安徽 合肥 230022)

轻便电动麻花钻为我公司电力岩土工程科技项目，研发和实验阶段已经完成，并获得实用新型专利授摘要：

权(授权号：ZL201320494492.5)。目前在工程中的广泛应用，彰显了该设备的巨大优越性。本文介绍了轻便电动小麻花钻的结构、适用范围，并通过数个工程的实践对比，阐述并证明了该新型设备在电力岩土工程中具有的重大优越性。

轻便高效；电动动力；麻花钻；电力岩土工程。关键词：

P2 文献标志码：B 文章编号：1671-9913(2018)S1-0123-07中图分类号：

The Application of Portable Electric Twist Drill in Electric-

Geotechnical Engineering

LIU Rui, SONG Qing-zhi, WANG Ying-xin

(Anhui Huadian Engineering Consultating & Design Co.,Ltd., Hefei 230022, China)

Abstract: the portable electric twist drill power geotechnical engineering science and technology projects for the company research and development and experiment phase has been completed, and utility model patents authorized (grant number: ZL201320494492.5), has been in a wide range of applications, reveals the great superiority of the equipment. This paper introduces the portable electric small twist drill structure, using range and contrast from a number of engineering practice, expounds and proves the new equipment in the power of geotechnical engineering has great superiority.

Key words: portable; electric power; drill; power in geotechnical engineering.

1 轻便电动麻花钻的研发

1.1 研发背景

人工麻花钻是输变电工程岩土勘察常用设备之一。输电工程中，人工麻花钻常用来探察杆塔基础埋深及下卧层范围内的土体强度情况，以确定杆塔天然基础的适用性；变电工程中，人工麻花钻常用来探察变电站站址范围内暗沟暗塘的分布、范围和深度情况，以确定建(构)筑物的基础排布及型式。

人工麻花钻有其不足之处：(1)适用范围

有局限性：对全风化层及局部含碎石层不适用，故无法应用于山区工程；(2)效率较低，每个麻

花钻孔约耗时1个多小时，无法满足工程进度要求；(3)整体质量较大，一般为30～40 kg，长距离搬运困难；(4)人力需求较大，需要3～4人一起操作。

1.2 研发过程

为了弥补上述人工麻花钻的不足，我公司研发轻便电动麻花钻。

轻便电动小麻花钻是由电源、夹头、钻杆、

* 收稿日期：2018-04-11

作者简介：刘瑞(1983- )，男，河北张家口人，高级工程师，主要从事电力工程勘察及岩土科技创新工作。

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岩土 轻便电动麻花钻在电力岩土工程中的应用124

钻头、取土器等组成,动力部分、钻杆部分、钻头部分以及取土器部分构成，见图1～图3，实物图见图4。该轻便电动麻花钻整体质量约6～8 kg。

图1 钻杆部分结构图

图2 钻头部分示意图

图3 取土器部分示意图

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图4 轻便电动麻花钻实物图

1.3 操作方法

(1) 将带有钻杆的钻头用动力部分的自锁式夹头夹持，手持动力部分，将钻头钻入被测试土中至被测试深度，动力部分转速可调，当测试深度大于钻杆及钻头总长时，可以继续接钻杆至测试深度。

(2) 提起动力设备及钻杆钻头，将取土器部分下入至测试深度，可采用静力压入及动力贯入的方法取得测试位置的原状土样。当测试深度大于取土器时，可以继续接钻杆至测试深度。

(3) 提出钻杆及取土器，可通过取土观察窗观测被测试土样，还可通过螺丝刀通过取土观

察窗向下捣出土样，进一步辨别，同时用该方法清理取土器内残余的土，以便于下一次取土。

(4) 继续重复步骤1至下一个测试深度直至该点位勘探完毕。

1.4 效果对比

对比目前电力架空线路岩土工程勘察常用的人工小麻花钻，轻便电动小麻花钻的适用范围、工作速度、人力需求、整体质量都有明显的改善，其对比见表1。

由表1可见，轻便电动小麻花钻在各个方面指标均优于人工小麻花钻，根据目前的使用情况，尤其在山区线路以及地层变化复杂地区，需要大量地质判别工作的时候，轻便电动小麻

花钻尤为方便。

岩土 轻便电动麻花钻在电力岩土工程中的应用表1 轻便电动小麻花钻与人工小麻花钻对比

重量人力需求工作速度地层鉴别适用地层轻便电动麻花钻6～8 kg1人很快，风化岩石及碎石土采用静压反馈，钻杆跳动，取软土、全部粘性土、粉土、砂土、全风中进尺缓慢土器取土判别化岩石、部分碎石土人工小麻花较慢，遇到可塑偏硬～硬软土、软塑～硬塑粘性土，部分粉土及钻30～40 kg3～4人塑粘土进尺缓慢采用取钻头上土判别砂土2 效果检查

我公司将试制样品用于实际工况校验，分别在软土地区、粘性土地区、砂土地区、碎石土地区以及岩石地区做校验。结果见表2～表6。

表2 软土地区试验成果

地点合肥市巢湖边漫滩地层介绍大于10 m深度的淤泥质土、软塑状态的软土，承载力特征值 fak 约为60～80 kPa。孔 位孔1孔2孔3深 度5.0 m5.0 m5.0 m钻探时间7分28秒6分40秒6分34秒取土情况较差一般一般完成情况完成完成完成设备情况不超载，设备良好不超载，设备良好不超载，设备良好适用性评价适用适用适用结论及反馈该设备适用于软土地层。由于软土自身特性，取土情况较差～一般，钻进反馈明显，故软土判别不受影响。表3 粘性土地区试验成果

地点合肥市高新开发区地层介绍上部1.5～2.0 m厚可塑状态粘土，承载力特征值fak约为140～160 kPa。下部大于5.0 m厚硬塑～坚硬状态粘土，承载力特征值fak约为200～260 kPa。孔 位孔1孔2孔3深 度5.0 m5.0 m5.0 m钻探时间30分5秒26分24秒25分17秒取土情况良好良好良好完成情况完成完成完成设备情况瞬时超载，轻微堵转，设备良好不超载，设备良好瞬时超载，设备良好适用性评价适用适用适用结论及反馈该设备适用于粘性土地层。由于粘性土摩擦力较大，反馈明显，且当钻进深度过深时，会出现由于摩擦力过大造成超载和堵转，在孔2和孔3采取小进尺量，多次提拔，这一现象明显改善。表4 砂土地区试验成果

地点六安市舒城县杭埠镇地层介绍上部0.5～2.0 m厚松散粉土夹粉细砂，承载力特征值fak约为100～120 kPa。下部大于5.0 m厚稍密～中密状态细中砂，承载力特征值fak约为150～180 kPa。孔 位孔1孔2孔3深 度5.0 m5.0 m5.0 m钻探时间17分20秒15分24秒16分47秒完成情况完成完成完成取土情况较好较好较好设备情况不超载，设备良好不超载，设备良好不超载，设备良好适用性评价适用适用适用结论及反馈该设备适用于砂土地层。砂土地层呈散粒状，钻进反馈明显，由于易坍塌，取土器不易沉入钻孔底部，但不影响地层判别。2018年07月 增刊1  125

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岩土 轻便电动麻花钻在电力岩土工程中的应用表5 碎石土地区试验成果

地点六安市霍山县开发区地层介绍上部0.5～2.0 m粉质粘土夹碎石，粉质粘土承载力特征值fak约为140～160 kpa。下部大于5.0 m厚稍密～中密状态碎石土，承载力特征值fak约为180～220 kpa。孔 位孔1孔2孔3深 度3.0 m3.7 m2.9 m钻探时间15分20秒10分35秒12分25秒完成情况未完成未完成未完成取土情况较差较差较差设备情况不超载，设备良好超载，偶尔堵转，超载，偶尔堵转，设备良好设备良好适用性评价条件适用条件适用条件适用结论及问题该设备条件适用于碎石土地层。经过分析，粒径大于25 mm的碎石将造成卡钻、钻进困难，钻进反馈明显，但仍能判别土层。表6 岩石地区试验成果

地点六安市霍山县红旗山地层介绍大于5 m厚度的砂岩，强风化～中风化，承载力特征值fak约为240～280 kpa。孔 位孔1孔2孔3深 度0.5 m0.7 m0.5 m钻探时间15分00秒15分00秒15分00秒完成情况未完成未完成未完成取土情况///设备情况不超载，设备良好，不超载，设备良好，不超载，设备良好，钻进困难钻进困难钻进困难适用性评价不适用不适用不适用结论及问题该设备不适用于岩石地层。岩石强度超出该设备最大钻进能力、钻进困难，空转，钻进反馈明显。经过上述校验，得出结论：该设备适用于密灌丛生，由电气、测量、结构、岩土等专业

粘性土、砂土、软土、部分碎石土地层。构成的工作小组采用一次定位的方法，避免二3 实际工程应用情况

次爬山，以提高工作效率。以往经验岩土专业需要临时用工4名，背负沉重的人工麻花钻、3.1 山区架空线路工程

洛阳铲，效率低下。本次采用轻便电动小麻花山区架空线路的外业工作一般需要行走的钻后，仅需1人，山上作业方便快捷得多，根距离长，爬山不适合重型设备搬运，尤其是在据地形完全可以达到逐腿勘测，1.0～2.0 m的荆棘密灌区。在以往的作业中，均是以人工小坡积土覆盖层的钻进不超过3分钟，泥质砂岩麻花钻及洛阳铲为主，需要4名工人搬运及工的判别可根据区域地质及现场综合判定，大大作。在徽州－雄路、潜口－宁国π入吴川变提高了工作速度和效率。同样在徐桥风电220 kV输电线路工程中，线路所经地段地貌单场～石牌110 kV线路工程，琴溪～泾县牵引站元主要为皖南丘陵低山，微地貌以丘陵、岗地220 kV线路工程等众多山区线路中都发挥了重为主。沿线地面标高在124.0～195.0 m左右，要的作用。

地形起伏较大。地层主要为坡积土、可塑～硬塑状态的粉质粘土、稍密状态的碎石土以及全3.2 变电站暗沟暗塘的摸排及边界划分

风化～强风化的侏罗系泥质砂岩为主。岩土工变电站内建(构)筑物零散分布，形式多程外业工作的重点是调查清楚在山坡、山脊、样，多设计为基础，且根据建(构)筑物功山顶上的覆盖层厚度，下伏基岩风化程度。在能性质不同，设计大小埋深不尽相同。站址内山沟、冲沟里软土厚度及下伏地层情况。山林

存在的暗沟暗塘对基础影响很大，通常用人工

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岩土 轻便电动麻花钻在电力岩土工程中的应用麻花钻摸排，费时费力，而采用电动轻便小麻花钻，效率提高数倍乃至十数倍。安徽黄山吴川220 kV变电站，站址绝大部分位于低山丘陵上，原始地面标高为127.10～149.80 m (1956年黄海高程系)，场地内有天然小塘2个，西北侧有溢水道一条，西南侧仅小部分位于山间冲积平原内。场地内位于低山丘陵部分岩性基本为数十公分坡积土，下伏侏罗系强风化～中风化泥质砂岩。施工图阶段发现生产综合室基础一半落在山间冲积平原内，根据静力触探资料显示，冲积平原内由耕土、可塑～硬塑偏硬粉质粘土、稍密的粉土、泥质砂岩构成，泥质砂岩埋深5 m左右，为了清晰的反映生产综合室下每个基础的地层变化情况，在沿山脚垂直方向布置较多小麻花钻孔，人工麻花钻和电动小麻花钻同时进行，在不到半个小时的时间里，人工麻花钻由4人完成摸排孔2个，轻便电动小麻花钻由1人完成摸排孔15个，除去地形及终孔深浅因素，轻便电动小麻花钻的效率也大大高于人工麻花钻。同时，轻便电动小麻花钻在本工程探测塘内塘水深度、塘底淤泥厚度，由于在一定情况下可以不提钻，探测塘底地层也有重要作用。

3.3 基坑验槽、井下验槽及回填土夯实

度初判

轻便电动小麻花钻对基坑坑底损害较小，钻深很快，配合小钎探，可以对基坑多点不同深度进行验证。同样适用于回填土夯实度初判，便于施工单位实时动态的掌握填土的夯实情况。合肥大兴110 kV线路中，采用人工挖孔灌注桩基础，桩长18 m，桩径1.8 m，自－4 m至－18 m均为硬塑状态粘土，一砖砌体支护，但施工至－12 m时，发现下部有软土，砌体支护不能正常进行，上部砌体也有松垮的危险。井深较深，空间狭小，现有技术手段无法判断软弱层的具体情况，就不能给结构专业提供数据提出新的施工方案。如果全盘否定，无论业主还是施工方均有巨大损失。采用轻便电动小麻花钻，带2 m钻杆，整体质量4 kg，由一人下井操作，仅仅10分钟，探明软弱层厚度

为0.7 m，下伏仍为硬塑状态粘土。最终采用钢桶护壁顺利完成成孔，这是轻便电动小麻花钻的创新应用。

3.4 其他创新应用

在轻便电动小麻花钻测试两年以来，在多个场合开发了新的应用。在合肥北部线路改造时，老线基础形式有2种，如果采用基础形式A，新塔必须废除原基础。如果老塔采用基础形式B，则经过结构专业验算，新塔可以直接利用原基础，故需要探明老线基础形式，A、B两种基础形式的区别在于基础台阶第一阶的埋深和尺寸，以及整个基础底板尺寸和埋深。故只要探明第一阶的埋深和尺寸就可以确定是哪一种基础形式。利用轻便电动小麻花钻，在第一阶基础内钻至基础表面，测量钻杆长度，方便得出基础台阶第一阶的埋深，通过多布置点位，得出基础台阶第一阶的尺寸，从而确定了老线基础形式，整个确定过程仅仅20分钟，给结构专业准确的数据，节约大量时间和人力成本，避免了工程浪费。

3.5 预期拓展

通过轻便电动小麻花钻在电力架空线路及变电站的表现，该系统同样适用于地下电缆、地下管线工程的勘察，工民建建筑的辅助勘察。由于轻便电动小麻花钻的轻便，不仅适用于垂直钻孔，水平、倾斜孔同样适用，故可用于垂直剖面、斜剖面的浅层勘察。

4 效益对比

4.1 设备对比

分析新旧两种手段我们可以做一个对比见图5。

4.2 经济效益对比

以一个百公里典型线路为例，设定老设备为一组4位劳务用工，1名岩土专业人员，投入2组；新设备为一组1位劳务用工，1名岩土专业人员，投入2组。测算见表7。

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岩土 轻便电动麻花钻在电力岩土工程中的应用老设备全套（30 kg，12件） 创新设备全套（7.2 kg 2件）

老设备外业工作模式（4人肩扛手提） 创新设备工作模式（1人背负）

图5 技术指标对比分析

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岩土 轻便电动麻花钻在电力岩土工程中的应用表7 典型百公里线路效益对比表

类别项目车辆岩土人员民工数量228单价(元)6001200150原岩土勘察设备工作时长(天)303030费用(元)360007200036000总价(元)144000数量222单价(元)6001200150轻便电动麻花钻工作时长(天)121212总费用(元)14400288003600总价(元)46800节约费用总计(元)97200经测算，每百公里线路岩土外业费用节省然可以做为线路的主要勘察手段，也可以作为9.72万元。以我公司年业务量1000余公里输电静力触探、钻探的辅助勘察手段，将是电力岩线路计算，年平均节约费用超过100万元。轻土勘察的新亮点。

便电动麻花钻的先进性得到了充分的验证。如果能在电力行业内普遍推广，能产生可观的经参考文献：

济效益。[1] 刘瑞，程鑫．轻便电动麻花钻科技验收成果报告[R]．合肥：安徽工程勘察协会电力专委会，2014．5 总结[2] 刘瑞．一种电动取土钻：中国，ZL201320494492.5 [P]．从两年多试验的结果来看，通过数十个变2014-04-09．电站工程，数百公里的线路工程实践，轻便电[3] 常士骠，等．工程地质手册(第四版)[K]．北京：中动小麻花钻效率高，判断准确，机动灵活，既国建筑工业出版社，2007．我国分布式能源广泛接入电网技术通过验收国家863计划项目“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”6月23日在浙江上虞通过验收。该技术提供了高密度分布式能源接入电网的新模式，为光伏、风电等新能源安全稳定接入大电网扫除了技术障碍。“高密度分布式能源接入交直流混合微电网关键技术”为光伏、风电等高密度分布式能源接入电网，提供了规划设计、运行控制、故障保护、优质供电等一整套系统化解决方案。交直流混合微电网能充分发挥交流微电网和直流微电网各自优点，实现个性化供电。如采用直流电驱动的电动车充电装置、LED照明灯等，可直接接入直流微电网，节省了在电网内进行交直流电变换的大量环节，从而实现节能增效。这个项目由国网浙江省电力有限公司牵头，于2015年7月正式启动，近3年来已制定3项标准，申请发明专利42项，其中授权发明专利7项。（摘自：http://www.cec.org.cn/）2018年07月 增刊1  129