李方震，彭新明

（1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京102206；2.北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，北京100011）

1 淺鉆技術(shù)概況

淺鉆技術(shù)在我國有悠久的歷史。近年來，淺鉆技術(shù)得到了不斷的應(yīng)用發(fā)展，形成了以鉆代槽、淺鉆化探、淺鉆地質(zhì)填圖、“淺鉆—測試”快速勘查等技術(shù)，廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、生態(tài)地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警防治和工程勘察等領(lǐng)域，形成了較系統(tǒng)的淺鉆地質(zhì)調(diào)查技術(shù)方法體系。

美國、澳大利亞等發(fā)達國家自20世紀60年代以來就開展淺鉆方法工藝研究。從2006年開始，任天祥教授開始指導(dǎo)我國的淺鉆化探工作。考慮到我國淺覆蓋地區(qū)地質(zhì)景觀及地層結(jié)構(gòu)遠比澳大利亞復(fù)雜，將淺鉆化探的適用范圍限定在覆蓋層厚度不大于50m的地區(qū)，或覆蓋層構(gòu)成比較簡單，覆蓋層厚度不大于100m的地區(qū)[1]。

2 淺鉆技術(shù)在城市地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

2.1 淺鉆+綠色勘查

綠色勘查是通過技術(shù)手段創(chuàng)新，以地質(zhì)勘查全過程的“綠色化”、“生態(tài)化”為主要內(nèi)容和途徑，實現(xiàn)保護生態(tài)環(huán)境和保障資源供給雙贏[2]。傳統(tǒng)背包鉆探采用汽油發(fā)動機作為動力來源，使用時不但會產(chǎn)生廢油廢氣排放，污染環(huán)境，而且不能進入森林保護區(qū)，存在很大的火災(zāi)、安全隱患，近年來，電池及電控技術(shù)飛速發(fā)展，具備了研制新能源鉆探設(shè)備的條件。北京探礦工程研究所聯(lián)合北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院研發(fā)了采用鋰離子電池作為動力的便攜式鉆機，并在北京市土地質(zhì)量生態(tài)地球化學(xué)監(jiān)測網(wǎng)運行項目野外取樣工作中進行了生產(chǎn)應(yīng)用，該鉆機結(jié)構(gòu)簡單、輕便，見圖1。

圖1 鋰離子電池便攜式鉆機

2.2 淺鉆化探

淺鉆取樣是揭露淺覆蓋區(qū)的最直接方法。目前，淺鉆化探技術(shù)已經(jīng)基本成熟，且逐步替代槽（井）探[3]。

主要淺鉆設(shè)備為輕便取樣鉆機（例如背包鉆機、TGQ系列輕便淺層取樣鉆機、WD－H回轉(zhuǎn)式取樣鉆機、GL鉆桿沖擊式取樣鉆機及其它輕便取樣鉆機）、機動車載鉆機（例如TGQ-100車載機動淺層取樣鉆機）、小型巖芯鉆機（例如無錫GXY-1-150型巖芯鉆機）、小型水上取樣鉆船。

“北京市土地質(zhì)量生態(tài)地球化學(xué)監(jiān)測網(wǎng)”項目覆蓋全市域（含山區(qū)），建成了包括區(qū)域監(jiān)測點、重點監(jiān)測點、大氣干濕沉降監(jiān)測點的土地質(zhì)量生態(tài)地球化學(xué)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，每年采用淺鉆采取大量的土壤樣品，見圖2、圖3。人工背回樣品的過程中，深刻體驗到需進一步使鉆探器具輕量化；對于需測試痕量重金屬指標的土壤樣品，需設(shè)計、使用優(yōu)質(zhì)高效非金屬鉆頭、取樣管。

圖2 背包鉆機鉆進

圖3 半合管取樣

2.3 淺鉆+測試

“淺鉆—測試”快速勘查技術(shù)主要包括淺鉆取樣和野外分析測試兩部分。淺鉆采集樣品后，野外流動實驗室完成分析測試。野外流動實驗室主要測試裝備全部集成在一輛中型面包車中，可以深入施工區(qū)域，機動靈活[4]。

在土地質(zhì)量調(diào)查、地球化學(xué)調(diào)查、生態(tài)地質(zhì)調(diào)查等過程中，需要采取大量的土壤樣品送到實驗室進行分析測試，見圖4。既增加了工作量、又形成棄土影響。應(yīng)進一步研發(fā)流動實驗室，在野外測試后，將土壤樣品復(fù)原。

圖4 地球化學(xué)調(diào)查采取的土壤樣品

2.4 淺鉆+物探

單孔物探包括鉆孔波速測試、鉆孔瞬變電磁探測等?？缈證T法是地球物理技術(shù)中最可靠且精度最高的方法之一?？缈證T法包括跨孔電阻率法CT、電磁波CT法、彈性波CT法等，具有施作空間小、探測點更接近勘探目標體、傳輸路徑簡單、信號保真度大以及數(shù)據(jù)精確度高等特點，目前已廣泛應(yīng)用于市政深埋燃氣管道探測、城市塌空區(qū)探測、建筑樁基探測、市政工程巖溶探測、鐵路工程地質(zhì)勘查和地鐵工程的地下障礙物探測等領(lǐng)域，并取得相關(guān)的研究成果[5-6]。

超大城市中，地鐵、燃氣管道、供水管道、輸油管線及其它地下構(gòu)筑物互相交織，交通干線日夜繁忙，高層建筑密集分布，特殊情況下需要進一步提高跨孔CT法探測精度，擴大其適用范圍，應(yīng)進一步研發(fā)多孔、排孔CT法，實現(xiàn)城市探測精準、無損、可視化。

2.5 “可視”淺鉆

國外在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探、油氣鉆探、城市調(diào)查等領(lǐng)域，隨鉆測量技術(shù)已經(jīng)得到了許多的應(yīng)用，例如隨鉆測量地質(zhì)信息、鉆孔軌跡、鉆進參數(shù)等，實現(xiàn)鉆探可視化、自動化。國內(nèi)在油氣鉆探、煤田井下鉆探中三維可視化技術(shù)的應(yīng)用不斷增多，提高了地質(zhì)導(dǎo)向項目的成功應(yīng)用，使得鉆探變得更加的精確化、快速化和方便化，彌補了常規(guī)鉆探工作的不足[7]。

在城市淺鉆中，存在大量光纜、管線、地鐵、文物等重要地下未知目標，即使經(jīng)過前期管線探測、地質(zhì)調(diào)查，但還是發(fā)生了鉆破輸水管線、地鐵結(jié)構(gòu)、燃氣管線等事故。地下管線、構(gòu)筑物等與地層相比，物性差異較大，淺鉆時可以通過即時或超前“感知”，即“可視化”而發(fā)出警報。

2.6 淺鉆+污染場地調(diào)查與修復(fù)

與發(fā)達國家相比，國內(nèi)污染場地調(diào)查技術(shù)還存在嚴重不足，目前還是以傳統(tǒng)的鉆探取樣方法為主，儀器、設(shè)備方面的研究也較落后，現(xiàn)處于追趕階段。目前國內(nèi)污染場地取樣鉆探方法主要有沖擊鉆進、螺旋鉆進、振動鉆進（包括聲波鉆進）、回轉(zhuǎn)鉆進、直推鉆進，綜合而言，直推鉆進具有連續(xù)采取保持化學(xué)和物理原狀土樣的優(yōu)勢，適用于除礫石外的大部分土體[8]。

美國Geoprobe系列直推式土壤鉆機（見圖5）能夠連續(xù)快速地取出不受外界擾動的特定深度的柱狀土樣品；還可采取特定深度的原狀地下水樣品，并可建立長期監(jiān)測井。并可配套相關(guān)設(shè)備，形成不同的功能模塊，進行探測、水土修復(fù)等作業(yè)[9-10]。

圖5 Geoprobe7822DT鉆機施工圖

當前，國內(nèi)的直推式土壤鉆機存在的主要問題是鉆具、取樣工具、配套功能系統(tǒng)的研發(fā)遠遠滯后于機械設(shè)備，原狀采取土壤樣品、地下水樣品及原位測試、原位修復(fù)等關(guān)鍵性功能系統(tǒng)與美國Geoprobe公司同類產(chǎn)品相比差異很大。機械設(shè)備部分易仿制或研發(fā)，但鉆探器具材質(zhì)與結(jié)構(gòu)、取樣工藝等還沒有取得突破性進展。

2.7 淺鉆在其它方面的應(yīng)用

2.7.1 工程地質(zhì)勘察

通常采用SH-30系列鉆機、DPP-100汽車鉆。

2.7.2 其它地質(zhì)調(diào)查

在生態(tài)地質(zhì)調(diào)查、農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中廣泛采用洛陽鏟、輕便取樣鉆機、車載鉆機等。

3 結(jié)語

淺鉆技術(shù)大量應(yīng)用于城市地質(zhì)調(diào)查，雖然目前還是以傳統(tǒng)淺鉆工藝方法為主，但新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝正在不斷推廣應(yīng)用，例如：鋰離子電池作為動力的便攜式鉆機、直推式土壤鉆機、淺鉆化探、淺鉆+物探等。2021年5月自然資源部發(fā)布《自然資源部關(guān)于促進地質(zhì)勘查行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，淺鉆技術(shù)發(fā)展前景更加廣闊。

在實際工作中，淺鉆的幾個主要工作目的是：①取樣，尤其是采取原狀樣品；②淺鉆代槽；③原位測試、修復(fù)；④為其他地質(zhì)工作方法提供鉆孔。

淺鉆的發(fā)展方向有以下幾個方面：

（1）提高原狀取樣的質(zhì)量。對于痕量級別測試指標，應(yīng)避免鉆頭、取樣管等器具含有測試指標成份，例如測試指標含鐵時，鉆頭、取芯管與土壤樣品“無鐵”接觸。對于采取原狀水樣工藝方法，目前還是美國Geo?probe鉆機SP16、SP22等原狀取水樣鉆具及工藝處于領(lǐng)先地位。

（2）降低淺鉆“人工負荷”?！叭斯へ摵伞卑ㄈ齻€方面，一是鉆機及鉆具重量；二是人工給進力；三是人工起拔力。

（3）提高淺鉆效率。在市場經(jīng)濟環(huán)境中，淺鉆造價低，為了降低成本，施工人員有時偷偷采用不規(guī)范的取樣方法去代替淺鉆。

（4）提高淺鉆工程質(zhì)量。在城市重要基礎(chǔ)設(shè)施中進行淺鉆，盡量實現(xiàn)“無損”，盡可能不損傷、不破壞、不污染目的層或目標體，實現(xiàn)科學(xué)、環(huán)保、精細化調(diào)查。

（5）研發(fā)自有知識產(chǎn)權(quán)的原狀采集土壤樣品、地下水樣品及原位測試、原位修復(fù)等關(guān)鍵性功能系統(tǒng)。

（6）形成淺鉆技術(shù)體系。