1. 引言
地震勘探作为获取地下地质信息的重要手段，在油气资源勘探领域发挥着关键作用。随着勘探区域向复杂地表环境延伸，公路、铁路等交通设施密集区的地震数据采集面临严峻挑战，尤其在大规模三维勘探中，频繁跨越公路布设传输光缆(地震勘探习惯称作大线)不仅影响施工效率，还可能引发交通拥堵和安全事故。
目前在石油地震勘探项目中，排列工序是把采集设备(传输光缆、检波器等)布设到野外作业现场 [1] ，采集过程中数据光缆任何一处不能中途断裂，否则造成采集中断，过公路地震数据传输光缆的完好性，直接影响到有线采集地震资料采集的进度。由于西南地区道路两边一般都有松树、柏树、杉树等比较高大的树木，为此常采用树干架设地震数据传输光缆，由于没有专用的架线工具，地震数据传输光缆架线过程比较耗时，难以满足高效采集的需求。
针对这一技术痛点，研发高效、便捷的过公路架线器成为提升地震勘探作业能力的重要突破口。本文基于自动化机械设计与地震勘探工程需求 [2] ，提出一种新型过公路架线器的系统架构，旨在实现非侵入式、高精度的公路跨越布线作业，降低人工操作风险，同时保障交通基础设施的正常运行。该研究对推动地震勘探装备智能化转型、提升复杂场景下的勘探效率具有重要工程意义。
2. 快捷型架线器的原理及实现
2.1. 技术现状
Figure 1. Flowchart of highway crossing line stringing
图1. 地震勘探过公路架线流程图
针对目前四川盆地地震勘探中乡村路网发达，树干架线是数传电缆过公路线最优选项，不仅是保障采集连续性最好的过公路线方式，也是维护最少的架线方式，更重要的是安全隐患较低(图1) [3] 。
现阶段数传光缆穿越树干，常用的有两种架线方式(图2所示)：1、采用矿泉水瓶装砂石进行人工投掷，2、用带“Y”字形的支架辅助电缆线过树干，第一种架线方式需要反复投掷，难以达到预期位置，耗时较多；第二种架线方式容易出现辅助绳上升过程相互缠绕，在树干位置难以取下辅助杆。
Figure 2. Traditional tree-trunk crossing stringing methods (left: water bottle throwing; right: Y-shaped bracket)
图2. 传统过树干架线方式(左：投掷水瓶，右：Y字支架)
2.2. 原理设计及制作工艺
轻便快捷型架线器是石油勘探采集工序专用架设地震数据传输光缆工具 [4] ，是一个构思精巧实用的过公路数传光缆架线工具，架线器设计根据现场需求，利用杠杆原理，在过树干采用力大小转换轻松实现辅助绳穿越树干，而架线器不会挂在树干上，设计具备架线器可单独稳固竖立，方向角度多向调节，且操作方便等功能，以降低检修、保证生产工作安全、有效进行。如图3所示：
Figure 3. Design diagram of the line stringer
图3. 架线器设计图
该架线器的特点如下：
1) 轻便：带收缩杆不到4 kg；
2) 易携带：因为使用了收缩杆，收缩之后长度仅有1.5米左右；
3) 易装配：架线器和收缩杆采用螺栓相接，10 s内就可以完成装配；
4) 易操作：利用杠杆原理，在过树干采用力大小转换轻松实现辅助绳穿越树干，而架线器不会挂在树干上；
5) 架线效率高：效率是常规架线的3倍。
轻便快捷型架线器由主件(U型支架)及配件(翻转横梁、拉绳环、支杆连接螺栓、伸缩支杆)构成 [5] 。每部分的制作工艺如下：
(1) 主件(U型支架)制作工艺及流程
U型支架作为架线器的主要部件，它对整个架线器是否灵活便捷的起到非常重要的作用，其材料主要采用不锈钢材或者铝材。其铸件中两支脚轴孔处需安装旋转轴，为保证支架的使用寿命，所以此部位不允许存在明显缩孔缩松等缺陷。U型支架铸件毛坯重量约2.5 kg，主体壁厚11 mm。铸件整体呈对称结构，其下方为底座，底座为中空设计，底面设有接线孔。铸件两支脚对称竖直，上部有轴孔设计，内侧为凸台，外侧镂空。壁薄镂空会影响金属液流动。凸台位置相对厚重容易产生缩松、缩孔等缺陷。
材料选型与结构优化
1) 材料对比分析：采用316不锈钢(屈服强度 ≥ 205 MPa)时，耐腐蚀性优于铝材(6061-T6，屈服强度 ≥ 240 MPa)，但重量增加42%。建议在高湿环境采用不锈钢，山区作业选用铝镁合金。
2) 壁厚梯度设计：轴孔部位采用12.5 mm渐变壁厚(原11 mm)，底部过渡区设置3 mm加强筋，降低应力集中系数达18%。
3) 浇注系统改进：采用底注式浇道配合陶瓷过滤网，金属液上升速度控制在8~10 cm/s，减少紊流导致的卷气缺陷。
铸造工艺控制要点
1) 模具制作规范：红松芯盒含水率控制在8%~12%，清漆采用三涂两磨工艺(400目→600目→800目砂纸逐级打磨)，合模间隙 ≤ 0.2 mm。
2) 砂芯制备：呋喃树脂加入量1.2%~1.5%，24 h抗拉强度 ≥ 2.4 MPa。采用CO2硬化工艺，吹气压力0.15 MPa，保压30 s。
3) 缺陷防控措施：在凸台部位设置Φ25 × 40 mm保温冒口，配合铬铁矿砂激冷，使凝固梯度从4℃/s提升至7℃/s，缩松缺陷率下降至0.5%以下。
精密加工流程
1) 数控精铣：使用五轴加工中心，主轴转速8000 rpm，进给速度1200 mm/min，保证轴孔公差H7级(+0.018/0 mm)。
2) 表面处理：喷砂采用80目棕刚玉，喷距150 mm，喷角75˚，Ra值由6.3 μm降至1.6 μm。
3) 动平衡检测：在转速1500 rpm下进行动平衡测试，残余不平衡量 ≤ 3 g·mm/kg。
(2) 相关配件制作工艺及流程
翻转横梁、拉绳环、支杆连接螺栓、伸缩支杆四个配件为架线器的核心组成部分，它们共同协作以确保架线器在施工作业过程中的稳定性和高效性。翻转横梁用于调整架线器的角度和位置，拉绳环则用于固定和引导绳索，确保线路的张力均匀分布。支杆连接螺栓负责将各个支杆牢固连接，增强整体结构的稳定性，而伸缩支杆则可以根据实际需求调整架线器的高度和跨度，适应不同的施工环境。这些配件的精密设计和协同工作，使得架线器能够在复杂的地形和气候条件下，安全、高效地完成传输光缆的架设任务。
其制作主要配件的工艺流程主要分为：
翻转横梁精密成型工艺
1) 冷轧成型：采用三道次渐进折弯(角度30˚→60˚→90˚)，回弹补偿量通过有限元模拟确定，角度误差±0.5˚。
2) 激光焊接：YAG激光器功率3 kW，焊接速度1.2 m/min，氩气流量15 L/min，熔深达板厚的85%。
伸缩支杆制造技术
1) 管材加工：6063-T5铝管数控旋压成型，壁厚公差±0.1 mm，椭圆度 ≤ 0.05 mm。
2) 锁紧机构：自锁式棘轮设计，齿形角55˚，模数1.5，承载能力提升至300 kgf。
3. 应用效果
本架线器的成功研发为川渝地区地震勘探提供一个专用的过公路架设地震数据传输光缆的工具，该架线工具具备轻便快捷、装配简单、易操作等优点。在地震勘探施工中，过公路两边有大树的情况下，利用该工具架设地震数据传输光缆，提高架线效率(见图4)。
Figure 4. Field application of the line stringer in the Sichuan-Chongqing seismic exploration project
图4. 架线器在川渝地震勘探项目应用现场
Figure 5. Line stringer deployment statistics in the 2023 Cangxi-Jiange 3d seismic project
图5. 2023年苍溪–剑阁三维项目架线次数统计
Figure 6. Average time statistics of Cangxi Jiange three dimensional cable erector
图6. 苍溪–剑阁三维架线器平均用时统计
在2023年苍溪–剑阁三维地震勘探中，使用该工具后，架设地震数据传输光缆由过去的25分钟提高到了8分钟，架线效率提高了3倍，不仅缩减架线时间，还节约人力成本，保障了野外高效采集，助力该项目创造了有线和节点混采最高2541炮的日效新纪录，获得了施工单位的广泛好评(见图5、图6)。
4. 结论
快捷型架线器研发解决了山地地震勘探中过路网的关键挑战，特别是在四川盆地等道路网络密集的地区。传统的方法，如手动投掷水瓶和Y形支架辅助电缆架线，效率低、安全隐患大、操作不稳定。本研究提出了一种创新的解决方案，通过采用杠杆力学和优化材料结构集成设计的轻质模块化纵梁，在部署效率和可靠性方面取得了显著进步，满足四川盆地地震勘探高效采集的需求。