宋新生

(1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽六安 237010；2.安徽巖土鉆鑿工程有限責(zé)任公司，安徽六安 237010)

0 引言

當(dāng)前，我國常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)到60.6%，城市發(fā)展建設(shè)步入全新階段?！蛾P(guān)于加強城市地質(zhì)工作的指導(dǎo)意見》及《城市地質(zhì)調(diào)查總體方案(2017～2025年)》于2017年頒布，提出了大力推進(jìn)“空間、資源、環(huán)境、災(zāi)害”多要素城市地質(zhì)調(diào)查。不同于傳統(tǒng)的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，多要素城市地質(zhì)調(diào)查是全面、立體、系統(tǒng)性地聚焦城市規(guī)劃、建設(shè)、運行及管理，以空間、資源、環(huán)境、災(zāi)害等為調(diào)查要素，以城市國土空間規(guī)劃、重大工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害防治、地下空間開發(fā)利用、海綿城市建設(shè)等多個方面作為工作內(nèi)容[1-2]。

傳統(tǒng)的地質(zhì)裝備以單要素為目標(biāo)，如工程勘察鉆機、資源勘查鉆機、環(huán)境調(diào)查鉆機[3-5]。對應(yīng)的鉆探技術(shù)方法也不盡相同，工程勘察以單管PDC取心為主，資源勘查以金剛石繩索取心為主，環(huán)境調(diào)查以沖擊直推取樣為主[6-7]。一個城市要做到“透明城市”，實施多要素地質(zhì)調(diào)查工作，則需要在鉆探手段上具備以上的功能[9-11]，即需要有多種裝備支撐，這對傳統(tǒng)的探礦隊、水文隊、環(huán)境院的技術(shù)裝備儲備提出了挑戰(zhàn)。

我國發(fā)展到工業(yè)化中后期，傳統(tǒng)地質(zhì)單位處于轉(zhuǎn)型升級階段，服務(wù)于生態(tài)環(huán)境建設(shè)、多要素城市地質(zhì)調(diào)查、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查以及災(zāi)害、資源、空間、環(huán)境多要素城市承載力評價等。本文介紹一款多用途地質(zhì)鉆探裝備的研制及應(yīng)用。

1 性能與參數(shù)

如圖1所示的GDL-1M型履帶裝多功能鉆機是一種輕型、高效、多功能履帶式全液壓鉆機，具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、使用方便、輔助時間短等特點，可用于淺層土壤、地下水環(huán)境取樣，中小口徑水井、監(jiān)測井及淺層繩索取心探礦施工工程。配備液壓沖擊功能，可滿足沖擊破巖成孔作業(yè)、液體排放、地下微型樁、錨桿錨索、地質(zhì)勘探等基礎(chǔ)建設(shè)的施工要求，該鉆機亦可選配泥漿泵，使用泥漿排渣，切削鉆進(jìn)。GDL-1M多功能環(huán)境鉆機的主要參數(shù)見表1。

圖1 GDL-1M多功能環(huán)境鉆機

表1 GDL-1M多功能環(huán)境鉆機主要參數(shù)

2 多功能動力頭

如圖2所示的全液壓多功能動力頭集液壓高頻沖擊、高速回轉(zhuǎn)、低速大扭矩回轉(zhuǎn)多種功能于一體，通過遠(yuǎn)程液壓換擋切換不同的輸出轉(zhuǎn)速。以高頻沖擊的方式將環(huán)境取樣鉆具靜壓+沖擊的方式壓入目標(biāo)地層；以高速回轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)600 m以內(nèi)的小口徑繩索取心鉆進(jìn)，同時搭配下置式水龍頭滿足鉆進(jìn)時的泥漿循環(huán)；以低速大扭矩的工藝方法實現(xiàn)螺旋和工程勘察的大口徑工程需求。

圖2 GDL-1M多功能動力頭示意圖

3 配套鉆具

隨著城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展，環(huán)境鉆探施工得到越來越多的應(yīng)用。常規(guī)鉆進(jìn)工藝為無循環(huán)鉆井液條件下直推式或沖擊土壤取樣，功能單一，適用性差。GDL-1M鉆機的直推/沖擊式取樣鉆具組合不僅可搭配沖擊式動力頭使用，還可以與沖擊回轉(zhuǎn)動力頭配套使用，地層適應(yīng)性更強，鉆具結(jié)構(gòu)如圖3所示?？焖偃⊥凉ぷ鲿r，液壓缸的直推力施加到?jīng)_擊頭上，同時高頻沖擊施加到外管沖錘帽上進(jìn)而達(dá)到取土的目的。在定點鉆進(jìn)時，首先由內(nèi)鉆桿頂緊活塞鉆頭防止土體進(jìn)PVC管中，到達(dá)目的取樣層時抽出內(nèi)鉆桿及其配套件，留下隨著外管鉆具向下沖擊鉆進(jìn)的PVC管，在切削刃和沖擊力的作用下，土體進(jìn)入PVC取樣管，取樣回次結(jié)束時提出PVC管，即可獲得目標(biāo)層土樣。

1.外管沖錘帽；2.鉆具轉(zhuǎn)換接頭；3.內(nèi)桿沖錘帽；4.內(nèi)鉆桿；5.內(nèi)管塞；6.PVC管；7.外管鉆具；8.巖心卡爪；9.活塞鉆頭；10.切削刃

GDL-1M多功能環(huán)境鉆機的額定回轉(zhuǎn)扭矩為4000 N·m，可使用外徑120 mm的中空螺旋鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)取樣，在鉆進(jìn)過程中為了防止土體進(jìn)入螺旋鉆具內(nèi)的中空部位，需采用木塞堵住鉆頭中心通道。

4 多工藝鉆探解決方案

GDL-1M型鉆機適用于具備一定路網(wǎng)條件下，600 m以內(nèi)的淺層地質(zhì)工程，包括工程勘察、環(huán)境調(diào)查、探礦工程等。鉆機提供了多工藝鉆探平臺，配套了5種工藝性部件，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域、施工工藝及工程地質(zhì)的功能要求，為不同的動力頭配置了多種工藝的鉆具組合，滿足原位工程勘察取樣、環(huán)境原狀取樣、金剛石探礦取心等工程市場的多種需求，為客戶提供高效率、低污染、少擾動、高質(zhì)量、多手段的施工解決方案。

5 施工應(yīng)用

在河南省開封市和焦作市的重點行業(yè)、企業(yè)用地調(diào)查初步采樣工作中，采用GDL-1M型多功能環(huán)境勘察鉆機共進(jìn)行了62個點位的土壤取樣和13個點位的水質(zhì)取樣施工。其中，在焦作施工了一口可用于長期地下水監(jiān)測的監(jiān)測井(圖4)，以下以該井的施工為例，介紹施工過程及配套鉆具的應(yīng)用情況。

圖4 GDL-1M鉆機施工現(xiàn)場

由于該地區(qū)近幾年的地下水水位平均埋深為13 m，所以將孔底濾水管的上開口設(shè)立在平均水位上方0.5 m處，埋深為12.5 m，下開口埋深15.5 m，且在孔底設(shè)50 cm沉淀管，通過對土層性質(zhì)的分析，采用縫寬為0.2～0.5 mm的割縫篩管作為該水井的濾水管。該工程的設(shè)計井深為16 m，鉆至目標(biāo)深度之后，通過卡扣連接的方式先將外徑為75 mm的U-PVC水管連接起來，并通過中空的螺旋鉆具將水管下放至孔底。在濾水管和井管全部下放至孔底指定位置之后，需在過濾層段的井管孔壁之間充填濾料用于過濾水源，根據(jù)項目要求，選擇直徑1～2 mm圓度好且沒有被污染的石英砂作為該濾料層的濾料。濾料層上方為止水層，止水層的材料選擇為球狀膨潤土，待井內(nèi)工序全部完成后，采用混凝土澆筑一座高于地面0.3 m以上的混凝土井臺，為防止井內(nèi)污染并標(biāo)記井孔，蓋上專用井管蓋板。

在施工取樣過程中GDL-1M型鉆機整體運行平穩(wěn)、狀態(tài)良好，根據(jù)該鉆機在實際工作過程中的表現(xiàn)，可分別對該鉆機和取樣工具進(jìn)行了改進(jìn)用于提高施工效率。雖然本次施工中主要鉆進(jìn)形式為無循環(huán)鉆井液環(huán)境調(diào)查取樣，但是考慮到市場的需求，為該鉆機增加了循環(huán)泵配套方案，可以通過配備不同的泥漿泵實現(xiàn)地質(zhì)勘探、工程勘察以及小口徑水井的施工。

6 結(jié)語

GDL-1M多功能環(huán)境鉆機具備適用于金剛石繩索取心的高速回轉(zhuǎn)能力，其高頻沖擊功能可用于直推式取樣，同時還可為大口徑勘察取樣提供足夠大的扭矩。由于動力頭具有多種工藝所具備的沖擊、回轉(zhuǎn)和高速性能，可用于多種不同的工藝方法，因此鉆機平臺上具有繩索取心絞車、泥漿泵、螺桿泵等多種不同的配置?；谝簤簜鲃印⒙膸аb載及孔口裝置，根據(jù)多要素地質(zhì)調(diào)查的要求，配套設(shè)備能夠進(jìn)行液壓系統(tǒng)的配置，能夠在平臺上合理的布局，使鉆機可以在不同的作業(yè)中有序地運轉(zhuǎn)。GDL-1M型多功能地質(zhì)鉆探裝備已經(jīng)在多個省的水文、環(huán)境、資源領(lǐng)域的工程實踐中得到了良好的應(yīng)用，未來期待著在多要素地質(zhì)調(diào)查鉆探工藝技術(shù)的融合、在作業(yè)自動化方面、在勘察信息數(shù)字化方面繼續(xù)推進(jìn)設(shè)備升級，為拓展城鎮(zhèn)化發(fā)展新空間，開辟城鎮(zhèn)化建設(shè)新資源，構(gòu)建城市資源環(huán)境安全體系，推動新型城鎮(zhèn)化綠色、低碳、循環(huán)、安全、集約、智慧發(fā)展，做出更大的貢獻(xiàn)。