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SRS声波钻机在环境地质调查中的应用
发布时间:2022-09-15 浏览次数:2025 来源:欧美大地

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 前言

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。


图5丨SRS声波钻机取到的砂土芯样

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

[1]雷开先.声波钻机在环境地质调查中的应用研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2013,40(06):4-8.
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