砂土卵石地層高頻沖擊直推半合管取樣工藝應(yīng)用研究

王青薇，鐘道旭，尹業(yè)新，王 水*，黃真真，王 瑜

（1.南京貽潤(rùn)環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 211215；2.江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210036；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

改革開放以來(lái)，我國(guó)工業(yè)化發(fā)展取得了巨大成就，國(guó)民經(jīng)濟(jì)也得到了不斷的提高，但工業(yè)化發(fā)展所帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到了人們的日常生活環(huán)境［1-2］。據(jù)2014 年4 月環(huán)保部、國(guó)土資源部公布的我國(guó)土壤污染狀況調(diào)查結(jié)果顯示，全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問(wèn)題突出。依據(jù)《關(guān)于保障工業(yè)企業(yè)場(chǎng)地再開發(fā)利用環(huán)境安全的通知》（環(huán)發(fā)［2012］140 號(hào)）、《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（國(guó)發(fā)［2016］31 號(hào)）等文件的要求，關(guān)停并轉(zhuǎn)、破產(chǎn)或搬遷工業(yè)企業(yè)原場(chǎng)地采取出讓方式重新供地的，應(yīng)當(dāng)在土地出讓前完成場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作［3-5］。因此為確定污染場(chǎng)地的污染物種類、污染程度及邊界情況，需要對(duì)污染場(chǎng)地土壤進(jìn)行取樣分析［6］。在污染場(chǎng)地調(diào)查過(guò)程中，傳統(tǒng)地質(zhì)勘察鉆進(jìn)取樣，會(huì)帶入水、泥漿或泡沫等其他物質(zhì)，對(duì)樣品造成干擾，影響取出樣品的代表性。目前對(duì)于污染場(chǎng)地土壤取樣要求對(duì)樣品無(wú)擾動(dòng)、無(wú)二次污染且取心率要達(dá)到一定比例，現(xiàn)代環(huán)境無(wú)擾動(dòng)取樣主要使用直推式土壤取樣鉆具［7］。

直推式取樣技術(shù)起源于20 世紀(jì)20 年代的荷蘭，到21 世紀(jì)之后我國(guó)才研制出了國(guó)產(chǎn)化的環(huán)境調(diào)查土壤取樣直推式鉆機(jī)，主要應(yīng)用于對(duì)場(chǎng)地的污染狀況調(diào)查，該直推式鉆機(jī)不僅可以遠(yuǎn)程無(wú)線遙控，還采用三角形履帶提高場(chǎng)地通過(guò)性［8-10］。在巖心鉆探中，經(jīng)常會(huì)遇到極破碎、軟弱易沖蝕等復(fù)雜地層，巖心采取率低或者巖心質(zhì)量不能保證。因此鉆探取樣質(zhì)量的好壞不僅僅依賴于鉆機(jī)的好壞還依賴于取心鉆具，對(duì)不同土壤質(zhì)地，往往選取的取心鉆具也有所不同［11］。對(duì)于砂土卵石層這種結(jié)構(gòu)松散地層，直推取樣時(shí)地層結(jié)構(gòu)往往會(huì)遭到破壞，很難取到完整巖心，造成不同地層土壤分析困難［12］。針對(duì)這種情況，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)與摸索改進(jìn)，研制出了直推半合管鉆具，通過(guò)直推鉆機(jī)結(jié)合半合管工藝取樣，可以很好地解決在砂土卵石層取心質(zhì)量差的難題。

為此，本文主要介紹高頻沖擊直推半合管取樣工藝的組成結(jié)構(gòu)、取樣工藝流程，并探究其在砂土卵石層中的實(shí)際應(yīng)用情況，為后期在該地層鉆探取樣提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)。

1 高頻沖擊直推半合管構(gòu)成及取樣工藝流程

1.1 高頻沖擊直推半合管構(gòu)成

所謂半合管，就是將傳統(tǒng)的單管鉆具取心器切割成兩個(gè)半圓管，兩個(gè)半圓管呈相互咬合狀，進(jìn)行組合后管體受到壓力時(shí)不會(huì)漲開。鉆具上連接頭的外螺紋可與沖擊內(nèi)管連接，內(nèi)螺紋與半合管連接；下連接頭連接半合管和倒刺（巖心卡取器）。上連接頭、半合管、倒刺和下連接頭四者連接在一起，使剖開的半合管形成一個(gè)整體，強(qiáng)度接近完整管材強(qiáng)度［13］。鉆進(jìn)時(shí)拼合為密閉的圓形管，并置于套管內(nèi)。取心時(shí)取下上下兩個(gè)連接頭拆開成兩個(gè)半圓管，確保巖心樣從半合管中取出時(shí)不被破壞［14］。半合管取樣鉆具構(gòu)成包括上連接頭、半合管、倒刺、下連接頭、套管以及鉆頭。半合管的這種設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)鉆探取樣工藝，具有組裝和拆卸快捷方便、取樣容積大、巖心獲取便利且?guī)r心原狀性保存完好等優(yōu)勢(shì)。半合管組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 半合管取樣鉆具構(gòu)成Fig.1 Composition of the split tube sampler

高頻沖擊直推半合管取樣是指將帶有半合管的取樣鉆具通過(guò)直推鉆機(jī)液壓力及沖擊錘錘擊推入到地下土壤中，當(dāng)取樣鉆具鉆進(jìn)一定深度時(shí)，從套管中取出拼合好的半合管并取出樣品，取樣結(jié)束后清洗半合管，再重復(fù)上述步驟，直至取樣鉆具被貫入到最終的取樣深度為止。

1.2 高頻沖擊直推半合管取樣工藝流程

高頻沖擊直推半合管取樣工藝流程如圖2 所示，主要包括采樣點(diǎn)的GPS 定位、鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)、開孔前準(zhǔn)備工作、連接半合管、直推鉆進(jìn)過(guò)程、記錄采樣到最后的終孔、封孔至清理現(xiàn)場(chǎng)、撤場(chǎng)過(guò)程。

圖2 高頻沖擊直推半合管取樣工藝流程Fig.2 Sampling procedure with the high frequency direct push split tube

連接半合管主要是將半合管與倒刺、上連接頭、下連接頭相連接，置于配套連接好鉆頭的套管內(nèi)，放置于鉆機(jī)動(dòng)力頭下，安裝敲擊帽。

直推鉆進(jìn)過(guò)程是利用直推鉆機(jī)液壓油缸的液壓推進(jìn)力和沖擊錘的沖擊力將鉆具敲擊到定深。當(dāng)鉆機(jī)將沖擊力和靜壓推進(jìn)力傳遞至敲擊帽時(shí)，敲擊帽驅(qū)動(dòng)內(nèi)置半合管及半合管接頭向下推入地下，同時(shí)，套管和取樣鉆頭也被貫入地下，因套管與半合管長(zhǎng)度相等，當(dāng)沖擊套管向下運(yùn)動(dòng)一根套管長(zhǎng)度后，半合管內(nèi)樣品剛好取滿。

樣品取滿后取下敲擊帽，利用卷?yè)P(yáng)、回拔器或鉆桿回拔帽等輔助鉆具回拔裝置將半合管取出地面，拆分半合管取出土壤樣品，按順序放置巖心箱中并記錄采樣過(guò)程。清洗半合管后按照上述連接過(guò)程重新組裝半合管，將組裝好的半合管重新放入套管內(nèi)，在裝好的半合管和套管的上端分別增加1 根沖擊內(nèi)管和1 根套管，繼續(xù)向下推進(jìn)，開始下一個(gè)回次的推進(jìn)和取樣，依次遞增，直至完成所有深度采樣。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概述

項(xiàng)目任務(wù)是對(duì)烏海市重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)某化工園區(qū)內(nèi)疑似污染地塊進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。烏海地區(qū)洪積扇頂部成土母質(zhì)粒徑粗大，多為石塊、礫石和粗砂雜亂堆積，洪積扇中部成土母質(zhì)粒徑漸細(xì)，有一定的分選性和磨圓度，多為礫卵石、粗細(xì)砂等；洪積扇前緣成土母質(zhì)粒徑細(xì)，具有分選性和層理性，成分主要為中細(xì)砂、粉砂、粘土及少量礫石和粗砂［15］。因此烏海地區(qū)重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地詳細(xì)調(diào)查中的鉆探取樣過(guò)程普遍存在鉆進(jìn)成孔困難、施工工藝復(fù)雜、巖心采取率低、取心質(zhì)量差、鉆探效率低等施工技術(shù)難題。

2.2 取樣要求

根據(jù)《重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查樣品采集保存和流轉(zhuǎn)技術(shù)規(guī)定》中的要求，每次鉆進(jìn)深度宜為50～150 cm，巖心平均采取率一般不小于70%，其中，粘性土及完整基巖的巖心采取率≮85%，砂土類地層的巖心采取率≮65%，碎石土類地層巖心采取率≮50%，強(qiáng)風(fēng)化、破碎基巖的巖心采取率≮40%。全程套管跟進(jìn)，無(wú)泥漿鉆進(jìn)。烏海地區(qū)整體分布為砂土地層，因此巖心采取率≮65%。

2.3 取樣鉆機(jī)及鉆探工藝

泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)必然會(huì)對(duì)土樣造成污染、影響樣品污染指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果，應(yīng)采用低擾動(dòng)無(wú)泥漿鉆進(jìn)方式。因此，選用了Eprobe2000+鉆機(jī)進(jìn)行勘察取樣，Eprobe2000+鉆機(jī)主要性能參數(shù)見表2。

表2 Eprobe 2000+鉆機(jī)主要性能參數(shù)Table 2 Specifications of Eprobe 2000+ drilling rig

根據(jù)鉆探地層的實(shí)際情況，本次選擇高頻沖擊直推半合管的取樣工藝。選用?102 mm 套管和? 83 mm 半合管，套管和半合管長(zhǎng)度均為1.5 m，單回次鉆進(jìn)深度為1.5 m，成孔孔徑102 mm，巖心直徑67 mm。鉆具組成結(jié)構(gòu)及實(shí)物見圖3。

圖3 直推半合管鉆具結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Composition of the direct push split tube drilling tool

2.4 施工工藝流程

按照設(shè)計(jì)要求，應(yīng)完成疑似污染地塊內(nèi)6 個(gè)布點(diǎn)位置的鉆孔取樣，地層以砂土、卵石層為主，最大鉆探深度為8 m，要求每間隔1 m 至少取65%的原狀土柱，并裝入巖心箱中。采用高頻沖擊直推鉆機(jī)Eprobe2000+和半合管取樣工藝進(jìn)行施工，利用直推鉆機(jī)的液壓力和沖擊錘的沖擊力將帶有半合管的套管和鉆頭推入地下，使土壤通過(guò)鉆頭削切作用進(jìn)入半合管中，當(dāng)推入一節(jié)套管后，利用鉆機(jī)的回拔系統(tǒng)回拔套管中的半合管，從而獲取巖心樣品，為獲得更深巖心樣品可通過(guò)加接套管和沖擊內(nèi)管繼續(xù)鉆探。半合管選用3.25 in 型（直徑為83 mm），鉆進(jìn)過(guò)程中沖擊頻率為34 Hz（液壓推進(jìn)力為183 kN），平均鉆進(jìn)速度為5 m/h，起拔過(guò)程中起拔力為277 kN。

具體施工工藝流程見圖4。（1）首先將3.25 in 半合管的兩個(gè)半圓管進(jìn)行拼合；（2）安裝倒刺和上下兩個(gè)連接頭；（3）將拼裝好的半合管放入?102 mm套管中，并安裝敲擊帽；（4）通過(guò)鉆機(jī)液壓推進(jìn)力和沖擊錘的沖擊力將帶有半合管的套管一起推入地下；（5）當(dāng)推進(jìn)1 節(jié)套管后，取下敲擊帽，按上回拔帽，利用卷?yè)P(yáng)、回拔器等輔助鉆具回拔裝置將半合管取出地面；（6）將取出的半合管平放在水平地面上，拆下上下連接頭，打開半合管，將陳放巖心樣半圓管扣在巖心上并進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從而獲取巖心樣品，最后將巖心樣品放入巖心箱中。

圖4 施工工藝流程Fig.4 Sampling process

2.5 施工效果

經(jīng)鉆探取樣結(jié)果對(duì)地層結(jié)構(gòu)分析得出：地塊所在地區(qū)表層0～2 m 范圍內(nèi)多為粉土、礫砂地層，2～5 m 范圍多為粉土、礫砂、碎石地層，5 m 或更深以碎石地層為主。鉆探巖心采取率均在65%以上，能夠較好地完成鉆探取樣工作。該鉆探工藝主要突出優(yōu)勢(shì)在以下幾個(gè)方面：

（1）鉆進(jìn)過(guò)程低擾動(dòng)，無(wú)泥漿。

利用Eprobe2000+鉆機(jī)高頻沖擊直推半合管取樣方式，在鉆進(jìn)全過(guò)程套管跟進(jìn)，連續(xù)密閉無(wú)擾動(dòng)取樣、樣品無(wú)交叉污染，取樣過(guò)程中無(wú)泥漿，最大限度保證了土樣的完整性。

（2）鉆進(jìn)深度大，速度快。

鉆進(jìn)過(guò)程中利用直推鉆機(jī)液壓推進(jìn)力及沖擊錘高頻率的沖擊力將含有半合管的套管和鉆頭推到地下土壤中，單次鉆進(jìn)深度為1.5 m，最大鉆探深度為8 m，平均鉆進(jìn)深度為6 m，平均鉆進(jìn)速度5 m/h，鉆進(jìn)深度較大且鉆進(jìn)速度較快。

（3）巖心采樣率高，采樣量大，結(jié)構(gòu)完整。

使用Eprobe2000+高頻沖擊直推鉆機(jī)結(jié)合3.25 in 半合管組合取樣工藝，取得巖心直徑為67 mm，平均巖心采取率為85%，完全符合《重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查樣品采集保存和流轉(zhuǎn)技術(shù)規(guī)定》（環(huán)辦土壤[2017]67 號(hào)）中砂土類地層的巖心采取率不應(yīng)小于65%的要求，并且通過(guò)半合管工藝取樣，取出的巖心結(jié)構(gòu)較為完整（圖5），便于觀察和分析，樣品采集保存和流轉(zhuǎn)更為便利。

圖5 取樣效果Fig.5 Sampling results

2.6 出現(xiàn)的問(wèn)題與解決措施

利用Eprobe2000+高頻直推半合管組合在取樣過(guò)程中雖然能夠很好地完成場(chǎng)地詳細(xì)調(diào)查工作，但在鉆進(jìn)的過(guò)程中仍有些問(wèn)題。鉆探人員發(fā)現(xiàn)該鉆探方式在0～6 m 地層之間能夠很快地完成土壤采樣，但在6 m 以深地層鉆進(jìn)速度緩慢、回拔難度大，鉆桿損耗嚴(yán)重，且鉆頭容易損壞。

針對(duì)6 m 以深地層鉆探取樣困難的問(wèn)題，建議提高鉆機(jī)的沖擊頻率或選用聲頻直推鉆機(jī)結(jié)合半合管取樣工藝，通過(guò)高頻率的震動(dòng)將能量傳輸至鉆頭上使得土壤局部液化，可達(dá)到在更深地層土壤取樣工作。但在砂土卵石層6 m 以淺地層取樣時(shí)，還是建議采用Eprobe2000+高頻沖擊直推半合管取樣，鉆進(jìn)速度快、工作效率高、操作簡(jiǎn)便且取樣成本較低。

3 結(jié)論

高頻沖擊直推半合管取樣工藝通過(guò)在砂土卵石層中的應(yīng)用，可以得出以下結(jié)論。

（1）該取樣工藝具有一定的創(chuàng)新性。半合管與高頻沖擊直推鉆機(jī)結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鉆探取樣過(guò)程中的不足，取樣過(guò)程擾動(dòng)性減小，鉆進(jìn)速度加快，巖心采取率得到提高，且?guī)r心樣品獲取更加完整。

（2）半合管采用相互咬合設(shè)計(jì)，組裝和拆卸鉆具獲取巖心快捷方便，提高了施工效率，減輕了人工施工強(qiáng)度。

（3）該工藝施工性能穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便且實(shí)用性強(qiáng)，能夠滿足《重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查樣品采集保存和流轉(zhuǎn)技術(shù)規(guī)定》（環(huán)辦土壤［2017］67 號(hào)）巖心最低采取率的要求，應(yīng)用前景較廣，值得在今后鉆探取樣工作中推廣應(yīng)用。