本文來源：鄭江,牛耕,宋澤龍.SRS聲波鉆機在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中的應用[J].四川建材,2022,48(08):67-69.
環(huán)境問題關系到人的生命健康，越來越受到人們的重視。近些年來，土地資源寶貴，土壤修復成為環(huán)保領域熱門的話題之一。為了做好土壤修復，首先要做好土壤調(diào)查。鉆探是土壤調(diào)查中最重要的技術(shù)方法。為了獲取質(zhì)量高的芯樣，環(huán)保工程師們在不斷嘗試各種取樣方法，包括回轉(zhuǎn)鉆進、直推式鉆進、沖擊鉆等。聲波鉆進是當前新穎的一種取芯方法，受到了越來越多人的重視。本文介紹了聲波鉆機的工作方法和工作原理，結(jié)合工程實踐，驗證了這種方法的效率高且效過好，為環(huán)境地質(zhì)調(diào)查土壤取樣提供一種可供借鑒的方法。
關鍵詞：聲波鉆機；環(huán)境地質(zhì)調(diào)查；土壤修復；環(huán)保鉆機；取芯
#0 前言
隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人們對所生存的環(huán)境越來越重視。一方面，對環(huán)境保護的力度逐漸加大；另一方面，對已經(jīng)污染的環(huán)境在進行修復治理。其中，土壤修復就是一項越來越受到重視的工作。人口越來越多，土地確是有限的，在一些區(qū)域，土地成了稀缺資源。對于已經(jīng)污染的土地，重新使用前需要進行修復。場地調(diào)查是場地修復工作的基礎，不適當?shù)膱龅卣{(diào)查結(jié)果是導致修復失敗的主要原因。在場地調(diào)查中，只有準確地確定污染源、污染擴散途徑、污染物分布和受體關系，才能制定經(jīng)濟有效的修復方案。
對于場地調(diào)查而言，鉆探又是直觀、重要的方法。質(zhì)量高的鉆探可以取得很好的芯樣，判斷污染物所在的層位、污染物的成分，還可以對染污進行試驗分析，測試污染物的濃度、含量等。為后續(xù)的土壤修復，提供參考依據(jù)，制定合理的修復方案，也可以避免浪費寶貴的修復資金[1-4]。
本文介紹了一種新型的聲波鉆進技術(shù)，通過在實際工程中的應用，驗證了該取樣方法的有效性、高效性，為土壤環(huán)境地質(zhì)調(diào)查提供一種新的可供借鑒的方法[5-7]。
#1 SRS聲波鉆機介紹
聲波鉆機工作原理
聲波鉆進技術(shù)是一種起源于歐美國家的新型的鉆進技術(shù)，近些年來逐漸引入中國。聲波鉆進采用高頻共振技術(shù)，在鉆進過程中，共振能量通過鉆桿向下傳遞給鉆頭，同時旋轉(zhuǎn)鉆桿使其可以穿透堅硬的地層（如圖1）。動力頭內(nèi)部帶有偏心輪，偏心輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生共振能量。聲波動力頭控制共振和旋轉(zhuǎn)能量，使其與鉆進的地層相匹配，這樣可以減少土阻力，并且獲得較高的鉆進速率。聲波鉆機適用于（非常）軟的土、混合土和堅硬的地層，幾乎涵蓋所有地層，同時也可以獲取質(zhì)量高的未擾動的試樣。
圖1丨聲波鉆機工作原理
SRS聲波鉆機
SRS聲波鉆機是由荷蘭皇家Eijkelkamp公司研發(fā)的小型號的聲波鉆機，國內(nèi)目前已經(jīng)引進多臺。SRS小型聲波鉆機適用于上覆地層的鉆探和取樣，適用深度大約為50m（如圖2）。SRS是小型聲波旋轉(zhuǎn)鉆機，采用高頻聲波振動結(jié)合旋轉(zhuǎn)進行鉆進。SRS聲波鉆機是一套使用簡便的鉆機，分為短沖程和長沖程兩種型號。SRS小型聲波鉆機鉆進速度快，取芯過程干凈，同時可以獲得質(zhì)量高的試樣。SRS聲波鉆機的適用范圍包括環(huán)境工程鉆探和取樣、礦產(chǎn)開發(fā)、巖土工程取樣和測試、地震爆破井鉆探、地質(zhì)施工鉆探等。
圖2丨SRS聲波鉆機
為了保證質(zhì)量高的取芯，針對不同地層，Eijkelkamp公司開發(fā)了三種取芯工具：對于軟土地層，采用“水鎖取芯工具”，利用水鎖，將芯樣鎖定在取芯管內(nèi)；對于硬土地層，可以采用單壁取芯管進行取芯，快速方便；對于巖石地層或卵石地層，采用雙壁取芯器進行取芯，可以在雙層壁之間注入冷卻水，對鉆頭進行冷卻，用于巖石地層鉆進。
#2 應用案例
本次采用SRS型聲波鉆機，在北京市某區(qū)的一塊場地進行了鉆探取芯的應用，取得了非常好的芯樣，驗證了聲波鉆機的高效性。
地形地貌
項目位于北京市某區(qū)，地處燕山南麓與華北平原北端的相交地帶，東、南、北三面環(huán)山，中間為平原谷地。地貌由北部、東部、南部山地和中部、西南部平原兩大地貌單元組成，山區(qū)、半山區(qū)占七分之四，平原占七分之三。地勢由東北向西南傾斜，中間平緩，呈傾斜簸箕狀。
氣候氣象
工區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L型，四季分明，日照充足，年日照總時數(shù)2710.8小時左右。東北部山區(qū)有地區(qū)性小氣候。年平均氣溫11.5℃。工區(qū)年平均降水量為653.9mm，主要集中于夏季的六、七、八、九等月份。平均風速為1.56m/s，最大風速為1.70m/s。年平均日照數(shù)2729.4小時，平均無霜期191天，最大凍土深度為740mm。
區(qū)域地質(zhì)與水文地質(zhì)條件
① 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征
北京地區(qū)主體地質(zhì)構(gòu)造為古近紀前的斷裂及其控制的斷塊構(gòu)造，主要有三組斷裂帶：主干斷裂帶為北北東向，其次為北東向和北西向斷裂帶。北京地區(qū)基本地震構(gòu)造是新生代北京凹陷，發(fā)育于北京凹陷的黃莊－高麗營斷裂、南口－孫河斷裂是晚更新世－全新世活動過的斷裂，屬潛在的發(fā)震構(gòu)造，在深部構(gòu)造都有一定的顯示，兩條斷裂在北京凹陷內(nèi)相交。該修復場地處于中朝淮臺地燕山褶皺帶工中穹斷范圍內(nèi)，位于薊縣坳摺（Ⅲ4）的西南部，其西南為北京斷陷（Ⅲ6），南部則與大廠斷陷（Ⅲ8）相鄰。
② 區(qū)域水文地質(zhì)條件
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示，工區(qū)地層自下而上依次為太古界、長城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第四系。其中山區(qū)基巖地層出露，地層較老，主要有太古界及長城系。平原區(qū)主要分布著元古宙的薊縣系及長城系，僅馬坊地區(qū)分布有古生代地層。
工區(qū)平原區(qū)第四系厚度變化較大，從幾十米至七百米左右。山前一帶最淺，厚度幾十米，最厚地區(qū)在工區(qū)城區(qū)一帶。城區(qū)及其附近區(qū)域主要位于泃河、洳河形成的沖洪積平原，具有多層巖土體結(jié)構(gòu)。一般地表下40m深度范圍內(nèi)的地層，從北向南，碎石、卵石的埋深逐漸變大，且顆粒直徑逐漸變小，由碎石、卵石逐漸變?yōu)榧毶?，黏性土地層厚度加大?/span>
該修復場地所在區(qū)域第四系覆蓋層厚度約350～400m左右，地層以黏性土、粉土與砂類土交互沉積為主，屬于松散巖類孔隙水系統(tǒng)，孔隙水含水層組富水性強，單井5m降深的出水量可達到5000m3/d之上。
依據(jù)區(qū)域資料，場地附近埋深約40m內(nèi)地層分布特征如下：地面下1~2m為雜填土和素填土；地面下2~5m以粘質(zhì)粉土為主；地面下6~10m以砂類土、粉土為主，可賦存地下水；地面下10~30m以黏性土為主，分布有粉土、砂類土夾層，其中的砂類土、粉土層中可賦存地下水；地面下30~40m地層巖性以砂類土、卵礫石為主，可賦存地下水。
修復場地所在區(qū)域典型地層、地下水分布見圖3。
圖3丨修復場地所在區(qū)域典型區(qū)域水文地質(zhì)剖面
場地調(diào)查階段場地地質(zhì)與水文地質(zhì)條件
① 地層分布條件
根據(jù)本次場地水文地質(zhì)勘察結(jié)果可將場地現(xiàn)狀地面（地面標高27.92～30.18m）以下32.50m左右深度（最大鉆探深度）范圍內(nèi)的地層按沉積成因與年代劃分為人工堆積層、第四紀沉積層2大類，并按地層巖性及其賦水特性自上而下進一步劃分為8個大層及其亞層。
場地典型地層分布情況見圖4場地典型水文地質(zhì)剖面圖。
圖4丨場地調(diào)查階段場地典型水文地質(zhì)剖面圖
② 地下水分布條件
場地地面以下32.50m深度（最大勘探深度）范圍內(nèi)穩(wěn)定分布的地下水劃分為4層，地下水類型自上而下分別為潛水和承壓水。
區(qū)域地下水資源開采現(xiàn)狀
工區(qū)地下水水源保護區(qū)包括兩大部分：應急水源地保護區(qū)，由兩個水源地組成，分別是中橋水源地和王都莊水源地；新城及村鎮(zhèn)集約化供水地下水水源地保護區(qū)。
應急水源地保護區(qū)按井群進行保護區(qū)范圍的劃分，核心保護區(qū)范圍為井群外圍各單井半徑50m圓的外切線所包含的區(qū)域，保護區(qū)為核心保護區(qū)外推100m的范圍。由此應急水源地保護區(qū)總面積為7.6km2，其中王都莊應急水源地保護面積5.0km2，中橋應急水源地保護面積2.6km2。
修復場地位于應急水源地保護區(qū)地下水流向的下游，修復場地內(nèi)埋深10m之內(nèi)的地下水不作為飲用水源及其他用途的水源。
聲波鉆機在土壤調(diào)查中的應用
此次土壤調(diào)查項目中，采用了SRS聲波鉆機對場地土壤污染層進行了調(diào)查。
SRS聲波鉆機使用效率高，采用平板車運輸?shù)浆F(xiàn)場以后，可用遙控器操縱聲波鉆機行走。走到鉆探點以后，立起大臂，就可以開始鉆探取芯了。根據(jù)地層情況，選用合適的取芯工具。同時，在取芯過程中，根據(jù)土層的阻力、摩擦力，施加合適頻率的聲波振動，保證取芯器勻速地鉆入到土層中。SRS聲波鉆機一個回次取芯的長度為2m。取芯管完全取滿后，即可提升到地面。可以通過手柄操作動力頭揚起，方便芯樣取出（圖5）。如果芯樣難以取出，可以稍微施加聲波振動。
圖5丨SRS聲波鉆機取到的砂土芯樣
由于地層千差萬別，沒有哪一種取芯器適用于所有地層。SRS聲波鉆機也一樣，配置了多種不同的取芯工具可供選擇。最常用的就是單壁取芯、雙壁取芯和水鎖取芯，如圖6。
圖6丨SRS聲波鉆機三種取芯方式
對于非常軟的地層，SRS聲波鉆機可以采用水鎖取芯。水鎖內(nèi)放置一個PVC取芯管，可以將松散的、含水率高的芯樣取到PVC管內(nèi)。另外，對于一些具有揮發(fā)性氣體的污染土，也可以取到PVC管內(nèi)，上下兩端用蓋子進行密封，拿回實驗室，進行化學分析。
對于硬土地層，可以采用單壁取芯。單壁取芯是一種常規(guī)的、簡單的取芯方式，將普通硬土取到取芯管內(nèi)。
對于非常硬的地層，例如巖石地層、卵石地層、建筑垃圾等，可以采用雙壁取芯取芯。雙壁取芯器有兩層壁，可以用循環(huán)水在取芯器中進行循環(huán)，可以對孔壁進行護壁，也可以對鉆頭進行冷卻。
本次土壤調(diào)查項目實施過程中，合理地選用了三種取芯器，順利、高效地完成了土壤調(diào)查工作。
#3 結(jié)論
01 聲波鉆進是一項新穎的環(huán)境地質(zhì)調(diào)查技術(shù)。采用高頻振動的方法，充分利用壓力、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)力以及振動沖擊力，使得鉆頭快速鉆入地層中，將巖土芯樣取到取芯器內(nèi)，是一種高效的取芯方法。
02 聲波鉆進是一種近似于無擾動的取芯方法。高頻振動使得芯樣與取芯管不完全接觸，振動過程中，不會對芯樣造成壓縮。取芯過程中，只對鉆頭接觸的一圈位置產(chǎn)生影響，并不會影響芯樣的內(nèi)部。
03 聲波鉆進是一種取芯率高的取芯技術(shù)。聲波鉆機配置了多種不同的取芯工具，根據(jù)地層土質(zhì)的不同，合理選用相匹配的取芯工具，可以保證取芯率高。
參考文獻
[1]雷開先.聲波鉆機在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中的應用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(06):4-8.
[2]張燕.國外聲波鉆機及其應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008(07):105-107.
[3]吳浩,康凱. 國內(nèi)外環(huán)保調(diào)查鉆機新進展[A]. 《環(huán)境工程》編委會、工業(yè)建筑雜志社有限公司.《環(huán)境工程》2019年全國學術(shù)年會論文集（下冊）[C].《環(huán)境工程》編委會、工業(yè)建筑雜志社有限公司:《環(huán)境工程》編輯部,2019:4.
[4]吳浩,周兢. 50米超高頻聲波環(huán)保鉆機研制及其在污染場地調(diào)查的應用研究[A]. 《環(huán)境工程》編委會、工業(yè)建筑雜志社有限公司.《環(huán)境工程》2019年全國學術(shù)年會論文集（下冊）[C].《環(huán)境工程》編委會、工業(yè)建筑雜志社有限公司:《環(huán)境工程》編輯部,2019:4.
[5]韓萌,孫平賀,徐金鑒,曹函,隆威,張紹和,王旭.美國聲波鉆進規(guī)程ASTM D6914/D6914M-16淺析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2018,45(10):141-146.
[6]顏純文.聲波鉆進和寶長年LS250聲波鉆機[J].地質(zhì)裝備,2016,17(05):11-15.
[7]羅強.聲波鉆機在深厚覆蓋層成孔及取樣的施工技術(shù)[J].地質(zhì)裝備,2013,14(06):37-40+25.
