SRS声波钻机在环境地质调查中的应用-欧美大地仪器

本文来源：郑江,牛耕,宋泽龙.SRS声波钻机在环境地质调查中的应用[J].四川建材,2022,48(08):67-69.

环境问题关系到人的生命健康，越来越受到人们的重视。近些年来，土地资源宝贵，土壤修复成为环保领域热门的话题之一。为了做好土壤修复，首先要做好土壤调查。钻探是土壤调查中最重要的技术方法。为了获取质量高的芯样，环保工程师们在不断尝试各种取样方法，包括回转钻进、直推式钻进、冲击钻等。声波钻进是当前新颖的一种取芯方法，受到了越来越多人的重视。本文介绍了声波钻机的工作方法和工作原理，结合工程实践，验证了这种方法的效率高且效过好，为环境地质调查土壤取样提供一种可供借鉴的方法。

关键词：声波钻机；环境地质调查；土壤修复；环保钻机；取芯

#0 摘要

随着我国国民经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，人们对所生存的环境越来越重视。一方面，对环境保护的力度逐渐加大；另一方面，对已经污染的环境在进行修复治理。其中，土壤修复就是一项越来越受到重视的工作。人口越来越多，土地确是有限的，在一些区域，土地成了稀缺资源。对于已经污染的土地，重新使用前需要进行修复。场地调查是场地修复工作的基础，不适当的场地调查结果是导致修复失败的主要原因。在场地调查中，只有准确地确定污染源、污染扩散途径、污染物分布和受体关系，才能制定经济有效的修复方案。
对于场地调查而言，钻探又是直观、重要的方法。质量高的钻探可以取得很好的芯样，判断污染物所在的层位、污染物的成分，还可以对染污进行试验分析，测试污染物的浓度、含量等。为后续的土壤修复，提供参考依据，制定合理的修复方案，也可以避免浪费宝贵的修复资金[1-4]。
本文介绍了一种新型的声波钻进技术，通过在实际工程中的应用，验证了该取样方法的有效性、高效性，为土壤环境地质调查提供一种新的可供借鉴的方法[5-7]。

#1 SRS声波钻机介绍

声波钻机工作原理

声波钻进技术是一种起源于欧美国家的新型的钻进技术，近些年来逐渐引入中国。声波钻进采用高频共振技术，在钻进过程中，共振能量通过钻杆向下传递给钻头，同时旋转钻杆使其可以穿透坚硬的地层（如图1）。动力头内部带有偏心轮，偏心轮高速旋转产生共振能量。声波动力头控制共振和旋转能量，使其与钻进的地层相匹配，这样可以减少土阻力，并且获得较高的钻进速率。声波钻机适用于（非常）软的土、混合土和坚硬的地层，几乎涵盖所有地层，同时也可以获取质量高的未扰动的试样。

图1丨声波钻机工作原理

SRS声波钻机

SRS声波钻机是由荷兰皇家Eijkelkamp公司研发的小型号的声波钻机，国内目前已经引进多台。SRS小型声波钻机适用于上覆地层的钻探和取样，适用深度大约为50m（如图2）。SRS是小型声波旋转钻机，采用高频声波振动结合旋转进行钻进。SRS声波钻机是一套使用简便的钻机，分为短冲程和长冲程两种型号。SRS小型声波钻机钻进速度快，取芯过程干净，同时可以获得质量高的试样。SRS声波钻机的适用范围包括环境工程钻探和取样、矿产开发、岩土工程取样和测试、地震爆破井钻探、地质施工钻探等。

图2丨SRS声波钻机

为了保证质量高的取芯，针对不同地层，Eijkelkamp公司开发了三种取芯工具：对于软土地层，采用“水锁取芯工具”，利用水锁，将芯样锁定在取芯管内；对于硬土地层，可以采用单壁取芯管进行取芯，快速方便；对于岩石地层或卵石地层，采用双壁取芯器进行取芯，可以在双层壁之间注入冷却水，对钻头进行冷却，用于岩石地层钻进。

#2 应用案例

本次采用SRS型声波钻机，在北京市某区的一块场地进行了钻探取芯的应用，取得了非常好的芯样，验证了声波钻机的高效性。

地形地貌

项目位于北京市某区，地处燕山南麓与华北平原北端的相交地带，东、南、北三面环山，中间为平原谷地。地貌由北部、东部、南部山地和中部、西南部平原两大地貌单元组成，山区、半山区占七分之四，平原占七分之三。地势由东北向西南倾斜，中间平缓，呈倾斜簸箕状。

气候气象

工区气候属暖温带半湿润大陆性季风型，四季分明，日照充足，年日照总时数2710.8小时左右。东北部山区有地区性小气候。年平均气温11.5℃。工区年平均降水量为653.9mm，主要集中于夏季的六、七、八、九等月份。平均风速为1.56m/s，最大风速为1.70m/s。年平均日照数2729.4小时，平均无霜期191天，最大冻土深度为740mm。

区域地质与水文地质条件

① 区域地质构造特征

北京地区主体地质构造为古近纪前的断裂及其控制的断块构造，主要有三组断裂带：主干断裂带为北北东向，其次为北东向和北西向断裂带。北京地区基本地震构造是新生代北京凹陷，发育于北京凹陷的黄庄－高丽营断裂、南口－孙河断裂是晚更新世－全新世活动过的断裂，属潜在的发震构造，在深部构造都有一定的显示，两条断裂在北京凹陷内相交。该修复场地处于中朝淮台地燕山褶皱带工中穹断范围内，位于蓟县坳摺（Ⅲ4）的西南部，其西南为北京断陷（Ⅲ6），南部则与大厂断陷（Ⅲ8）相邻。

② 区域水文地质条件

根据区域地质资料显示，工区地层自下而上依次为太古界、长城系、蓟县系、青白口系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、第四系。其中山区基岩地层出露，地层较老，主要有太古界及长城系。平原区主要分布着元古宙的蓟县系及长城系，仅马坊地区分布有古生代地层。

工区平原区第四系厚度变化较大，从几十米至七百米左右。山前一带最浅，厚度几十米，最厚地区在工区城区一带。城区及其附近区域主要位于泃河、洳河形成的冲洪积平原，具有多层岩土体结构。一般地表下40m深度范围内的地层，从北向南，碎石、卵石的埋深逐渐变大，且颗粒直径逐渐变小，由碎石、卵石逐渐变为细砂，黏性土地层厚度加大。

该修复场地所在区域第四系覆盖层厚度约350～400m左右，地层以黏性土、粉土与砂类土交互沉积为主，属于松散岩类孔隙水系统，孔隙水含水层组富水性强，单井5m降深的出水量可达到5000m3/d之上。

依据区域资料，场地附近埋深约40m内地层分布特征如下：地面下1~2m为杂填土和素填土；地面下2~5m以粘质粉土为主；地面下6~10m以砂类土、粉土为主，可赋存地下水；地面下10~30m以黏性土为主，分布有粉土、砂类土夹层，其中的砂类土、粉土层中可赋存地下水；地面下30~40m地层岩性以砂类土、卵砾石为主，可赋存地下水。

修复场地所在区域典型地层、地下水分布见图3。

图3丨修复场地所在区域典型区域水文地质剖面

场地调查阶段场地地质与水文地质条件

① 地层分布条件

根据本次场地水文地质勘察结果可将场地现状地面（地面标高27.92～30.18m）以下32.50m左右深度（最大钻探深度）范围内的地层按沉积成因与年代划分为人工堆积层、第四纪沉积层2大类，并按地层岩性及其赋水特性自上而下进一步划分为8个大层及其亚层。

场地典型地层分布情况见图4场地典型水文地质剖面图。

图4丨场地调查阶段场地典型水文地质剖面图

② 地下水分布条件

场地地面以下32.50m深度（最大勘探深度）范围内稳定分布的地下水划分为4层，地下水类型自上而下分别为潜水和承压水。

区域地下水资源开采现状

工区地下水水源保护区包括两大部分：应急水源地保护区，由两个水源地组成，分别是中桥水源地和王都庄水源地；新城及村镇集约化供水地下水水源地保护区。

应急水源地保护区按井群进行保护区范围的划分，核心保护区范围为井群外围各单井半径50m圆的外切线所包含的区域，保护区为核心保护区外推100m的范围。由此应急水源地保护区总面积为7.6km2，其中王都庄应急水源地保护面积5.0km2，中桥应急水源地保护面积2.6km2。

修复场地位于应急水源地保护区地下水流向的下游，修复场地内埋深10m之内的地下水不作为饮用水源及其他用途的水源。

声波钻机在土壤调查中的应用

此次土壤调查项目中，采用了SRS声波钻机对场地土壤污染层进行了调查。
SRS声波钻机使用效率高，采用平板车运输到现场以后，可用遥控器操纵声波钻机行走。走到钻探点以后，立起大臂，就可以开始钻探取芯了。根据地层情况，选用合适的取芯工具。同时，在取芯过程中，根据土层的阻力、摩擦力，施加合适频率的声波振动，保证取芯器匀速地钻入到土层中。SRS声波钻机一个回次取芯的长度为2m。取芯管完全取满后，即可提升到地面。可以通过手柄操作动力头扬起，方便芯样取出（图5）。如果芯样难以取出，可以稍微施加声波振动。

由于地层千差万别，没有哪一种取芯器适用于所有地层。SRS声波钻机也一样，配置了多种不同的取芯工具可供选择。最常用的就是单壁取芯、双壁取芯和水锁取芯，如图6。

图6丨SRS声波钻机三种取芯方式

对于非常软的地层，SRS声波钻机可以采用水锁取芯。水锁内放置一个PVC取芯管，可以将松散的、含水率高的芯样取到PVC管内。另外，对于一些具有挥发性气体的污染土，也可以取到PVC管内，上下两端用盖子进行密封，拿回实验室，进行化学分析。

对于硬土地层，可以采用单壁取芯。单壁取芯是一种常规的、简单的取芯方式，将普通硬土取到取芯管内。

对于非常硬的地层，例如岩石地层、卵石地层、建筑垃圾等，可以采用双壁取芯取芯。双壁取芯器有两层壁，可以用循环水在取芯器中进行循环，可以对孔壁进行护壁，也可以对钻头进行冷却。

本次土壤调查项目实施过程中，合理地选用了三种取芯器，顺利、高效地完成了土壤调查工作。

#3 结论

01 声波钻进是一项新颖的环境地质调查技术。采用高频振动的方法，充分利用压力、转转力以及振动冲击力，使得钻头快速钻入地层中，将岩土芯样取到取芯器内，是一种高效的取芯方法。

02 声波钻进是一种近似于无扰动的取芯方法。高频振动使得芯样与取芯管不完全接触，振动过程中，不会对芯样造成压缩。取芯过程中，只对钻头接触的一圈位置产生影响，并不会影响芯样的内部。

03 声波钻进是一种取芯率高的取芯技术。声波钻机配置了多种不同的取芯工具，根据地层土质的不同，合理选用相匹配的取芯工具，可以保证取芯率高。

参考文献

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[7]罗强.声波钻机在深厚覆盖层成孔及取样的施工技术[J].地质装备,2013,14(06):37-40+25.

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