污染場地調(diào)查直推式土壤采樣鉆具研發(fā)與調(diào)試

［關(guān)鍵詞］污染場地；土壤采樣鉆具；研發(fā)；調(diào)試

近年來，眾多學(xué)者及工程技術(shù)人員對污染場地土壤采樣設(shè)備進(jìn)行了研究。張斌[1]總結(jié)了目前國內(nèi)外污染場地環(huán)境調(diào)查現(xiàn)場采樣技術(shù)應(yīng)用存在的問題；宋家音[2]梳理了國內(nèi)外先進(jìn)的土壤和地下水采樣技術(shù)與設(shè)備，分析了采樣過程中產(chǎn)生擾動(dòng)的原因；孫平賀[3]分析了國內(nèi)直推鉆探技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r；冉靈杰[4]針對30 m以內(nèi)的密實(shí)黏土層及砂土層，研制了沖擊式取樣鉆機(jī)、配套鉆具及工藝方法。

在前人研究的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有土壤采樣鉆具優(yōu)缺點(diǎn)，研發(fā)適用于蘇州地區(qū)的采樣設(shè)備，以最大程度上取得原狀土樣，在更深層土壤中完成探測取樣工作，更好應(yīng)用于污染場地土壤取樣的工程實(shí)踐以獲得高質(zhì)量的場地調(diào)查結(jié)論，為場地土壤、地下水治理提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1. 污染場地調(diào)查

1.1 污染場地調(diào)查概念提出

污染場地調(diào)查可為污染場地或搬遷企業(yè)遺留場地污染狀況、土地管理、土壤修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

污染場地調(diào)查概念最早由美國提出，源于20世紀(jì)40年代初美國胡克電化學(xué)公司向拉夫運(yùn)河傾倒工業(yè)廢棄物事件，該事件賠償經(jīng)濟(jì)損失和健康損失費(fèi)用超過30億美元。1980年，美國國會(huì)通過超級基金法案，建立污染場地治理清單，正式推行污染場地調(diào)查、修復(fù)治理制度。

1.2我國土壤污染現(xiàn)狀

根據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[5]，我國土壤總的超標(biāo)率為16.1%。污染類型以無機(jī)型為主，有機(jī)型次之，復(fù)合型污染比重較小，無機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%。南方土壤污染重于北方；長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問題較為突出，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大；鎘、汞、砷、鉛4種無機(jī)污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢。重污染企業(yè)用地、工業(yè)廢棄地、工業(yè)園區(qū)、固體廢物集中處理處置場地等八類典型地塊及其周邊土壤污染狀況調(diào)查中，超標(biāo)點(diǎn)位占調(diào)查點(diǎn)位比例均在20%以上，最高達(dá)36.3%。

1.3 土壤污染調(diào)查法律法規(guī)及技術(shù)規(guī)范

場地調(diào)查涉及行業(yè)類別廣泛，為保障土地安全，國家先后出臺《關(guān)于切實(shí)做好企業(yè)搬遷過程中環(huán)境污染防治工作的通知》（2004年）、《場地環(huán)境調(diào)查技術(shù)規(guī)范》等4項(xiàng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（2009年）、《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)關(guān)停、搬遷及原址場地再開發(fā)利用過程中污染防治工作的通知》（2014年）、《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（2016年）、《建設(shè)用地土壤環(huán)境調(diào)查評估技術(shù)指南》（2017）、《土壤質(zhì)量土壤采樣技術(shù)指南》（2018年）、《建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》等5項(xiàng)國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（2019年）。

以建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查為例，涉及制造業(yè)、采礦業(yè)、電力燃?xì)饧八纳a(chǎn)和供應(yīng)、水利、環(huán)境和公共設(shè)施管理業(yè)以及其他行業(yè)，涉及的地塊類型、污染物眾多。相關(guān)法律法規(guī)和技術(shù)規(guī)范的實(shí)施，為規(guī)范場地污染狀況調(diào)查、土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評估、風(fēng)險(xiǎn)管控、修復(fù)等，提供了法律依據(jù)、制度和技術(shù)保障。

2. 土壤采樣設(shè)備現(xiàn)狀

2.1 國外土壤采樣設(shè)備現(xiàn)狀

根據(jù)采樣設(shè)備不同，可分為單人手持式鉆機(jī)采樣、勘察鉆機(jī)采樣、直推式鉆機(jī)采樣、聲頻鉆機(jī)采樣，應(yīng)用較多的為直推式鉆機(jī)采樣技術(shù)。20世紀(jì)20年代，荷蘭工程師在進(jìn)行巖土和水文地質(zhì)數(shù)據(jù)及土壤和地下水樣品采集的時(shí)候，直接將錐形取樣裝置推入地下，形成直推式采樣技術(shù)雛形。20世紀(jì)90年代，隨著國外的環(huán)境鉆探項(xiàng)目日益增多，為快速高效獲得高質(zhì)量原狀土樣，美國Geoprobe公司率先在鉆機(jī)中應(yīng)用了直推技術(shù)。此后美國AMS公司、西班牙TECOP，S.A.公司制造的直推環(huán)境鉆機(jī)在國外污染場地調(diào)查項(xiàng)目中逐步推廣。由于國外污染場地調(diào)查起步較早，鉆機(jī)通常具有模塊化和智能化程度高、結(jié)構(gòu)緊湊、造型美觀的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。

2.2 國內(nèi)土壤采樣設(shè)備現(xiàn)狀

近年來，我國土壤取樣鉆機(jī)發(fā)展迅速，采樣質(zhì)量、效率不斷提高。已研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TGQ系列輕便淺層鉆機(jī)、DP-5手持式土壤取樣鉆機(jī)、30HB型多功能環(huán)境勘察鉆機(jī)、Eprobe2000型環(huán)境取樣修復(fù)一體機(jī)、GY-SR系列型土壤地下水取樣修復(fù)一體機(jī)并在場地調(diào)查、修復(fù)項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。

此外，我國一些學(xué)校、科研單位或公司相繼研發(fā)出聲頻振動(dòng)取樣鉆機(jī)，并在實(shí)踐中應(yīng)用?？傮w上，與污染場地調(diào)查技術(shù)相對成熟的國家相比，我國在理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累上相對薄弱。

3. 第四系沉積地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 第四系地層分布

第四系沉積地層在全球范圍內(nèi)分布廣泛，除裸露巖石和陡峻山坡外，幾乎都被第四系沉積物覆蓋。蘇州位于長江三角洲平原，臨近長江入?？?，受河湖相、濱海相沉積影響，第四系地層發(fā)育比較完整、齊全，地層層序清晰。

3.2 蘇州地質(zhì)研究情況

蘇州及其周邊地區(qū)是我國較早開展地質(zhì)調(diào)查的地區(qū)之一。以往曾有地礦、煤田、冶金等部門進(jìn)行過大量的、不同比例尺的區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)，礦產(chǎn)地質(zhì)等勘查研究工作，以往地質(zhì)工作程度較高。除地礦部門外，各地方國土與水利部門、工民建等單位也開展了大量的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)工作，積累了相當(dāng)豐富的地質(zhì)資料。

3.3 代表性地層

地質(zhì)調(diào)查資料顯示，蘇州地區(qū)第四系沉積十分發(fā)育，東部平原沉積區(qū)基底構(gòu)造處于持續(xù)下降過程中，第四系發(fā)育齊全，東北部地區(qū)最大厚度240 m左右，具有自西向東逐漸增厚的變化規(guī)律。地層呈多沉積韻律特點(diǎn)，河湖、濱海相沉積交替進(jìn)行，成因比較復(fù)雜，但層序清晰（見表1）。

3.4 第四系沉積地層采樣存在的困難

目前土壤取樣鉆機(jī)以直推式為主，對雜填土、可塑—硬塑性黏土、中密—密實(shí)性砂土的地層結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差，面臨采樣深度低、鉆進(jìn)效率低、土樣采取率低等困難，包括以下幾個(gè)方面：

（1）受場地條件影響較大，淺部硬質(zhì)雜填土區(qū)域無法施工；

（2）穿越能力有限，遇較厚的粉土、粉砂或硬質(zhì)土層時(shí)，鉆機(jī)鉆進(jìn)進(jìn)度慢、工作效率低下，甚至無法實(shí)現(xiàn)既定深度目標(biāo)；

（3）硬質(zhì)地層會(huì)對鉆頭表面造成不同磨損，使鉆頭損壞率高、壽命短；

（4）在取樣過程中，鉆具對土壤樣品壓縮程度較大，影響其污染物測定以及污染深度的判別；

（5）在重度污染區(qū)域，某些特殊污染物如重金屬或DNAPL污染物在第四系土壤中賦存時(shí)間久，可滲透到更深地層，使得直接推進(jìn)式鉆進(jìn)技術(shù)很難有效完成該深度的探測取樣工作;

（6）取樣深度有限，當(dāng)污染深度達(dá)到20 m以下時(shí)，無法采到該深度樣品；

（7）取樣直徑固定，內(nèi)徑為47 mm，該取樣直徑無法滿足重點(diǎn)企業(yè)重金屬采樣所需的最小60 mm要求；

（8）PVC管在采集硬塑黏土?xí)r易發(fā)生爆管。

4. 土壤采樣鉆具研發(fā)與調(diào)試

4.1 采樣鉆具研發(fā)思路

直接推進(jìn)式鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆進(jìn)效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、無切削浮土等優(yōu)勢，配套多種鉆具和工藝可滿足各種場地的取樣需要。全液壓多功能工程勘察鉆機(jī)為“液壓式+動(dòng)力頭”的驅(qū)動(dòng)方式，集成于履帶式移動(dòng)平臺，在巖土工程勘察、鉆鑿水井、監(jiān)測井、小型基樁孔等行業(yè)應(yīng)用廣泛。對于污染場地調(diào)查來說，可結(jié)合巖土工程勘察項(xiàng)目穿插進(jìn)行，縮短項(xiàng)目工期。當(dāng)場地污染深度發(fā)生變化時(shí)，可隨時(shí)更換鉆進(jìn)方式，滿足取樣要求的前提下盡可能增大采樣深度。鉆機(jī)配備大口徑直推式取樣工具及轉(zhuǎn)換接頭后可以利用多種工藝鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)原狀無擾動(dòng)采樣。綜合考慮污染場地調(diào)查土壤采樣技術(shù)現(xiàn)狀、第四系沉積地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確立采用全液壓多功能工程勘察鉆機(jī)，定制鉆進(jìn)套管、鉆具總成、增加轉(zhuǎn)換接頭的研發(fā)思路。

4.2 采樣鉆具制作過程

利用現(xiàn)有YDL-300型全液壓工程鉆機(jī)，設(shè)計(jì)大口徑直推式鉆機(jī)取樣鉆具總成、套管以及轉(zhuǎn)換接頭，并兼容水文井成孔功能，滿足洗井及貝勒管取水要求，同時(shí)滿足水域、雜填土較厚區(qū)域、深部取樣、基巖地區(qū)取樣等施工技術(shù)要求。具體設(shè)計(jì)制作內(nèi)容如下：

（1）設(shè)計(jì)鉆具總成。為對比取樣深度和質(zhì)量，設(shè)計(jì)三種直徑直推式鉆具總成，直徑分別為φ60、φ76、φ89 mm。

（2）設(shè)計(jì)套管。設(shè)計(jì)大直徑套管，套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)兼容目前市場通用Geoprobe鉆機(jī)無色透明PVC取樣襯管，采用絲扣搭接?？紤]鉆進(jìn)施工便捷性和設(shè)備起拔能力，套管內(nèi)緣長度1000 mm，保證取樣長度可達(dá)到1000 mm。

（3）設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換接頭。在鉆機(jī)鉆桿底部接口處，設(shè)計(jì)增加轉(zhuǎn)換接頭。轉(zhuǎn)換接頭一端與鉆桿絲扣搭接，另一端與套管絲扣搭接;

（4）設(shè)計(jì)增加密封圈。為避免土壤樣品受交叉污染，轉(zhuǎn)換接頭處設(shè)計(jì)增加O形圈進(jìn)行密封；

（5）針對不同地層（硬塑、流塑黏性土及各種狀態(tài)的粉土、粉砂層以及基巖），設(shè)計(jì)不同類型、可更換的切削鉆頭及取樣管、捕芯器。

4.3 采樣鉆具調(diào)試

調(diào)試場地選擇蘇州地區(qū)具有代表性地層分布的場地。根據(jù)查閱歷史衛(wèi)星影像資料及走訪，該場地原大多為農(nóng)田、民宅及河道，施工前民宅已拆除，河道已回填，局部尚有原建筑物基礎(chǔ)和硬化地面。場地現(xiàn)為空地，地勢較平坦。地貌形態(tài)隸屬長江三角洲太湖流域沖湖積平原區(qū)，地貌形態(tài)單一。

場地內(nèi)60.30 m以淺主要由第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)沉積物組成，按地基土的巖性特征和土的工程性能，可分為10個(gè)工程地質(zhì)層，18個(gè)工程地質(zhì)亞層，其中⑥1黏土層，暗綠色，可塑至硬塑狀，層厚1.50～4.00 m，最大埋深25m左右。⑥1黏土層為良好的止水層，受污染程度極微。采樣鉆具現(xiàn)場調(diào)試照片見圖1。使用YDL-300型全液壓工程鉆機(jī)和研發(fā)的不同直徑的采樣鉆具，采用液壓或沖擊的方式壓入，將帶切削刀口的套管壓入或擊入不同土層，然后提出套管，縱向打開取出樣品。調(diào)試過程中，記錄鉆進(jìn)深度、土樣采取率、地層巖性、鉆進(jìn)方式和純鉆時(shí)間。鉆進(jìn)記錄見表2。

4.4 調(diào)試結(jié)果評價(jià)

經(jīng)調(diào)試和優(yōu)化，鉆機(jī)的單孔鉆探采樣深度可達(dá)24 m，能夠更好地反映場地深部地層的污染狀況，取樣深度能達(dá)到蘇州地區(qū)普遍分布的下部暗綠色黏土（不透水層），能夠獲取直徑70 mm的地層樣品，且取芯率極高。場地地面下2～3 m處和9～10 m處分別存在潛水、微承壓水兩個(gè)含水層，雙重取樣管壓入速度快，隔水效果好，基本達(dá)到設(shè)備研發(fā)要求。

結(jié)合蘇州地區(qū)Geoprobe鉆機(jī)取樣實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)備鉆探效率與Geoprobe鉆機(jī)基本接近，6 m左右取土工藝整體施工時(shí)間在30 min左右，6 m左右地下水監(jiān)測井整體施工時(shí)間在25～30 min左右，實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。

5. 結(jié)論

（1）污染場地調(diào)查可為污染場地或搬遷企業(yè)遺留場地污染狀況調(diào)查、土地管理、土壤修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

相關(guān)法律法規(guī)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，為規(guī)范場地污染狀況調(diào)查、土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評估、風(fēng)險(xiǎn)管控、修復(fù)等，提供了法律依據(jù)、制度和技術(shù)保障。

（2）國外污染場地調(diào)查起步較早，鉆機(jī)通常具有模塊化和智能化程度高、結(jié)構(gòu)緊湊、造型美觀的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。與污染場地調(diào)查技術(shù)相對成熟的國家相比，我國在理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累上相對薄弱。

（3）蘇州位于長江三角洲平原，第四系沉積十分發(fā)育，地層呈多沉積韻律特點(diǎn)，河湖、濱海相沉積交替進(jìn)行，成因比較復(fù)雜，但層序清晰。場地調(diào)查采樣過程中，雜填土、可塑—硬塑性黏土、中密—密實(shí)性砂土的地層結(jié)構(gòu)，給采樣帶來一定困難。

（4）綜合考慮污染場地調(diào)查土壤采樣技術(shù)現(xiàn)狀、第四系沉積地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確立采用全液壓多功能工程勘察鉆機(jī)，定制鉆進(jìn)套管、鉆具總成、增加轉(zhuǎn)換接頭的研發(fā)思路，研發(fā)了直推式土壤采樣鉆具。單孔鉆探采樣深度可達(dá)24m；能夠獲取直徑70 mm 的地層樣品，且取芯率極高。雙重取樣管壓入速度快，隔水效果好。與傳統(tǒng)Geoprobe鉆機(jī)相比，本研發(fā)設(shè)備鉆探效率基本接近，達(dá)到了研發(fā)預(yù)定目標(biāo)。