基于GDL-1型多功能鉆機土壤污染調(diào)查取樣施工技術(shù)

黃東帥，高明帥，袁志堅，肖祖未，王春蕾，臧臣坤，余天歌，高杉

(1.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120；2.河南省資源環(huán)境調(diào)查三院，鄭州 450046)

1 工程概況

1.1 項目概況

根據(jù)《全國土壤污染狀況詳查總體方案》和《土壤污染防治行動計劃》(簡稱“土十條”)要求，要在2020年底前掌握重點行業(yè)企業(yè)用地中污染地塊的分布及其環(huán)境風(fēng)險。因此，國家土壤污染狀況詳查辦公室設(shè)立“全國重點行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查項目”，本次施工項目依托于“開封市重點行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查初步采樣工作”，“焦作市重點行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查初步采樣工作”兩個子項目分別在河南省開封市、焦作市對重點行業(yè)企業(yè)用地進行土壤、水質(zhì)調(diào)查。項目承接單位分別為河南省環(huán)境保護廳、開封市環(huán)境保護局和焦作市環(huán)境保護局。

1.2 取樣設(shè)備

本項目采用2臺GDL-1型多功能環(huán)境勘察鉆機，該鉆機搭載履帶平臺可實現(xiàn)施工場地內(nèi)的自由運移。通過該設(shè)備多功能動力頭(如圖1所示)可實現(xiàn)靜壓取樣、沖擊取樣、回轉(zhuǎn)取心、螺旋建井等多工藝施工技術(shù)，為環(huán)境調(diào)查提供多功能技術(shù)儲備[1-3]。鉆機詳細(xì)功能參數(shù)見表1。

表1 GDL-1多功能環(huán)境勘察鉆機參數(shù)

圖1 GDL-1鉆機多功能動力頭Fig.1 Multifunctional power head of GDL-1 drilling rig

通過加裝如圖1所示的三種動力頭組件可實現(xiàn)同一動力頭不同施工工藝。螺旋建井時需要大扭矩低轉(zhuǎn)速同時無循環(huán)泥漿，采用圖1(a)所示動力頭，雙液壓馬達(dá)通過回路實現(xiàn)并聯(lián)控制，輸出4000 N·m扭矩的同時最高轉(zhuǎn)速40 r/min；當(dāng)需要對地表混凝土進行破除或進行工程勘察取心作業(yè)時，可將動力頭下部組件換成如圖1(b)所示的循環(huán)液回轉(zhuǎn)取心模式，在回轉(zhuǎn)鉆進的同時可進行泥漿正循環(huán)對孔壁進行潤滑以及對鉆頭冷卻，這種工況在此次環(huán)境調(diào)查項目中使用頻次較少；淺層第四系覆蓋層取樣多采用圖1(c)所示的沖擊取樣方式，專用的直徑89 mm外平環(huán)境取樣鉆具在沖擊頭砧子的高頻沖擊下逐漸壓入，取樣鉆具內(nèi)部裝有PVC取樣管，待完成1.5 m回次后提出全部鉆具，便可得到封存在取樣管內(nèi)的土壤樣品。

2 取樣工藝方法

2.1 土壤取樣施工技術(shù)

直推/沖擊+無循環(huán)液取樣是環(huán)境鉆探的常規(guī)鉆進工藝，GDL-1鉆機的直推/沖擊取樣鉆具組合可與沖擊動力頭、沖擊回轉(zhuǎn)動力頭配套使用。如圖2所示，沖擊頭施加液壓缸直推、高頻沖擊至外管沖錘帽，快速取土。在定點過程中，內(nèi)鉆桿4頂住活塞鉆頭9使得土樣不能進入取心PVC管，當(dāng)?shù)竭_(dá)目的層時抽出內(nèi)鉆桿，PVC管隨著鉆具7向下沖擊鉆進，土樣在切削刃10的作用下進入PVC取樣管，回次取樣結(jié)束時提鉆取出PVC管，即獲得土樣[1]。

圖2 土壤直推鉆具組合示意圖Fig.2 Schematic diagram of soil direct push BHA

此項目施工地點多處于廢棄工廠區(qū)內(nèi)，地面多為已經(jīng)硬化的混凝土地面，無法直接使用沖擊鉆具進行取樣，需要使用PDC單管鉆具破除地表混凝土后才可以進行土壤取樣作業(yè)，圖3為采用沖擊+靜壓的方式取到的土壤樣品。

圖3 采用沖擊取出的土壤樣品Fig.3 Soil samples removed by impact

2.2 水質(zhì)監(jiān)測施工技術(shù)

GDL-1型多功能鉆機可提供4000 N·m的回轉(zhuǎn)扭矩，滿足外徑120 mm中空螺旋鉆具鉆進，在鉆進過程中將木塞堵在鉆頭中心通道內(nèi)防止泥土進入螺旋鉆具。以焦作施工現(xiàn)場為例，施工地塊采樣井設(shè)計井深16 m，待鉆進至目標(biāo)深度時將外徑75 mm的U-PVC材質(zhì)井管采用卡扣連接起來通過中空螺旋鉆具下至孔底。由于需要建設(shè)長期監(jiān)測井，因此濾水管上開口埋深需位于近幾年地下水平均埋深(13 m)以上0.5 m處，下開口埋深15.5 m，下設(shè)0.5 m沉淀管。濾水管選用縫寬0.2～0.5 mm的割縫篩管。待濾水管和井管全部下放至孔底后依次向井管孔壁之間填入直徑為1～2 mm的球度與圓度好、無污染的石英砂作為濾料層，濾料層與地面之間為止水層，止水材料選用球狀膨潤土或紅黏土漿灌入，最后用混凝土形成高于地面0.3 m以上的混凝土井臺，并蓋上專用井管蓋板。至此一口可用于長期地下水監(jiān)測的監(jiān)測井施工完畢[4]。

3 施工中出現(xiàn)問題及優(yōu)化

在此次河南省開封市和焦作市重點行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查初步采樣工作中開展了75個點位的土壤/水質(zhì)取樣施工，如表2所示。施工過程中設(shè)備整體運行狀態(tài)良好，但結(jié)合施工過程中工藝配套及提升施工效率考慮對鉆機和取樣鉆具分別進行了升級改進。

表2 GDL-1型多功能環(huán)境勘察鉆機施工取樣點

首先，盡管此次施工主要以無循環(huán)液環(huán)境調(diào)查取樣為主，但結(jié)合市場需求增加鉆機循環(huán)泵配套方案，通過選配地質(zhì)泥漿泵、螺桿泵、砂石泵可實現(xiàn)地質(zhì)勘探、工程勘察以及小口徑水井施工循環(huán)液供給。另外，根據(jù)現(xiàn)場施工過程中提高起下鉆效率的需求，將鉆機桅桿進行訂制化設(shè)計，新研制的產(chǎn)品可滿足6 m立根的起下鉆作業(yè)需求，較之前整體效率提升50%，改進升級后鉆機如圖4所示。

圖4 改進后的鉆機示意圖Fig.4 Schematic diagram of improved drilling rig

4 結(jié)語

通過本次在河南開封、焦作兩個重點行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查初步采樣項目的施工，中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司研制的GDL-1型多功能鉆機可進行多工藝、多功能配置，提出整體解決方案，通過了試驗、實踐與驗證，并建立了一套適用于我國土壤環(huán)境調(diào)查施工的工藝方法，為助力土壤污染調(diào)查、工程勘察等行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供強有力的技術(shù)裝備支撐。由于我國地域遼闊，地理環(huán)境、道路條件以及氣候環(huán)境的差異性很大，應(yīng)根據(jù)需要配置多樣化的裝載形式(履帶裝、車載、拖車、散裝等)及動力形式(柴油機、電機、汽油機等)，這也是未來設(shè)備的發(fā)展方向。