國(guó)內(nèi)外土壤環(huán)境調(diào)查聲波鉆機(jī)研究進(jìn)展及發(fā)展探討

潘云雨，徐 靜，梅金星，高 翔，潘 俊

（1.南京中荷寰宇環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210019；2.溧陽(yáng)市東南機(jī)械有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213399）

0 引言

土壤是地球生命賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，與農(nóng)產(chǎn)品和人體健康息息相關(guān)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)土資源安全有直接影響［1］。2014年全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，全國(guó)土壤總點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，耕地超標(biāo)點(diǎn)位達(dá)到19.4%［2］。土壤污染已成為亟待解決的重大環(huán)境問(wèn)題［3］。隨著城市產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整、結(jié)構(gòu)升級(jí)以及“退二進(jìn)三”、“退城進(jìn)園”政策實(shí)施，全國(guó)出現(xiàn)了大量關(guān)停和搬遷遺留下來(lái)的工業(yè)場(chǎng)地，其原址被再次利用，帶來(lái)的土壤環(huán)境污染問(wèn)題日益顯現(xiàn)［4］。為保障農(nóng)用地和工業(yè)企業(yè)用地安全，我國(guó)于2016年頒布了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》并進(jìn)行農(nóng)用地和重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查［5］。2016—2018年，農(nóng)用地詳查布設(shè)點(diǎn)位55.8萬(wàn)個(gè)，基本查明農(nóng)用地土壤污染面積、分布及其對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。2018—2020年，全國(guó)重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)調(diào)查涉及地塊十幾萬(wàn)個(gè)，基本掌握污染地塊的分布及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，我國(guó)土壤環(huán)境調(diào)查市場(chǎng)前景廣闊，鉆探采樣設(shè)備需求較大。

土壤環(huán)境調(diào)查鉆探地層為第四紀(jì)覆蓋層，一般采樣深度≯30 m，鉆探施工周期短，且要滿足土壤原位弱擾動(dòng)采樣要求。土壤環(huán)境調(diào)查鉆探設(shè)備有回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、直推靜壓式鉆機(jī)、沖擊式鉆機(jī)、聲波鉆機(jī)［6］?；剞D(zhuǎn)鉆機(jī)采用螺旋鉆具鉆進(jìn)土壤，對(duì)土壤的擾動(dòng)較大，且不適于揮發(fā)性有機(jī)污染物的采集；直推靜壓式鉆機(jī)利用自身重力和外加敲擊錘的沖擊力將鉆具直接貫入土壤進(jìn)行采樣，不適于鉆進(jìn)較深的土層；沖擊式鉆機(jī)利用機(jī)械沖擊力進(jìn)行鉆進(jìn)和取樣，對(duì)土壤的壓縮較嚴(yán)重［7-9］。上述鉆探設(shè)備不能完全滿足土壤原位弱擾動(dòng)采樣要求。而聲波鉆機(jī)通過(guò)線性共振切削穿透地層，可獲得精確的土層信息，不僅鉆進(jìn)速度快、效率高，同時(shí)可獲得原位弱擾動(dòng)樣品，采樣時(shí)揮發(fā)性有機(jī)污染物不易損失，對(duì)環(huán)境污染較小，在土壤環(huán)境調(diào)查領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景［7，10］。本文從聲波鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展、設(shè)備對(duì)比、應(yīng)用領(lǐng)域以及研發(fā)方向4個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述，以期為國(guó)內(nèi)聲波鉆機(jī)發(fā)展提供有益借鑒。

1 聲波鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展

聲波鉆進(jìn)技術(shù)理論誕生于20世紀(jì)初［11］。1930年羅馬尼亞工程師Ion Basgan首次提出將聲波鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)鉆機(jī)的理念并加快了這一技術(shù)的發(fā)展［12］。1948年美國(guó)研制出了一種孔底振動(dòng)器但未能得到很好的應(yīng)用，原因在于振動(dòng)能量過(guò)高導(dǎo)致孔底部件易損［7］。1957年蘇聯(lián)科學(xué)家研發(fā)了一套地面振動(dòng)器但應(yīng)用受到極大限制，原因在于振動(dòng)器僅依靠振動(dòng)作用鉆進(jìn)土層，鉆進(jìn)深度淺［13］。60年代美國(guó)殼牌石油公司研制出了一種大功率地面振動(dòng)器，該振動(dòng)器成功應(yīng)用于石油勘探和高速打樁領(lǐng)域［14］。70年代美國(guó)科學(xué)家Ray Roussy研制出了小功率振動(dòng)器，先后被應(yīng)用到北極地區(qū)的物探爆破孔施工和砂金礦取樣領(lǐng)域中［15］。

90年代后，隨著液壓、自動(dòng)化等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，聲波鉆進(jìn)技術(shù)日趨成熟，國(guó)外多家企業(yè)相繼開(kāi)展了聲波鉆機(jī)的研發(fā)。美國(guó)Boart Longyear公司、Prosonic公 司，荷蘭Eijkelkamp公司，加 拿 大Sonic-Drilling公司，日本利根公司均已產(chǎn)出成熟的聲波鉆機(jī)，在軍事基地油罐場(chǎng)、公用加油站、礦山尾礦庫(kù)和垃圾填埋場(chǎng)等土壤環(huán)境調(diào)查領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［16-18］。

目前國(guó)內(nèi)聲波鉆進(jìn)技術(shù)的研究和應(yīng)用尚處于起步階段。在借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，一些科研機(jī)構(gòu)及公司開(kāi)展了聲波鉆機(jī)的研發(fā)，如中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二勘探局（簡(jiǎn)稱“第二勘探局”）、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）和無(wú)錫金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司（簡(jiǎn)稱“無(wú)錫金帆”）均研發(fā)了聲波鉆機(jī)并在在產(chǎn)企業(yè)的例行監(jiān)測(cè)、工業(yè)企業(yè)退役場(chǎng)地調(diào)查、礦山尾礦庫(kù)調(diào)查和垃圾填埋場(chǎng)調(diào)查等土壤環(huán)境調(diào)查領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用［19-20］。

與國(guó)外成熟的聲波鉆進(jìn)技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)在聲波動(dòng)力頭振動(dòng)、減振以及軸承冷卻裝置等方面尚存在較大差距［21］。

2 國(guó)內(nèi)外土壤環(huán)境調(diào)查聲波鉆機(jī)現(xiàn)狀及對(duì)比分析

近30年聲波鉆進(jìn)技術(shù)得到了充分的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)多家聲波鉆機(jī)制造商。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外聲波鉆機(jī)代表機(jī)型的現(xiàn)狀，重點(diǎn)比較分析國(guó)內(nèi)外聲波動(dòng)力頭、隔振材料、動(dòng)力頭軸承冷卻裝置、配套鉆具、鉆機(jī)的智能化和自動(dòng)化控制水平方面的差異。

2.1 國(guó)外典型土壤環(huán)境調(diào)查聲波鉆機(jī)

LS250MiniSonic鉆 機(jī) 是美國(guó)Boart Longyear公司生產(chǎn)的一種適用于土壤環(huán)境調(diào)查的聲波鉆機(jī)［22］。其特點(diǎn)為：（1）配置自主研發(fā)MiniSonic型聲波動(dòng)力頭，且采用空氣彈簧系統(tǒng)將振動(dòng)與鉆機(jī)隔離，極大地提高了鉆進(jìn)效率；（2）配置Cummins QSB型大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠滿足土壤環(huán)境調(diào)查鉆探深度要求；（3）配置不同尺寸鉆具，鉆孔直徑76～305 mm，可以滿足不同場(chǎng)景的取樣需求；（4）配置較寬橡膠履帶，接地壓力小，適用于大多數(shù)環(huán)境敏感地表、不穩(wěn)定地面以及大型鉆機(jī)難以進(jìn)入的場(chǎng)地環(huán)境［16］。

SRS型聲波鉆機(jī)是荷蘭Eijkelkamp公司研發(fā)的世界上最小的聲波旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。它的主要特點(diǎn)是：（1）配置高頻聲波動(dòng)力頭和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭，采用復(fù)合型橡膠作為減振材料，大大提高鉆進(jìn)效率；（2）配置小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，鉆進(jìn)深度滿足土壤環(huán)境調(diào)查采樣深度要求；（3）根據(jù)不同地質(zhì)條件配置不同鉆具和鉆頭，可以達(dá)到上覆地層98%、其它土層95%以上的巖心采取率；（4）目前已應(yīng)用到環(huán)境鉆探與取樣、巖土工程取樣與測(cè)試、地震爆破井鉆探、巖土施工鉆探等領(lǐng)域。

SP-50型鉆機(jī)是日本利根公司研發(fā)的環(huán)保類聲波鉆機(jī)。其主要特點(diǎn)有：（1）配置液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器，振動(dòng)頻率為64.5 Hz；（2）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率較低，另外配置動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)用輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足土壤環(huán)境調(diào)查采樣深度，對(duì)能源消耗較??；（3）鉆孔直徑60～230 mm，基本滿足土壤環(huán)境調(diào)查的各種取樣場(chǎng)景；（4）已經(jīng)應(yīng)用于土壤和地下水環(huán)保調(diào)查領(lǐng)域。

2.2 國(guó)內(nèi)典型土壤環(huán)境調(diào)查聲波鉆機(jī)

MGD-S50Ⅱ型鉆機(jī)是第二勘探局自主研發(fā)的高頻聲波鉆機(jī)［23-26］。該鉆機(jī)主要特點(diǎn)有：（1）采用派克馬達(dá)聲波動(dòng)力頭，動(dòng)力頭采用整體框架和側(cè)面橡膠減振方式結(jié)合，性能可靠、力學(xué)結(jié)構(gòu)合理［24］；（2）配置大功率6BTAA-C150型東風(fēng)康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，鉆進(jìn)深度可達(dá)50 m；（3）在河北涿州開(kāi)展不同地層試驗(yàn)，針對(duì)不同地層配置不同鉆具，結(jié)果表明3種地層的巖心采取率高達(dá)96%以上［26］；（4）主要用于污染場(chǎng)地土壤環(huán)境調(diào)查、尾礦壩勘察、環(huán)境監(jiān)測(cè)井等領(lǐng)域［27］。

YGL-S50型鉆機(jī)是無(wú)錫金帆引進(jìn)原裝進(jìn)口聲波動(dòng)力頭研制的聲波鉆機(jī)。該聲波鉆機(jī)特點(diǎn)有：（1）采用偏心重錘式、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)與回轉(zhuǎn)工藝結(jié)合的鉆進(jìn)方式，通過(guò)自給式和空壓機(jī)式減振裝置，具有良好的降噪效果，且能提高鉆機(jī)壽命；（2）采用小功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，基本滿足土壤環(huán)境調(diào)查采樣深度的要求；（3）配置單管和雙管取樣器，取樣直徑達(dá)到95～130 mm，基本滿足土壤環(huán)境調(diào)查的各種取樣場(chǎng)景；（4）主要用于土壤環(huán)境污染取樣、尾礦壩勘察等領(lǐng)域［28］。

2.3 國(guó)內(nèi)外聲波鉆機(jī)對(duì)比分析

國(guó)內(nèi)外聲波鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和技術(shù)水平情況見(jiàn)表1、表2。

表1 國(guó)內(nèi)外聲波鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of main technical parameters of sonic drilling machines at home and abroad

表2 國(guó)內(nèi)外聲波鉆機(jī)技術(shù)水平對(duì)比Table 2 Technical level comparison of acoustic drilling machines at home and abroad

可以看出，國(guó)內(nèi)外在聲波動(dòng)力頭主要技術(shù)參數(shù)（振動(dòng)頻率、激振力、最大輸出扭矩、給進(jìn)力、起拔力）沒(méi)有明顯的差距，但是國(guó)內(nèi)在聲波動(dòng)力頭、隔振材料以及動(dòng)力頭軸承冷卻裝置研發(fā)等方面還存在不足。

2.3.1 國(guó)內(nèi)聲波動(dòng)力頭仍需進(jìn)口，缺乏自主創(chuàng)新

聲波動(dòng)力頭是聲波鉆機(jī)的關(guān)鍵部位，國(guó)外對(duì)其研究較早，有很多專利產(chǎn)品，如美國(guó)Boart Longyear公司、荷蘭Eijkelkamp公司研發(fā)的系列聲波鉆機(jī)，兩家聲波動(dòng)力頭已申報(bào)了國(guó)際專利。國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、自主研發(fā)能力的專業(yè)化公司少，動(dòng)力頭依靠進(jìn)口。如無(wú)錫金帆的聲波鉆機(jī)采用了日本進(jìn)口的聲波動(dòng)力頭。

2.3.2 國(guó)內(nèi)隔振材料落后，減振效果較差

隔振材料可以吸收振動(dòng)器產(chǎn)生的能量，避免鉆機(jī)因強(qiáng)振作用導(dǎo)致部件損壞，增加鉆機(jī)壽命［29］。國(guó)外鉆機(jī)隔振方式多樣，且隔振材料比較先進(jìn)。如荷蘭Eijkelkamp公司的SRS高頻聲波鉆機(jī)隔振材料采用復(fù)合橡膠進(jìn)行隔振，耐腐蝕、抗負(fù)荷能力大、減振效果好。目前國(guó)內(nèi)聲波鉆機(jī)隔振材料相對(duì)落后，如第二勘探局研發(fā)的鉆機(jī)隔振材料為普通橡膠，該材料性能受溫度影響大、耐腐蝕和抗負(fù)荷能力差、易形變和老化。

2.3.3 國(guó)內(nèi)聲波動(dòng)力頭軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度高，使用壽命短

動(dòng)力頭軸承冷卻裝置能夠有效控制偏心軸軸承的工作溫度，提高軸承使用壽命。目前國(guó)外鉆機(jī)采用的軸承冷卻系統(tǒng)能夠在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)軸承循環(huán)噴油潤(rùn)滑和冷卻，如荷蘭SRS型高頻聲波鉆機(jī)。而國(guó)內(nèi)鉆機(jī)一般采用軸承循環(huán)換脂技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭軸承冷卻潤(rùn)滑，如中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）研發(fā)的SDR-100型聲波鉆機(jī)，無(wú)法完全解決偏心振動(dòng)軸承溫度高、壽命短問(wèn)題。

2.3.4 國(guó)內(nèi)聲波鉆機(jī)配套鉆具材料落后，易產(chǎn)生疲勞損傷

鉆具的壽命受材料種類影響較大。目前國(guó)外鉆機(jī)配套鉆具一般選用高強(qiáng)度合金材料，如荷蘭SRS型高頻聲波鉆機(jī)鉆具選用的42CrMo材料，其強(qiáng)度、疲勞極限和耐沖擊能力高于其它鉻鉬合金材料。國(guó)內(nèi)第二勘探局研發(fā)的聲波鉆機(jī)選用的鉆具材料為35CrMo，已具有良好的荷載和承受沖擊的能力，但存在在高頻振動(dòng)下韌性差、易產(chǎn)生疲勞損傷問(wèn)題。

2.3.5 國(guó)內(nèi)鉆機(jī)智能化和自動(dòng)化控制水平低

鉆機(jī)智能化和自動(dòng)化控制技術(shù)是一種將智能診斷識(shí)別修復(fù)、智能化操控和智能監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化控制相結(jié)合的技術(shù)，可以普遍提升聲波鉆機(jī)設(shè)備的運(yùn)行效 率 和 質(zhì) 量［30-32］。如 美 國(guó)Boart Longyear公 司 的LS250MiniSonic型聲波鉆機(jī)采用上述技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的智能診斷識(shí)別并預(yù)設(shè)相應(yīng)解決程序，以達(dá)到故障的自動(dòng)修復(fù)；可實(shí)現(xiàn)集成性高、準(zhǔn)確度高的遠(yuǎn)程智能化操控；可協(xié)同膜界面探測(cè)器（MIP）實(shí)現(xiàn)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)污染物濃度的智能監(jiān)測(cè)功能。然而，國(guó)內(nèi)鉆機(jī)在上述技術(shù)領(lǐng)域智能化和自動(dòng)化控制水平相對(duì)較低。

3 聲波鉆機(jī)在土壤環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用

土壤環(huán)境調(diào)查目的是獲取連續(xù)完整原位弱擾動(dòng)土壤樣品，以掌握土壤污染情況。土壤鉆探是獲取場(chǎng)地土壤和地下水樣品以及巖石最有效的手段［33-34］。而聲波鉆機(jī)由于鉆進(jìn)速度快、壓縮比小、巖心采取率大以及易獲得原位弱擾動(dòng)土壤樣品等優(yōu)點(diǎn)，在土壤環(huán)境調(diào)查的應(yīng)用廣泛。如在產(chǎn)企業(yè)的例行監(jiān)測(cè)、工業(yè)企業(yè)退役場(chǎng)地調(diào)查、礦山尾礦庫(kù)土壤調(diào)查、垃圾填埋場(chǎng)調(diào)查等［35-38］。

3.1 在產(chǎn)企業(yè)的例行監(jiān)測(cè)

根據(jù)《工礦用地土壤環(huán)境管理辦法（試行）》（生態(tài)環(huán)境部部令）中的規(guī)定，土壤重點(diǎn)監(jiān)管單位應(yīng)當(dāng)定期開(kāi)展土壤和地下水監(jiān)測(cè)［39］。這類企業(yè)由于構(gòu)筑物完整、硬化良好，如何將硬化層破除是此類企業(yè)例行監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)之一。常規(guī)鉆機(jī)大部分適合在粉土、砂土等地層鉆進(jìn)，在硬化層鉆進(jìn)速度慢、鉆頭損耗較大，推廣使用具有局限性。而聲波鉆機(jī)采用高頻振動(dòng)技術(shù)原理，使硬化水泥實(shí)現(xiàn)共振破碎，鉆頭磨損較小，鉆進(jìn)速度較快，極大地提高了在產(chǎn)企業(yè)例行監(jiān)測(cè)的效率。以南京某船廠為例，該地塊硬化層厚度1～2.5 m，選用的荷蘭Eijkelkamp公司SRS-PL型鉆機(jī)在硬化層的鉆進(jìn)速度是其它鉆機(jī)的2～3倍，高效完成了企業(yè)的例行監(jiān)測(cè)。

3.2 工業(yè)企業(yè)退役場(chǎng)地調(diào)查

根據(jù)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中的規(guī)定，對(duì)擬收回土地使用權(quán)的重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地，以及用途擬變更為居住和商業(yè)、學(xué)校、醫(yī)療、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)等公共設(shè)施的工業(yè)企業(yè)，需開(kāi)展土壤環(huán)境狀況調(diào)查［5］。我國(guó)工業(yè)企業(yè)退役場(chǎng)地?cái)?shù)量較多、分布廣泛、地質(zhì)跨度較大且存在污染隱患，所以要求鉆機(jī)具有適應(yīng)多種環(huán)境取樣、機(jī)動(dòng)性能高、獲取連續(xù)完整原位弱擾動(dòng)樣品的特點(diǎn)［40］。常規(guī)鉆機(jī)大多笨重、機(jī)動(dòng)性不強(qiáng)，對(duì)土壤擾動(dòng)性大，難以達(dá)到原位弱擾動(dòng)采樣要求。聲波鉆機(jī)可車載可便攜、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、可干式鉆進(jìn)、且對(duì)土層干擾小，適用于偏遠(yuǎn)、交通不便地區(qū)鉆探采樣。以某關(guān)閉地塊的松散土層鉆探采樣為例，該地塊地層以粉土和粉砂為主，地下水位較淺。常規(guī)鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生鉆孔坍塌，且土樣壓縮比較大。選用聲波鉆機(jī)，采用內(nèi)管超前鉆探、外套管跟進(jìn)封隔地下含水層的鉆探方法，配套爪簧鉆頭和合頁(yè)板鉆頭，輕松取出連續(xù)完整原位弱擾動(dòng)粘土樣品，為關(guān)閉企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［35，41］。

3.3 礦山尾礦庫(kù)調(diào)查

尾礦庫(kù)以堅(jiān)硬地層為主，取樣最大的難點(diǎn)為鉆進(jìn)難度大、深度淺、巖心采取率低。常規(guī)鉆機(jī)在砂卵石層等堅(jiān)硬地層取樣困難、巖心采取率較低、保真度較差［42］。聲波鉆機(jī)采用高頻振動(dòng)，配套雙管鉆具和鉆頭，在堅(jiān)硬地層中鉆進(jìn)速度較快，巖心采取率較高，鉆進(jìn)深度可滿足土壤環(huán)境調(diào)查取樣要求。以安徽某尾礦庫(kù)為例，該尾礦庫(kù)位于山區(qū)的溝谷中，地層以黃褐色粘土、亞粘土、砂、礫石為主。淺層土壤為松散（軟）地層，易發(fā)生鉆孔坍塌事故；深層土壤為砂、礫石地層，鉆進(jìn)難度大。其它鉆機(jī)對(duì)鉆孔的沖擊力較大、鉆進(jìn)深度較淺、巖心采取率低，難以滿足尾礦庫(kù)的采樣調(diào)查。綜合考慮后選用聲波鉆機(jī)，采用雙管鉆探方法，既可避免松軟土層坍塌，又可深入鉆進(jìn)堅(jiān)硬地層，在尾礦庫(kù)環(huán)境調(diào)查中發(fā)揮重要了作用。

3.4 垃圾填埋場(chǎng)調(diào)查

生活垃圾填埋場(chǎng)一般選址距城區(qū)較遠(yuǎn)、交通欠發(fā)達(dá)地區(qū)，且多以堅(jiān)硬地層為主［38］。常規(guī)鉆機(jī)較為笨重機(jī)動(dòng)性不強(qiáng)，在交通欠發(fā)達(dá)地區(qū)移動(dòng)較困難，且不易在堅(jiān)硬地層鉆進(jìn)。聲波鉆機(jī)可車載、可自行走，機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，在堅(jiān)硬地層中亦能快速鉆進(jìn)。以南京某垃圾填埋場(chǎng)為例，該垃圾填埋場(chǎng)遠(yuǎn)離主城區(qū)，且地層以碎石土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖等堅(jiān)硬地層為主。考慮填埋場(chǎng)內(nèi)部鉆探點(diǎn)位距離較遠(yuǎn)，常規(guī)鉆機(jī)鉆進(jìn)易發(fā)生卡鉆、埋鉆等事故，導(dǎo)致完鉆周期長(zhǎng)甚至鉆孔報(bào)廢，造成經(jīng)濟(jì)損失等原因，故選擇聲波鉆機(jī)，并采用內(nèi)管鉆探外套管跟進(jìn)的鉆探方法［43］。外套管能保證土層不發(fā)生坍塌，從而成功采集連續(xù)弱擾動(dòng)的土樣，更好地反映該填埋場(chǎng)污染情況。

隨著高頻聲波鉆機(jī)在土壤環(huán)境調(diào)查中的逐步推廣應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)問(wèn)題也亟待解決。例如長(zhǎng)時(shí)間高振頻會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力頭工作效率下降，甚至?xí)s減鉆機(jī)使用壽命；高振頻會(huì)對(duì)鉆具造成疲勞損傷；聲波鉆機(jī)功能相對(duì)單一。

4 國(guó)內(nèi)聲波鉆機(jī)研發(fā)方向探討

隨著聲波鉆進(jìn)技術(shù)在土壤環(huán)境調(diào)查方面的應(yīng)用日趨廣泛，我國(guó)開(kāi)始加大對(duì)聲波鉆機(jī)的研發(fā)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)制造商通過(guò)購(gòu)買國(guó)外聲波鉆進(jìn)設(shè)備來(lái)仿制組裝聲波鉆機(jī)，生產(chǎn)成本較高，且售后維修和維護(hù)較為困難。為打破國(guó)外聲波鉆機(jī)技術(shù)壟斷地位，國(guó)內(nèi)開(kāi)展聲波鉆機(jī)研發(fā)就顯得十分重要。結(jié)合國(guó)內(nèi)外聲波鉆機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的差距，提出以下研發(fā)方向，與同行進(jìn)行探討。

4.1 增強(qiáng)高振頻動(dòng)力頭壽命

振動(dòng)頻率是聲波鉆機(jī)的核心性能參數(shù)，高振頻（150 Hz）可以減少地層對(duì)鉆具周圍的摩擦阻力，提高鉆進(jìn)速度，但高振頻亦會(huì)對(duì)鉆機(jī)造成損傷，因此穩(wěn)定達(dá)標(biāo)高振頻并增強(qiáng)動(dòng)力頭壽命是高頻聲波動(dòng)力頭亟待攻克的研發(fā)方向。目前國(guó)內(nèi)外的鉆機(jī)采用單振子結(jié)構(gòu)聲波動(dòng)力頭，其高頻振動(dòng)穩(wěn)定性和持久性較差；振子持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致軸承損壞，產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力頭工作效率下降；在無(wú)減振材料配套工況條件下，聲波動(dòng)力頭在運(yùn)行時(shí)高頻振動(dòng)容易對(duì)鉆機(jī)造成損壞。馬志鵬等［44］通過(guò)研究可選擇剛度小、阻尼較大橡膠材料，可提高動(dòng)力頭隔振性能，從而減輕高振頻對(duì)鉆機(jī)的損害。筆者研發(fā)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)外聲波鉆機(jī)研究分析基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)2組具有相等偏心質(zhì)量和偏心軸的振子軸，質(zhì)心相位兩兩串聯(lián)后并聯(lián)，相向轉(zhuǎn)動(dòng)、同步回轉(zhuǎn)，可使振動(dòng)頻率穩(wěn)定達(dá)到150 Hz；通過(guò)液電負(fù)載敏感比例閥，并利用冷卻供油泵和吸油泵配合，使得聲波動(dòng)力頭雙振子同步進(jìn)油和回油，可有效降溫并使軸承使用壽命提升50%以上；利用縱向與主軸振動(dòng)方向一致的復(fù)合橡膠減振材料，使得縱向有較好的彈性變形性能，橫向具有較強(qiáng)的支撐性能，可有效吸收振動(dòng)能量，減輕對(duì)鉆機(jī)的損壞，可顯著提升鉆機(jī)壽命［45-47］。

4.2 解決高振頻下鉆具疲勞損傷問(wèn)題

鉆具主要由鉆頭和鉆桿組成。鉆具材料在鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)會(huì)承受高振頻并產(chǎn)生疲勞損傷。為解決鉆具使用壽命短問(wèn)題，可采用疲勞累積損傷理論，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和升降法試驗(yàn)獲得不同材料的疲勞壽命；可通過(guò)有限元分析，了解其在極限工況下的變形應(yīng)力分布情況；可利用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)鉆具進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)定不同邊界條件的參數(shù)，分析評(píng)價(jià)合金材料的塑性疲勞極限和抗多次沖擊能力。筆者研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)疲勞累積損傷理論并利用有限元分析進(jìn)行了合金材料研發(fā)。通過(guò)對(duì)比不同鉻鉬合金材料的壽命、疲勞極限、抗沖擊能力等，最后發(fā)現(xiàn)42CrMo合金材料是研制高頻聲波鉆具的相對(duì)最優(yōu)選擇，最終設(shè)計(jì)研制了適用于松軟地層的活塞式鉆具、中等及堅(jiān)硬地層的雙壁式鉆具。2套鉆具在松軟地層和堅(jiān)硬地層測(cè)試過(guò)程中分別鉆進(jìn)21 m和34.5 m，其巖心采取率95%～98%，滿足土壤環(huán)境調(diào)查的取樣要求［19］。

4.3 提升高頻聲波鉆機(jī)的智能化和自動(dòng)化水平

智能化和自動(dòng)化控制技術(shù)是一種多學(xué)科融合的技術(shù)，涉及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、語(yǔ)音識(shí)別、在線監(jiān)測(cè)等，在國(guó)外機(jī)械裝備領(lǐng)域如美國(guó)GeoProbe鉆機(jī)中已有較多應(yīng)用。為提升我國(guó)聲波鉆機(jī)智能化和自動(dòng)化水平并與國(guó)際接軌，可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)故障智能預(yù)警和設(shè)備自動(dòng)修復(fù)功能；可結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互智能化遠(yuǎn)程操控功能；可結(jié)合在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)與膜界面探測(cè)器（MIP）協(xié)同聯(lián)動(dòng)達(dá)到對(duì)揮發(fā)性有機(jī)污染物濃度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。筆者研發(fā)團(tuán)隊(duì)已基于可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全機(jī)器液壓智能分配。目前通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)以太接入技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、語(yǔ)音識(shí)別和在線監(jiān)測(cè)，正在構(gòu)建物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)故障智能預(yù)警和設(shè)備自動(dòng)修復(fù)、智能遠(yuǎn)程操控功能；后期與土壤取樣量和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合，可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》的頒布實(shí)施，國(guó)內(nèi)土壤環(huán)境調(diào)查的有序開(kāi)展，土壤環(huán)境調(diào)查鉆探設(shè)備的需求日益增加［48］。聲波鉆進(jìn)技術(shù)以其高效且適應(yīng)性強(qiáng)，可獲得連續(xù)完整原位弱擾動(dòng)土樣的優(yōu)勢(shì)，在土壤環(huán)境調(diào)查中具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)在聲波鉆機(jī)動(dòng)力頭振動(dòng)和減振裝置、軸承冷卻潤(rùn)滑裝置以及配套鉆具等方面與國(guó)外同類鉆機(jī)有較大差距。針對(duì)我國(guó)聲波鉆機(jī)現(xiàn)狀，建議在高頻聲波動(dòng)力頭、配套鉆具研制以及智能化和自動(dòng)化控制水平等方面加大研發(fā)力度，以期為國(guó)內(nèi)聲波鉆機(jī)發(fā)展提供有益借鑒。