孫平賀

（中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083）

0 引言

污染場(chǎng)地是指因從事生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、處理、貯存有毒有害物質(zhì)，堆放或處理處置潛在危險(xiǎn)廢物，以及從事礦山開采等活動(dòng)造成污染，經(jīng)專業(yè)調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，確認(rèn)污染危害超過人體健康或生態(tài)環(huán)境可接受風(fēng)險(xiǎn)水平的場(chǎng)地［1-3］。根據(jù)全國(guó)污染場(chǎng)地調(diào)查的最新數(shù)據(jù)，當(dāng)前我國(guó)場(chǎng)地污染的面積、污染物種類、類型及含量均呈上升趨勢(shì)，且具有隱蔽、不可逆、污染源復(fù)雜、處置難等特點(diǎn)，如圖1所示。另外隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)優(yōu)化，遺留的大量污染場(chǎng)地成為建設(shè)用地，根據(jù)“土壤污染防治法”的環(huán)境調(diào)查制度要求，亟待開展污染場(chǎng)地的調(diào)查與修復(fù)工作。然而，管理上一直存在“輕調(diào)查、重修復(fù)”的觀念，加之技術(shù)發(fā)展歷程短，使我國(guó)的污染場(chǎng)地調(diào)查仍缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系，技術(shù)上缺少自主研發(fā)先進(jìn)調(diào)查裝備與工藝。

圖1 場(chǎng)地污染源賦存特征Fig.1 Occurrence characteristics of contaminated site

鉆探技術(shù)是唯一可以現(xiàn)場(chǎng)獲取樣品實(shí)物的科學(xué)手段。鉆探取樣的規(guī)范性、樣品采集的準(zhǔn)確性、樣品檢測(cè)的可靠性等都直接影響場(chǎng)地實(shí)際污染狀況的評(píng)估結(jié)果。從取樣對(duì)象劃分主要包括土體取樣、水體取樣和氣體取樣［4-6］。取樣要求包括鉆探成本低、采取率高、鉆進(jìn)速度快、對(duì)樣品無擾動(dòng)或少擾動(dòng)、不產(chǎn)生二次污染等。從取樣工藝上分類，主要包括回轉(zhuǎn)鉆探、螺旋鉆探、沖擊鉆探、聲波鉆探和直推鉆探等［7-10］，如表1所示。

表1 污染場(chǎng)地調(diào)查常用鉆探方法Table 1 Common drilling methods for contaminated site investigation

在上述鉆探方法中，直推鉆探技術(shù)具有不需要沖洗介質(zhì)、推進(jìn)效率高、方便靈活、對(duì)目標(biāo)層樣品干擾小等優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外廣泛采用。目前這類設(shè)備我國(guó)主要依賴進(jìn)口，自主創(chuàng)新研發(fā)的設(shè)備和工藝還處于起步階段，本文結(jié)合國(guó)外GP直推鉆機(jī)［5］結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、取樣鉆具、原位檢測(cè)及國(guó)產(chǎn)化發(fā)展趨勢(shì)等展開論述。

1 直推鉆機(jī)

1.1 直推鉆探技術(shù)

直推鉆探技術(shù)（Direct Push Drilling）是通過人力或者機(jī)械力將鉆具直接壓入地下的一種鉆探和取樣方法，最早起源于荷蘭［14-15］。在鉆探過程中，如果地層的阻力較小，鉆機(jī)的給進(jìn)力來自液壓油缸的靜壓力，并根據(jù)導(dǎo)軌的預(yù)設(shè)角度，將鉆桿柱無回轉(zhuǎn)推入目地層，主要適用于均質(zhì)的軟土地層；如果鉆遇地層阻力較大，通過靜壓力難以有效推進(jìn)時(shí)，直推鉆機(jī)的振動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生一定頻率的沖擊力，配合油缸的靜壓力作用實(shí)現(xiàn)有效推進(jìn)，主要適用于非均質(zhì)的回填地層、砂礫石層等［16-19］。

直推鉆探深度一般不超過30 m，不需要采用水基或者氣體沖洗介質(zhì)，避免了地層的二次污染和樣品的交叉污染。鉆探過程中無需回轉(zhuǎn)，減少了對(duì)污染場(chǎng)地樣品的干擾，能夠最大限度保持其原狀性。

1.2 直推鉆機(jī)特點(diǎn)

直推鉆機(jī)經(jīng)歷了小型、中型和中大型的發(fā)展過程［20-22］，如圖2所示。國(guó)外代表性鉆機(jī)以西班牙的TEC15型 和美國(guó)的7822DT型為主，如圖3～4所示。二者均為污染場(chǎng)地調(diào)查用的取樣鉆機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)土壤和水的取樣鉆探。二者均具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能多樣、靈活便捷等特點(diǎn)，可在一些其它鉆探取樣受限的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。鉆機(jī)主要由探測(cè)組件、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和取樣鉆具等部分組成。

圖2 直推鉆機(jī)類型Fig.2 Types of direct push drilling rigs

圖3 直推鉆機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of direct push drilling rigs

此外，二者均具有超高沖擊頻率，能夠確保對(duì)目地層產(chǎn)生較小壓縮，實(shí)現(xiàn)原狀分析的目的。鉆機(jī)可采用有線/無線兩種操控模式，實(shí)現(xiàn)受限空間的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。設(shè)備配置有高度集成的控制面板，不僅能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確操控，配備的電子診斷系統(tǒng)還能對(duì)各類鉆探故障進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)，急停裝置支持緊急狀態(tài)下的安全保障。美國(guó)GP7822DT型鉆機(jī)的最大展開高度為4.75 m，長(zhǎng)度為4.32 m，寬度為1.78 m，并配有吊裝設(shè)備，方便鉆具的運(yùn)移。整機(jī)采用久保田柴油動(dòng)力，設(shè)備功率為42 kW，油缸最大靜推進(jìn)力可達(dá)160 kN，提升力可達(dá)214 kN。西班牙的TEC15型和美國(guó)的7822DT型鉆機(jī)參數(shù)對(duì)比見表2［5］。

2 直推鉆具

根據(jù)鉆遇地層、推進(jìn)壓力、速度、深度和土樣要求等條件，可分別采用單管直推鉆具和雙管直推鉆具兩種形式，如圖5所示［23-24］。鉆具結(jié)構(gòu)主要包括上部推進(jìn)蓋帽、中部取樣管（內(nèi)外管）、推進(jìn)端頭、減震阻尼器等部分。

采用單管鉆具推進(jìn)時(shí)，可采用57 mm十字液動(dòng)沖擊鉆頭破除表層后，將組裝好的鉆具上端連接推進(jìn)蓋帽，再根據(jù)鉆遇地層的特點(diǎn)，分別采用油缸靜壓力或者一定頻率的沖擊荷載將鉆具推進(jìn)地層。當(dāng)?shù)撞客七M(jìn)端頭到達(dá)預(yù)定深度時(shí)，停止推進(jìn)或沖擊，取出外管推進(jìn)蓋帽和頂桿，提出鉆具取樣。如此反復(fù)，直至完成整個(gè)鉆孔的取樣任務(wù)。

圖4 美國(guó)7822DT型鉆機(jī)外型尺寸Fig.4 Dimensions of the United States 7822DT drilling rig

表2 直推鉆機(jī)參數(shù)對(duì)比Table 2 Parameters comparison between direct push drilling rigs

圖5 單管（a）和雙管（b）組合結(jié)構(gòu)Fig.5 Structures of single tube(a)and double tube(b)

采用雙管鉆具推進(jìn)時(shí)，亦可采用57 mm十字液動(dòng)沖擊鉆頭進(jìn)行地表的破除，當(dāng)雙管鉆具的外管切削端到達(dá)預(yù)定的設(shè)計(jì)深度時(shí)，停止推進(jìn)或沖擊，取出內(nèi)部鉆桿和取樣管，完成一個(gè)回次的推進(jìn)取樣。再將連接內(nèi)桿的新內(nèi)管重新放入外管固定位置，確保具有足夠長(zhǎng)度的內(nèi)外管，加外管推進(jìn)蓋帽后并對(duì)好沖錘定位帽，再根據(jù)鉆遇地層的特點(diǎn)，分別采用油缸靜壓力或者一定頻率的沖擊荷載將鉆具推進(jìn)地層預(yù)設(shè)深度，停止推進(jìn)或沖擊，取出內(nèi)部鉆桿和取樣管，完成第二個(gè)回次的推進(jìn)取樣。如此反復(fù)，直至完成整個(gè)鉆孔的取樣任務(wù)，如圖6所示。

在傳統(tǒng)深部地質(zhì)巖心鉆探中，雙管取樣的效率、巖心保真性等要比單管更優(yōu)，特別是在膠結(jié)性較差的地層鉆探中，這一點(diǎn)更為顯著。但在淺部土層取樣推進(jìn)中，由于單管內(nèi)部設(shè)有PVC襯管，相比于雙管不僅能夠有效保護(hù)土樣的完整性，并且能充分利用鉆機(jī)的推進(jìn)壓力，從而實(shí)現(xiàn)高效率、大深度、連續(xù)取樣的推進(jìn)目的，如表3所示。

圖6 直推鉆具取樣效果Fig.6 Samples in direct push drilling tubes

表3 單管和雙管直推鉆具對(duì)比Table 3 Comparison of single tube and double tube

3 原位檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備

在污染場(chǎng)地調(diào)查過程中，土體中的有機(jī)物質(zhì)極易揮發(fā)，實(shí)驗(yàn)室異位、延時(shí)檢測(cè)難以反映場(chǎng)地原位污染范圍和程度。一些揮發(fā)性鹵代烴污染物，如三氯甲烷，一旦遇到空氣、日光和水，極易分解生成氯化氫和有毒的光氣［25］，因此搭載直推鉆機(jī)和鉆具開展原位檢測(cè)是十分必要的。

3.1 核磁共振技術(shù)與設(shè)備

核磁共振（NMR）技術(shù)是一種相對(duì)較新的原位土層測(cè)試方法，主要基于孔隙流體中的氫質(zhì)子對(duì)一系列磁擾動(dòng)的響應(yīng)來間接表征地層的物性特征，如圖7所示。在含水土層中，它提供有關(guān)總水分含量或飽和區(qū)總孔隙率以及孔徑分布的信息，這些數(shù)據(jù)可用于估計(jì)地層滲透率和土壤濕度。該技術(shù)將采樣間隔時(shí)間提高到分鐘級(jí)別，從而可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)土層物性進(jìn)行高分辨率分析。

圖7 核磁共振設(shè)備Fig.7 Nuclear magnetic resonance tool

3.2 直推土體水力測(cè)試技術(shù)與設(shè)備

直推土體水力測(cè)試技術(shù)（Hydraulic profiling tool，HPT）也是另外一種搭載于直推鉆機(jī)中的原位測(cè)試手段。當(dāng)孔內(nèi)儀器推進(jìn)端頭向下鉆探時(shí)，水通過管路以一定速率注入HPT倉體，并通過注入窗口滲入地層中，如圖8所示。

圖8 直推土體水力測(cè)試設(shè)備Fig.8 Hydraulic profiling tool

注水壓力通過地表或者在濾管后方的傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，注水速率可由地表控制器進(jìn)行測(cè)量與調(diào)控。根據(jù)所測(cè)量到的注水速率和注水壓力，對(duì)土體的滲透率K進(jìn)行垂向計(jì)算，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)中連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)試的目的。

3.3 膜界面探測(cè)技術(shù)與設(shè)備

膜界面探測(cè)技術(shù)（Membrane Interface Probe，MIP）主要由探頭、載流氣體管線、密閉室、半透膜、加熱單元、控制模塊和末端分析儀等部分組成［5］，如圖9所示。其主要的原理是利用不銹鋼加熱單元將目標(biāo)層與半透膜之間的土體加熱至100～120℃，此時(shí)土體中的揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)過半透膜進(jìn)入密閉室，并由載流氣體（氮?dú)猓⑽廴疚飵е恋乇淼哪┒朔治鰞x器進(jìn)行定量分析、存儲(chǔ)、記錄和輸出，該技術(shù)能夠精確描述污染場(chǎng)地地下污染物的三維濃度分布情況。此外，還可以同偶極傳感器聯(lián)合搭載在直推鉆機(jī)中，用于測(cè)量周圍環(huán)境的電導(dǎo)率（EC）。

末端檢測(cè)儀器還可以搭載光離子化檢測(cè)器（PID）、火焰離子化檢測(cè)器（FID）、鹵素特殊檢測(cè)器（XSD）和質(zhì)譜儀（TOF-MASS）等［26］，有效提高了MIP對(duì)不同類型揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)靈敏度和探測(cè)范圍，且不同檢測(cè)器性能范圍的互補(bǔ)使得該系統(tǒng)從低污染水平到高污染水平的范圍內(nèi)都可以滿足調(diào)查采樣現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。

圖9 膜界面探測(cè)設(shè)備Fig.9 Membrane interface probe tool

4 國(guó)內(nèi)直推鉆探技術(shù)的發(fā)展

隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，原建設(shè)在城市中的污染企業(yè)大量外遷，原有場(chǎng)地轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)或居民用地，對(duì)這些場(chǎng)地的污染狀況調(diào)查與修復(fù)使得國(guó)內(nèi)直推鉆探技術(shù)和設(shè)備研發(fā)開始興起［9］。2018年科技部“污染場(chǎng)地土壤及地下水原位采樣新技術(shù)與新設(shè)備”專項(xiàng)指南中明確：開發(fā)適用于我國(guó)場(chǎng)地土壤弱擾動(dòng)原位采樣全液壓直推式鉆進(jìn)設(shè)備，研制揮發(fā)性有機(jī)污染物膜界面探測(cè)器等原位檢測(cè)工具，制定污染場(chǎng)地土壤與地下水原位采樣技術(shù)規(guī)范。后由江蘇蓋亞環(huán)境工程有限公司牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)9家單位展開攻關(guān)，目前已完成了整機(jī)的批量生產(chǎn)，如圖10（a）所示，可達(dá)到直推壓力164 kN、起拔力246 kN的鉆探要求，并在此基礎(chǔ)上提出了智能化、模塊化、集成化的環(huán)保機(jī)器人［11］，如圖10（b）所示。此外，南京貽潤(rùn)環(huán)境科技有限公司、浙江清陽環(huán)境工程有限公司、北京建工集團(tuán)等在設(shè)備和技術(shù)上也取得了一定成果［12］。

圖10 國(guó)產(chǎn)直推鉆探設(shè)備Fig.10 Domestic direct push drilling rigs

2020年科技部實(shí)施了“污染場(chǎng)地土層剖面鉆進(jìn)探測(cè)一體化技術(shù)與裝備”專項(xiàng)，并再次由江蘇蓋亞牽頭，聯(lián)合中南大學(xué)等8家單位開展實(shí)施工作。主要目標(biāo)是解析有機(jī)物擴(kuò)散機(jī)制和半透膜材料動(dòng)力學(xué)參數(shù)，研發(fā)滿足土層剖面探測(cè)需求的多種半透膜材料。研發(fā)污染場(chǎng)地土層精準(zhǔn)控制推進(jìn)系統(tǒng)，研制連續(xù)鉆進(jìn)探測(cè)一體化裝備，開展應(yīng)用示范，編制相關(guān)技術(shù)指南等，目前該項(xiàng)目正在實(shí)施中。

5 結(jié)論與建議

場(chǎng)地污染作為當(dāng)今環(huán)境污染的重要組成部分，對(duì)其開展準(zhǔn)確調(diào)查不僅關(guān)乎我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，也直接影響人民的生產(chǎn)和生活質(zhì)量，更涉及子孫后代的長(zhǎng)期延續(xù)，而鉆探技術(shù)是場(chǎng)地調(diào)查中獲取地層樣品的唯一科學(xué)手段。

（1）直推鉆探技術(shù)具有無沖洗、機(jī)動(dòng)好、效率高、干擾小等優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外廣泛采用。集成化、模塊化的設(shè)計(jì)是直推鉆機(jī)的設(shè)計(jì)理念，智能化和精準(zhǔn)控制是發(fā)展趨勢(shì)。

（2）在淺部地層推進(jìn)中，由于單管內(nèi)設(shè)PVC取樣襯管，可有效保持土樣的完整性。

（3）膜界面探測(cè)（MIP）對(duì)污染場(chǎng)地污染物三維濃度探測(cè)具有更大技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制的推進(jìn)鉆探和原位檢測(cè)一體化裝備和技術(shù)驗(yàn)證是主要的發(fā)展趨勢(shì)。

由于我國(guó)污染場(chǎng)地具有復(fù)雜的地質(zhì)條件，很多區(qū)域污染成因不明，加之場(chǎng)地調(diào)查的投入有限，研發(fā)適合我國(guó)污染場(chǎng)地的推進(jìn)-檢測(cè)一體化裝備既是難點(diǎn)也是熱點(diǎn)。融合鉆探、地質(zhì)、力學(xué)、機(jī)械、電子、信息等多學(xué)科技術(shù)開展高精度、高保真、多種受限條件下的便捷式推進(jìn)鉆機(jī)亟待解決。