秦沛，張建杰

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京 101500)

TQC-15鉆機(jī)在北京環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

秦沛，張建杰

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京 101500)

本文以《潮白河流域礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)水土環(huán)境影響調(diào)查評(píng)價(jià)》、《北京市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(一期)建設(shè)》環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目深部取樣鉆探為例，分析了TQC-15鉆機(jī)的施工效果，并對(duì)土壤取樣鉆探施工和工藝技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行了總結(jié)，并針對(duì)存在的問(wèn)題提出了改進(jìn)建議，為今后類似工作起到借鑒作用。

取樣鉆機(jī)；環(huán)境地質(zhì)；調(diào)查；應(yīng)用

1 項(xiàng)目背景

北京市礦山主要分布在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，長(zhǎng)期開(kāi)采形成了嚴(yán)重的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題(見(jiàn)圖1)。為進(jìn)一步調(diào)查其對(duì)下游水源補(bǔ)給區(qū)水土環(huán)境質(zhì)量的影響，我單位開(kāi)展了《潮白河流域礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)水土環(huán)境影響調(diào)查評(píng)價(jià)(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局：水[2014]02-023-008、水[2015]02-02-02-012 )》、《北京市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(一期)建設(shè)》項(xiàng)目。

圖1 京西某煤礦及北部某鐵礦開(kāi)采形成的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖

上述兩項(xiàng)目中基礎(chǔ)工作是通過(guò)取樣，查明區(qū)內(nèi)土壤的垂向污染特征。因此，需要進(jìn)行鉆探采取土壤垂直剖面樣，對(duì)土壤質(zhì)地和第四系堆積類型進(jìn)行劃分，標(biāo)明分層界線，描述土壤顏色、粒徑、礫石成分、有機(jī)質(zhì)、生物碎屑、鐵(錳)結(jié)核和鈣質(zhì)結(jié)核含量等特征。鉆探取樣工作至關(guān)重要，直接影響到地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度。

2 鉆探取樣技術(shù)要求

2.1 取樣技術(shù)路線

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，首先，采樣采用較高精度GPS進(jìn)行孔口定位；其次，對(duì)孔口周邊進(jìn)行平整并做好開(kāi)鉆前期準(zhǔn)備；第三，進(jìn)行鉆探取樣，鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆速要均勻，鉆進(jìn)要平穩(wěn)；第四，巖(土)樣取出后，及時(shí)編(計(jì))錄、密封、整理，巖(土)樣品記錄必須由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行，樣品和資料的整理要一一對(duì)應(yīng)；第五，對(duì)取出的巖(土)樣品及時(shí)進(jìn)行加工、儲(chǔ)存和送檢；最后，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行恢復(fù)。具體技術(shù)路線詳見(jiàn)圖2。

圖2 巖(土)樣采取技術(shù)路線

2.2 取樣要求

2.2.1 一般要求

(1)農(nóng)業(yè)區(qū)采樣點(diǎn)應(yīng)布置在農(nóng)田、菜地、林(果)地、草地及其他沒(méi)有明顯污染的空曠地帶；

(2)在城鎮(zhèn)區(qū)采樣要避開(kāi)近期搬運(yùn)的堆積土和垃圾土，采樣位置可以布置在人工揭露剖面上，采樣時(shí)應(yīng)去除剖面表土；

(3)樣品采集使用專門非金屬類的采樣工具，以防污染巖(土)樣；

(4)樣品應(yīng)連續(xù)采自地表至設(shè)計(jì)深度以下土柱，但不應(yīng)采集到基巖風(fēng)化層，土樣原始質(zhì)量應(yīng)大于1000 g；

(5)采集的樣品要防止玷污。

2.2.2 鉆探取樣要求

(1)孔口(取樣點(diǎn))坐標(biāo)：采用高精度(平面誤差≤0.5 m)GPS確定孔口(取樣點(diǎn))位置；

(2)鉆探取樣深度：按照設(shè)計(jì)要求分段取樣，在人工填土地區(qū)應(yīng)加大采樣深度或移動(dòng)孔位，確保取得原始巖(土)樣；

(3)巖(土)樣直徑：根據(jù)取樣重量及長(zhǎng)度，一般巖(土)樣直徑應(yīng)≥45 mm；

(4)巖(土)樣編錄、整理：對(duì)取出的(土)樣及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查、編錄、整理、封存；

(5)巖(土)樣加工、儲(chǔ)存和送檢：對(duì)巖(土)樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整理后，按要求及時(shí)進(jìn)行加工、儲(chǔ)存和送檢。

3 TQC-15鉆機(jī)應(yīng)用

3.1 TQC-15鉆機(jī)主要特點(diǎn)

TQC-15鉆機(jī)是北京探礦工程研究所生產(chǎn)的淺表取樣鉆機(jī)，體積小、重量輕、操作(搬運(yùn))方便(圖3)。主要特點(diǎn)是：

(1)鉆機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，鉆架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝、拆卸、保養(yǎng)和維護(hù)，便于搬遷；

(2)采用本田四沖程汽油機(jī)，啟動(dòng)方便，故障率低；

(3)整機(jī)重量輕，僅76 kg，操作簡(jiǎn)便，使用靈活；

(4)具有高、中、低三種轉(zhuǎn)速，使用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)金剛石鉆進(jìn)、合金鉆進(jìn)和螺旋鉆進(jìn)；

(5)設(shè)備扭矩大，能夠適應(yīng)惡劣工況施工，既可進(jìn)行巖石取樣，也可鉆取土壤樣。

圖3 TQC-15鉆機(jī)運(yùn)輸、搬遷、安裝

3.2 鉆探取樣與傳統(tǒng)取樣方法對(duì)比

3.2.1 傳統(tǒng)取樣

傳統(tǒng)的取樣方法如洛陽(yáng)鏟、槽(井)探等工程手段，不僅取樣效率低、對(duì)樣品擾動(dòng)大，隨著取樣深度加大，取樣受到局限，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境有一定的影響。

3.2.2 淺層鉆探取樣

目前淺層鉆探取樣可分為貫入(靜壓或錘擊)取樣和回轉(zhuǎn)取樣兩類。貫入取樣不僅取樣地層和深度都有較大的局限性，而且效率較低、操作不便，不利于大規(guī)模野外施工。回轉(zhuǎn)取樣對(duì)地層適應(yīng)范圍較廣，取樣深度不受限制，效率高、取心質(zhì)量較好，搬遷(運(yùn)輸)方便，適合大規(guī)模野外作業(yè)。

本次施工由于取樣工作量大(兩項(xiàng)目共設(shè)計(jì)鉆探取樣工作量1110 m)，取樣深度深(0～10 m)，地層以黏土、亞黏土、亞砂土、砂礫石為主。因此，選擇TGQ-15型取樣鉆機(jī)。

3.3 TQC-15鉆機(jī)取樣應(yīng)用及創(chuàng)新

3.3.1 應(yīng)用效果

TGQ-15型輕便取樣鉆機(jī)在《北京市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(一期)建設(shè)》和《潮白河流域礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)水土環(huán)境影響調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目》項(xiàng)目施工中發(fā)揮了較大的作用。不僅保證了取樣工作任務(wù)的完成，鉆機(jī)故障率低，取樣效率高，樣品采取質(zhì)量好，便于在平原和山區(qū)施工，且在取樣中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染和破壞。

技術(shù)指標(biāo)：①取心率高，取樣(心)率在95%以上；②取樣深度較深，最大孔深(取心)達(dá)7 m；③效率高，時(shí)效可達(dá)到15 m/h，臺(tái)班進(jìn)尺可達(dá)40 m(包括定點(diǎn)、取樣、記錄、樣品整理等工作)；④適應(yīng)范圍廣，本次淺層取樣鉆探既包括平原區(qū)又覆蓋了山區(qū)及河谷等特殊淺覆蓋地區(qū)；⑤對(duì)環(huán)境影響小。具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

與傳統(tǒng)的取樣方法不同，樣品取出后及時(shí)進(jìn)行了封存，從而避免了土樣倒到取樣袋里時(shí)大面積接觸空氣，影響樣品濕度、化學(xué)性質(zhì)等，保證了化驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也便于樣品保存。同時(shí)，取樣管以30 cm為一個(gè)固定單位，更有利于現(xiàn)場(chǎng)編錄時(shí)土壤分層，見(jiàn)圖4。

表1 完成項(xiàng)目主要技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

圖4 內(nèi)置有機(jī)管樣品取出、封存

3.3.2 技術(shù)創(chuàng)新

內(nèi)置有機(jī)玻璃取樣管，通過(guò)在鉆具內(nèi)置取樣管使取樣鉆具就變成一個(gè)類似雙管的取樣器。將有機(jī)玻璃管在水溶液和酸性溶液兩種不同溶液浸泡超過(guò)48 h，以分析測(cè)試有機(jī)玻璃管在不同溶液環(huán)境中釋放重金屬的含量。通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果顯示，所有樣品中的重金屬元素含量均在一級(jí)水質(zhì)臨界值以下，有機(jī)玻璃管可以用來(lái)安全的儲(chǔ)存樣品，且其樣品中的重金屬含量不會(huì)受到影響。同時(shí)，有效預(yù)防了鉆具與樣(心)接觸，產(chǎn)生重金屬污染。

將30 cm長(zhǎng)刻度薄膜條粘貼到取樣管上，既便于在取樣的時(shí)候直觀地看出每一管樣品的取樣長(zhǎng)度，通過(guò)對(duì)比鉆桿長(zhǎng)度和管內(nèi)樣品長(zhǎng)度，提高了孔深校正的效率和精度，又可以在填寫(xiě)樣品采集記錄表時(shí)直接讀出樣品長(zhǎng)度，提高了工作效率。避免了未貼刻度條時(shí)每回次樣品長(zhǎng)度用鋼卷尺一一量取，繁瑣、低效和樣品長(zhǎng)度不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，見(jiàn)圖5。

圖5 貼好刻度條的取樣管

3.3.3 小級(jí)差鉆具組合

本次取樣(心)鉆具采用：?43 mm鋁合金鉆桿+?60 mm/52 mm鉆具(內(nèi)置?50 mm/46 mm有機(jī)玻璃管)+?62 mm/46 mm普通合金鉆鉆頭的鉆具組合。鉆具級(jí)差小，剛性、穩(wěn)定性較好。

3.4 問(wèn)題及建議

取樣工作中還有松散土壤不容易取樣、孔隙比和含水量的變化、土的組成成分的混雜、結(jié)構(gòu)擾動(dòng)等問(wèn)題，需要我們?cè)谌訉?shí)踐中逐漸去解決。

3.4.1 松散層取心較困難、樣(心)易擾動(dòng)

未設(shè)置專門的卡心裝置，主要靠巖樣(心)與內(nèi)置管、鉆頭內(nèi)壁的摩阻力卡取。由于地層本身內(nèi)阻力小，極易漏失，應(yīng)針對(duì)松散地層設(shè)置卡取裝置。內(nèi)置未實(shí)現(xiàn)單動(dòng)，對(duì)黏土擾動(dòng)較小，對(duì)內(nèi)阻力小的松散砂層等擾動(dòng)大，影響巖樣(心)孔隙度、含水量等。應(yīng)設(shè)計(jì)專業(yè)的薄壁單動(dòng)鉆具，減小擾動(dòng)。

3.4.2 回轉(zhuǎn)阻力較大

未使用沖洗介質(zhì)，孔壁與鉆具摩擦力增大，深孔段易發(fā)生憋車、塌孔現(xiàn)象，限制了取樣(心)深度。宜采用空氣等沖洗介質(zhì)，既及時(shí)排粉、冷卻鉆具，又不污染樣(心)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的全面加強(qiáng)和城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的進(jìn)一步開(kāi)展，淺層取樣(心)鉆探越來(lái)越重要。與同類進(jìn)口鉆機(jī)相比，TQC-15鉆機(jī)安裝、拆卸、搬遷方便，適用范圍廣，性能穩(wěn)定、可靠，價(jià)格低廉，在城市環(huán)境地質(zhì)中應(yīng)用前景廣闊。應(yīng)用TQC-15鉆機(jī)在北京有關(guān)城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中取得了一定的效果。淺層鉆探取樣(心)有了創(chuàng)新，既便于施工中有效區(qū)分不同類型的松散層，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境；同時(shí)，帶刻度條的取樣管方便取樣，避免了土壤的人為污染，提高了土壤樣品質(zhì)量，而且提高了效率。

淺層取樣鉆探工作還是有許多難題需要解決，例如松散層樣(心)的卡取、抗擾動(dòng)等問(wèn)題，需要我們?cè)谌訉?shí)踐中逐漸去解決。今后不僅要加強(qiáng)淺層取樣(心)鉆探設(shè)備的研究，同時(shí)還要加強(qiáng)工藝技術(shù)和配套機(jī)具的研究，使鉆探技術(shù)不斷滿足城市環(huán)境地質(zhì)工作的需求，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工作“高、保、真”的目標(biāo)。

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2017-01-10

秦沛(1963-)，男，甘肅鎮(zhèn)原人，探礦工程高級(jí)工程師，從事工程施工技術(shù)工作，北京市密云區(qū)濱河路46號(hào)，Tel：13911665798，E-mail：101qinpei@163.com。

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1009-282X(2017)02-0027-03