鄭 江，牛 耕，宋澤龍

(1.歐美大地儀器設(shè)備中國(guó)有限公司，北京 100062； 2.北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100080)

0 前 言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人們對(duì)所生存的環(huán)境越來(lái)越重視。一方面，對(duì)環(huán)境保護(hù)的力度逐漸加大；另一方面，對(duì)已經(jīng)污染的環(huán)境在進(jìn)行修復(fù)治理。其中，土壤修復(fù)就是一項(xiàng)越來(lái)越受到重視的工作。人口越來(lái)越多，土地卻是有限的，在一些區(qū)域，土地成了稀缺資源。對(duì)于已經(jīng)污染的土地，重新使用前需要進(jìn)行修復(fù)。場(chǎng)地調(diào)查是場(chǎng)地修復(fù)工作的基礎(chǔ)，不適當(dāng)?shù)膱?chǎng)地調(diào)查結(jié)果是導(dǎo)致修復(fù)失敗的主要原因。在場(chǎng)地調(diào)查中，只有準(zhǔn)確地確定污染源、污染擴(kuò)散途徑、污染物分布和受體關(guān)系，才能制定經(jīng)濟(jì)有效的修復(fù)方案。

對(duì)于場(chǎng)地調(diào)查而言，鉆探又是最直觀、最重要的方法。高質(zhì)量的鉆探可以取得很完美的芯樣，可以準(zhǔn)確判斷污染物所在的層位、污染物的成分，還可以對(duì)染污進(jìn)行試驗(yàn)分析，測(cè)試污染物的濃度、含量等。為后續(xù)的土壤修復(fù)，提供參考依據(jù)，制定合理的修復(fù)方案，也可以避免浪費(fèi)寶貴的修復(fù)資金[1-4]。

本文介紹了一種新型的聲波鉆進(jìn)技術(shù)，通過(guò)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，驗(yàn)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(jī)介紹

1.1 聲波鉆機(jī)工作原理

聲波鉆進(jìn)技術(shù)是一種起源于歐美國(guó)家的新型的鉆進(jìn)技術(shù)，近些年來(lái)逐漸引入我國(guó)。聲波鉆進(jìn)采用高頻共振技術(shù)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，共振能量通過(guò)鉆桿向下傳遞給鉆頭，同時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆桿使其可以穿透堅(jiān)硬的地層(見(jiàn)圖1)。動(dòng)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(dòng)力頭控制共振和旋轉(zhuǎn)能量，使其與鉆進(jìn)的地層相匹配，這樣可以減少土阻力，并且獲得較高的鉆進(jìn)速率。聲波鉆機(jī)適用于(非常)軟的土、混合土和堅(jiān)硬的地層，幾乎涵蓋所有地層，同時(shí)也可以獲取高質(zhì)量的未擾動(dòng)的試樣，采樣率接近100%。

(a)振動(dòng)頭

(b)液壓馬達(dá)

(c)工作原理

1.2 SRS聲波鉆機(jī)

SRS聲波鉆機(jī)是由荷蘭皇家Eijkelkamp公司研發(fā)的世界上最小型號(hào)的聲波鉆機(jī)，國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)引進(jìn)多臺(tái)。SRS小型聲波鉆機(jī)適用于上覆地層的鉆探和取樣，適用深度大約為50 m(見(jiàn)圖2)。SRS是世界上最小的聲波旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，采用高頻聲波振動(dòng)結(jié)合旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆進(jìn)。SRS聲波鉆機(jī)是一套使用簡(jiǎn)便的鉆機(jī)，分為短沖程和長(zhǎng)沖程兩種型號(hào)。SRS小型聲波鉆機(jī)鉆進(jìn)速度快，取芯過(guò)程干凈，同時(shí)可以獲得高質(zhì)量的試樣。SRS聲波鉆機(jī)的適用范圍包括環(huán)境工程鉆探和取樣、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、巖土工程取樣和測(cè)試、地震爆破井鉆探、地質(zhì)施工鉆探等。

圖2 SRS聲波鉆機(jī)

為了保證高質(zhì)量取芯，針對(duì)不同地層，荷蘭皇家Eijkelkamp公司開(kāi)發(fā)了三種取芯工具：對(duì)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(duì)于硬土地層，可以采用單壁取芯管進(jìn)行取芯，快速方便；對(duì)于巖石地層或卵石地層，采用雙壁取芯器進(jìn)行取芯，可以在雙層壁之間注入冷卻水，對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻，用于巖石地層鉆進(jìn)。

2 應(yīng)用案例

本次采用SRS型聲波鉆機(jī)，在北京市某區(qū)的一塊場(chǎng)地進(jìn)行了鉆探取芯的應(yīng)用，取得了非常好的芯樣，驗(yàn)證了聲波鉆機(jī)的高效性。

2.1 地形地貌

項(xiàng)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4/7，平原占3/7。地勢(shì)由東北向西南傾斜，中間平緩，呈傾斜簸箕狀。

2.2 氣候氣象

工區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)型，四季分明，日照充足，年日照總時(shí)數(shù)2 710.8 h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653.9 mm，主要集中于夏季的6、7、8、9等月份。平均風(fēng)速為1.56 m/s，最大風(fēng)速為1.70 m/s。年平均日照數(shù)2 729.4 h，平均無(wú)霜期191 d，最大凍土深度為740 mm。

2.3 區(qū)域地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.3.1 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(jì)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(yíng)斷裂、南口-孫河斷裂是晚更新世-全新世活動(dòng)過(guò)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(fù)場(chǎng)地處于中朝淮臺(tái)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。

2.3.2 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(zhǎng)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(zhǎng)城系。平原區(qū)主要分布著元古宙的薊縣系及長(zhǎng)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40 m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?xì)砂，黏性土地層厚度加大。

該修復(fù)場(chǎng)地所在區(qū)域第四系覆蓋層厚度約350～400 m左右，地層以黏性土、粉土與砂類(lèi)土交互沉積為主，屬于松散巖類(lèi)孔隙水系統(tǒng)，孔隙水含水層組富水性強(qiáng)，單井5 m降深的出水量可達(dá)到5 000 m3/d。

依據(jù)區(qū)域資料，場(chǎng)地附近埋深約40 m內(nèi)地層分布特征如下：地面下1～2 m為雜填土和素填土；地面下2～5 m以黏質(zhì)粉土為主；地面下6～10 m以砂類(lèi)土、粉土為主，可賦存地下水；地面下10～30 m以黏性土為主，分布有粉土、砂類(lèi)土夾層，其中的砂類(lèi)土、粉土層中可賦存地下水；地面下30～40 m地層巖性以砂類(lèi)土、卵礫石為主，可賦存地下水。

修復(fù)場(chǎng)地所在區(qū)域典型地層、地下水分布見(jiàn)圖3。

圖3 修復(fù)場(chǎng)地所在區(qū)域典型區(qū)域水文地質(zhì)剖面

2.4 場(chǎng)地調(diào)查階段場(chǎng)地地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.4.1 地層分布條件

根據(jù)本次場(chǎng)地水文地質(zhì)勘察結(jié)果可將場(chǎng)地現(xiàn)狀地面(地面標(biāo)高27.92～30.18 m)以下32.50 m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(jì)沉積層2大類(lèi)，并按地層巖性及其賦水特性自上而下進(jìn)一步劃分為8個(gè)大層及其亞層。

場(chǎng)地典型地層分布情況、場(chǎng)地典型水文地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖4。

圖4 場(chǎng)地調(diào)查階段場(chǎng)地典型水文地質(zhì)剖面簡(jiǎn)圖

2.4.2 地下水分布條件

場(chǎng)地地面以下32.50 m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(lèi)型自上而下分別為潛水和承壓水。

2.5 區(qū)域地下水資源開(kāi)采現(xiàn)狀

工區(qū)地下水水源保護(hù)區(qū)包括兩大部分：應(yīng)急水源地保護(hù)區(qū)，由兩個(gè)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(hù)區(qū)。

應(yīng)急水源地保護(hù)區(qū)按井群進(jìn)行保護(hù)區(qū)范圍的劃分，核心保護(hù)區(qū)范圍為井群外圍各單井半徑50 m圓的外切線所包含的區(qū)域，保護(hù)區(qū)為核心保護(hù)區(qū)外推100 m的范圍。由此應(yīng)急水源地保護(hù)區(qū)總面積為7.6 km2，其中王都莊應(yīng)急水源地保護(hù)面積5.0 km2，中橋應(yīng)急水源地保護(hù)面積2.6 km2。

修復(fù)場(chǎng)地位于應(yīng)急水源地保護(hù)區(qū)地下水流向的下游，修復(fù)場(chǎng)地內(nèi)埋深10 m之內(nèi)的地下水不作為飲用水源及其他用途的水源。

2.6 聲波鉆機(jī)在土壤調(diào)查中的應(yīng)用

此次土壤調(diào)查項(xiàng)目中，采用了SRS聲波鉆機(jī)對(duì)場(chǎng)地土壤污染層進(jìn)行了調(diào)查。

SRS聲波鉆機(jī)使用非常高效，采用平板車(chē)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)以后，即可用遙控器操縱聲波鉆機(jī)行走。走到鉆探點(diǎn)以后，立起大臂，就可以開(kāi)始鉆探取芯了。根據(jù)地層情況，選用合適的取芯工具。同時(shí)，在取芯過(guò)程中，根據(jù)土層的阻力、摩擦力，施加合適頻率的聲波振動(dòng)，保證取芯器勻速地鉆入到土層中。SRS聲波鉆機(jī)一個(gè)回次取芯的長(zhǎng)度為2 m。取芯管完全取滿(mǎn)后，即可提升到地面?？梢酝ㄟ^(guò)手柄操作動(dòng)力頭揚(yáng)起，方便芯樣取出(見(jiàn)圖5)。如果芯樣難以取出，可以稍微施加聲波振動(dòng)。

圖5 SRS聲波鉆機(jī)取到的砂土芯樣

由于地層千差萬(wàn)別，沒(méi)有哪一種取芯器適用于所有地層。SRS聲波鉆機(jī)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，見(jiàn)圖6。

(a)單壁取芯(b)雙壁取芯(c)水鎖取芯

對(duì)于非常軟的地層，SRS聲波鉆機(jī)可以采用水鎖取芯。水鎖內(nèi)放置一個(gè)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(duì)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(jìn)行密封，拿回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行化學(xué)分析。

對(duì)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(jiǎn)單的取芯方式，將普通硬土取到取芯管內(nèi)。

對(duì)于非常硬的地層，例如巖石地層、卵石地層、建筑垃圾等，可以采用雙壁取芯器取芯。雙壁取芯器有兩層壁，可以用循環(huán)水在取芯器中進(jìn)行循環(huán)，可以對(duì)孔壁進(jìn)行護(hù)壁，也可以對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻。

本次土壤調(diào)查項(xiàng)目實(shí)施過(guò)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

1)聲波鉆進(jìn)是一項(xiàng)非常新穎的環(huán)境地質(zhì)調(diào)查技術(shù)。采用高頻振動(dòng)的方法，充分利用壓力、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)力以及振動(dòng)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。

2)聲波鉆進(jìn)是一種近似于無(wú)擾動(dòng)的取芯方法。高頻振動(dòng)使得芯樣與取芯管不完全接觸，振動(dòng)過(guò)程中，不會(huì)對(duì)芯樣造成壓縮。取芯過(guò)程中，只對(duì)鉆頭接觸的一圈位置產(chǎn)生影響，并不會(huì)影響芯樣的內(nèi)部。

3)聲波鉆進(jìn)是一種取芯率接近于100%的取芯技術(shù)。聲波鉆機(jī)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，可以保證取芯率極高，接近100%。

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