王青薇，尹業(yè)新，王 水，王何琦，王 瑜，鐘道旭

（1.南京貽潤環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 211200；2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036；3.江蘇省環(huán)境工程重點實驗室，江蘇 南京 210036；4.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京 100083）

0 引言

污染場地是指經(jīng)生產(chǎn)、處理、儲存、遷移或開采礦山等方式造成有毒有害物質(zhì)在土壤或地下水中蓄積，經(jīng)過專業(yè)調(diào)查和風險評估，確認其危害超過人體健康承受能力或生態(tài)環(huán)境可接受風險水平的空間區(qū)域［1-2］。進入21 世紀以來，我國國民經(jīng)濟發(fā)展以及城市化進程不斷加快，原本位于城區(qū)的工業(yè)企業(yè)陸續(xù)關(guān)停或搬遷，同時由于我國城市用地普遍緊缺，導(dǎo)致絕大多數(shù)原工（礦）業(yè)用地需變更為居民用地或商業(yè)用地［3］，因此為評價關(guān)停/搬遷企業(yè)遺留場地經(jīng)再開發(fā)后對居民健康的影響，必須調(diào)查其開發(fā)建設(shè)之前的污染狀況。然而由于土壤和地下水的污染具有隱蔽性，不進行鉆探取樣，往往不易發(fā)現(xiàn)其中污染。

中空螺旋鉆探技術(shù)是一種鉆孔深度可達到60～90 m 的取樣建井鉆探工藝［4］，自1954 年由Mobile 向鉆探行業(yè)引入，目前已在土壤調(diào)查、其他巖土鉆孔工程、地下水監(jiān)測井建造中廣泛應(yīng)用。隨著國內(nèi)外對中空螺旋鉆探技術(shù)研究的不斷深入，中空螺旋建井效率已提高3～5 倍，大大降低了施工成本［5］。然而螺旋鉆進會對地層產(chǎn)生明顯擾動［6］，無法保證土樣的原狀性，因此國內(nèi)外在污染場地調(diào)查項目中多采用直推鉆探技術(shù)［7-9］，該技術(shù)在鉆探過程中無需添加水或泥漿等沖洗介質(zhì)，對土樣擾動較小，但其也存在較大驅(qū)動力會導(dǎo)致土層壓縮、取樣量不能滿足實驗室測定樣品需求等不足。因此為了減少對土樣的擾動及污染［10］，降低土壤環(huán)境調(diào)查的不確定性，美國Geoprobe 公司開始嘗試使用中空螺旋半合管和直推鉆探相結(jié)合的方法進行土樣采集和地下水監(jiān)測井的建造［11］，充分發(fā)揮2 種工藝的優(yōu)勢，而國內(nèi)尚未開展相關(guān)應(yīng)用。

鑒于中空螺旋半合管直推取樣建井工藝的優(yōu)勢，對場地污染狀況調(diào)查至關(guān)重要，因此本文針對中空螺旋半合管的組成結(jié)構(gòu)、直推取樣建井工藝進行應(yīng)用分析，為后期該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)。

1 中空螺旋半合管構(gòu)成及直推取樣建井工藝流程

1.1 中空螺旋半合管構(gòu)成

中空螺旋半合管是指由一個中空螺旋與半合管結(jié)合的土壤采樣工具，主要由一個焊接在空心內(nèi)管上帶有連續(xù)螺旋翼片的中空螺旋、耐磨的螺旋鉆頭、用于連續(xù)取樣的取樣管（半合管）組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 中空螺旋半合管鉆具結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Composition of the hollow auger split-tube drilling tool

中空螺旋鉆是中空螺旋半合管的重要組成部分，主要由中空螺旋、螺旋鉆頭、鎖緊鎖栓、驅(qū)動帽組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 中空螺旋鉆鉆具結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Composition of the hollow auger drilling tool

本次工藝的改進之處是將直推鉆探與中空螺旋半合管取樣建井工藝結(jié)合使用，其中半合管的這種設(shè)計相對于傳統(tǒng)直推取樣工藝，具有組裝和拆卸快捷方便、取樣容積大、巖心獲取便利的優(yōu)點，能夠降低取樣過程中對土壤樣品的擾動，保證樣品從取心器中取出時不會被破壞［12］，確保了巖心原狀性。半合管主要由上連接頭、套管、半合管、攔簧、下連接頭及半合管鉆頭組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。

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

1.2 直推取樣建井工藝流程

使用中空螺旋半合管進行直推取樣時，鉆機會提供液壓動力以驅(qū)動帽軸旋轉(zhuǎn)下壓，繼而帶動中空螺旋鉆連續(xù)旋轉(zhuǎn)下壓鉆鑿鉆孔。中空螺旋半合管固定在驅(qū)動帽上，驅(qū)動帽將其連接到鉆機主軸，該“雙適配器”驅(qū)動帽能確保中空螺旋和螺旋鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。而在中空螺旋旋轉(zhuǎn)下壓的同時，旋轉(zhuǎn)下壓動作由鉆桿傳遞至承壓組件，承壓組件使半合管只有下壓動作，沒有旋轉(zhuǎn)動作，直至半合管完成直推取樣。

取樣結(jié)束后取下驅(qū)動帽軸，利用鉆桿回拔設(shè)備拔出半合管，獲取土壤樣品。重復(fù)上述步驟并將其接續(xù)連接到中空螺旋半合管組件的頂部即可完成整個鉆探過程［13］，實現(xiàn)連續(xù)取樣。

采樣結(jié)束后，在中空螺旋中放入有篩縫的地下水監(jiān)測井管，隨后利用鉆機將中空螺旋拔出，在井管周圍填入符合標準的濾料，封堵井管，設(shè)置井臺、井蓋，形成地下水監(jiān)測井［14］。

2 取樣建井工藝試驗應(yīng)用

2.1 試驗場地概況

2021 年7 月初，南京貽潤環(huán)境科技有限公司在河北省秦皇島市昌黎縣進行中空螺旋半合管直推取樣建井工藝試驗，該試驗場地的地理信息見圖4。

圖4 試驗場地位置Fig.4 Location of the test site

試驗場地主要為第四系風積層、海相層和海陸的交互層，潛水面在16 m 左右，按照從上到下的次序可將地層劃分為5 個層次，具體劃分情況見表1。

表1 地層劃分Table 1 Geological stratigraphy

2.2 工藝試驗概況

本次工藝試驗使用的鉆機為目前國內(nèi)常用的EP2000+型環(huán)保取樣鉆機，該設(shè)備能夠?qū)⒉煌吞柣蛞?guī)格的鉆具直接貫入土壤進行采樣，從而同時滿足多種地層的鉆探工作和污染場地修復(fù)工作的需求，鉆機的主要性能參數(shù)見表2。

表2 EP 2000+型鉆機主要性能參數(shù)Table 2 Main specifications of EP 2000+ drill

根據(jù)鉆探地層的實際情況，在試驗區(qū)域0～12 m的地層采用傳統(tǒng)直推取樣工藝；12～16 m 采用中空螺旋半合管直推取樣建井工藝，其中中空螺旋? 190 mm，半合管?83 mm，中空螺旋和半合管長度均為1.5 m，單回次鉆進深度為1.5 m，成孔孔徑190 mm，巖心直徑67 mm。

在12～16 m 土層采用中空螺旋半合管直推取樣建井工藝進行施工，鉆進過程中螺旋動力頭扭矩最大為5500 N·m，轉(zhuǎn)速高達100 r/min，液壓推進力最大為183 kN，起拔過程中起拔力最大為277 kN。

取樣工藝流程：（1）首先將半合管的2 個半圓管進行拼合；（2）安裝攔簧和上下2 個連接頭；（3）將拼裝好的半合管放入中空螺旋中，并安裝驅(qū)動帽；（4）驅(qū)動帽在鉆機的液壓動力的驅(qū)動下實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)下壓，繼而帶動中空螺旋連續(xù)旋轉(zhuǎn)下壓，半合管在外側(cè)螺旋鉆桿的下旋自攻力下進入土壤中；（5）當推進1 節(jié)中空螺旋半合管后，取下驅(qū)動帽，安上卡瓦、插板、回拔帽等，其中卡瓦、插板能夠防止鉆桿脫落，隨后利用卷揚等輔助配件將半合管提取出地面；（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，獲取巖心樣品。

建井體工藝流程：（1）取樣到達指定深度，隨后緩慢地將帶螺紋的硬質(zhì)聚氯乙烯管（PVC-U）放入中空螺旋中，并將PVC-U 管扶正、固定，注意井管應(yīng)與中空螺旋軸心重合；（2）利用鉆機將中空螺旋拔出地層，將石英砂（濾料）緩慢、均勻地填充至管壁與孔壁中的環(huán)形空隙內(nèi)，注意在填充時應(yīng)晃動井管，防止石英砂填充時形成架橋或卡鎖現(xiàn)象；（3）石英砂填充至離地面150 cm 處，隨后采用膨潤土進行密封止水，靜置膨潤土充分膨脹、水化和凝結(jié)；（4）設(shè)置保護性的井臺構(gòu)筑：地上部分的井管采用管套保護，管套與井管之間注混凝土漿固定。

2.3 工藝試驗效果評價

本次試驗工藝取樣累計用時7 h，鉆進深度為16 m，在12～16 m 孔段的巖心采取率＞90%。根據(jù)《重點行業(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》的相關(guān)要求，碎石土類地層的巖心采取率≮50%，砂土類地層的巖心采取率≮65%，試驗巖心（樣）采取率滿足要求，2 種工藝類型的取樣工作效率和采樣質(zhì)量見表3，取樣效果對比及建井情況見圖5。

圖5 組合工藝取樣效果對比及建井情況Fig.5 Comparison of sampling effect between the combined and the traditional technology and photo of the completed well

表3 組合工藝的工作效率與采樣質(zhì)量Table 3 Working efficiency and sampling quality of the combined process

相對于傳統(tǒng)直推取樣工藝，中空螺旋半合管直推取樣建井工藝的主要突出優(yōu)勢在以下幾個方面。

（1）無漿液鉆進，能夠有效避免樣品污染。利用中空螺旋半合管直推取樣建井工藝，全程中空螺旋跟進，連續(xù)密閉無擾動取樣、取得樣品無交叉污染，取樣過程中無泥漿，能夠有效避免二次污染的產(chǎn)生。

（2）鉆進深度大。利用中空螺旋半合管直推取樣建井工藝，能夠解決在密實砂層中傳統(tǒng)直推鉆具無法達到指定深度的難題。

（3）巖心采樣率高，采樣量大。利用中空螺旋半合管直推取樣建井工藝，取得巖心直徑為67 mm，巖心采取率＞90%，可獲得更多的樣品量，更能滿足后期實驗室的樣品需求。

（4）直接成井。利用中空螺旋半合管直推取樣建井工藝，在完成取樣成孔后可直接安裝地下水監(jiān)測井管。

3 試驗中出現(xiàn)的問題與解決辦法

采樣分析是污染場地環(huán)境調(diào)查中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［15］，所以只有使用高技術(shù)、高效率的采樣方式，才能盡可能地獲得污染場地原狀土樣、鉆進更深地層，以便更準確地判定污染物所在深度，獲得地層土壤污染物最佳分析數(shù)據(jù)［16］。

然而本次試驗，隨著鉆探深度的不斷加深，砂層密實度的不斷加大，傳統(tǒng)直推取樣變得越來越困難，在采樣深度達到12 m 后就難以推進，以致無法獲取預(yù)定深度的土壤樣品。因此在12 m 以深密實地層試驗采用中空螺旋半合管直推取樣建井工藝進行取樣，該工藝能較好地完成了取樣及建井工作，但也存在鉆進速度緩慢、回拔難度大的問題。

針對鉆進速度緩慢、回拔難度大的問題，可選擇能力更大的鉆機，提高鉆機液壓動力，一方面可使液壓馬達輸出更大的扭矩，從而提高鉆進速度；另一方面可使伸縮油缸提供更大的壓力，從而降低回拔難度。此外，根據(jù)現(xiàn)場實際經(jīng)驗，筆者認為采用旋轉(zhuǎn)回拔的方式也可降低回拔難度。

4 結(jié)論

通過中空螺旋半合管直推取樣建井工藝在密實地層中的試驗，可以得出以下結(jié)論。

（1）該工藝具備一定的創(chuàng)新性。在上部地層采用傳統(tǒng)直推取樣工藝，其鉆進速度快、工作效率高。下部密實地層采用中空螺旋半合管取樣建井工藝與直推技術(shù)結(jié)合，彌補了傳統(tǒng)直推取樣工藝難以獲取土壤原狀樣品的不足，同時巖心采取率得到提高，一管獲取更多樣品量，滿足實驗室測試需求。

（2）該工藝適用于環(huán)境鉆探取樣。鉆進過程無潤滑劑、漿液，可防止交叉污染，保證土壤樣品取樣結(jié)果的準確性。

（3）該工藝成本更低、適用性更強。利用大口徑中空螺旋取樣形成的土孔，直接建立地下水監(jiān)測井，同時可以避免由于直推建井鉆孔直徑小而導(dǎo)致的出水量不能滿足地下水采樣要求的問題?？纱笠?guī)模推廣應(yīng)用。