基于GDL-1型多功能钻机土壤污染调查取样施工技术

黄东帅，高明帅，袁志坚，肖祖未，王春蕾，臧臣坤，余天歌，高杉

(1.中地装(北京)科学技术研究院有限公司，北京 100120；2.河南省资源环境调查三院，郑州 450046)

1 工程概况

1.1 项目概况

根据《全国土壤污染状况详查总体方案》和《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”)要求，要在2020年底前掌握重点行业企业用地中污染地块的分布及其环境风险。因此，国家土壤污染状况详查办公室设立“全国重点行业企业用地调查项目”，本次施工项目依托于“开封市重点行业企业用地调查初步采样工作”，“焦作市重点行业企业用地调查初步采样工作”两个子项目分别在河南省开封市、焦作市对重点行业企业用地进行土壤、水质调查。项目承接单位分别为河南省环境保护厅、开封市环境保护局和焦作市环境保护局。

1.2 取样设备

本项目采用2台GDL-1型多功能环境勘察钻机，该钻机搭载履带平台可实现施工场地内的自由运移。通过该设备多功能动力头(如图1所示)可实现静压取样、冲击取样、回转取心、螺旋建井等多工艺施工技术，为环境调查提供多功能技术储备[1-3]。钻机详细功能参数见表1。

表1 GDL-1多功能环境勘察钻机参数

图1 GDL-1钻机多功能动力头Fig.1 Multifunctional power head of GDL-1 drilling rig

通过加装如图1所示的三种动力头组件可实现同一动力头不同施工工艺。螺旋建井时需要大扭矩低转速同时无循环泥浆，采用图1(a)所示动力头，双液压马达通过回路实现并联控制，输出4000 N·m扭矩的同时最高转速40 r/min；当需要对地表混凝土进行破除或进行工程勘察取心作业时，可将动力头下部组件换成如图1(b)所示的循环液回转取心模式，在回转钻进的同时可进行泥浆正循环对孔壁进行润滑以及对钻头冷却，这种工况在此次环境调查项目中使用频次较少；浅层第四系覆盖层取样多采用图1(c)所示的冲击取样方式，专用的直径89 mm外平环境取样钻具在冲击头砧子的高频冲击下逐渐压入，取样钻具内部装有PVC取样管，待完成1.5 m回次后提出全部钻具，便可得到封存在取样管内的土壤样品。

2 取样工艺方法

2.1 土壤取样施工技术

直推/冲击+无循环液取样是环境钻探的常规钻进工艺，GDL-1钻机的直推/冲击取样钻具组合可与冲击动力头、冲击回转动力头配套使用。如图2所示，冲击头施加液压缸直推、高频冲击至外管冲锤帽，快速取土。在定点过程中，内钻杆4顶住活塞钻头9使得土样不能进入取心PVC管，当到达目的层时抽出内钻杆，PVC管随着钻具7向下冲击钻进，土样在切削刃10的作用下进入PVC取样管，回次取样结束时提钻取出PVC管，即获得土样[1]。

图2 土壤直推钻具组合示意图Fig.2 Schematic diagram of soil direct push BHA

此项目施工地点多处于废弃工厂区内，地面多为已经硬化的混凝土地面，无法直接使用冲击钻具进行取样，需要使用PDC单管钻具破除地表混凝土后才可以进行土壤取样作业，图3为采用冲击+静压的方式取到的土壤样品。

图3 采用冲击取出的土壤样品Fig.3 Soil samples removed by impact

2.2 水质监测施工技术

GDL-1型多功能钻机可提供4000 N·m的回转扭矩，满足外径120 mm中空螺旋钻具钻进，在钻进过程中将木塞堵在钻头中心通道内防止泥土进入螺旋钻具。以焦作施工现场为例，施工地块采样井设计井深16 m，待钻进至目标深度时将外径75 mm的U-PVC材质井管采用卡扣连接起来通过中空螺旋钻具下至孔底。由于需要建设长期监测井，因此滤水管上开口埋深需位于近几年地下水平均埋深(13 m)以上0.5 m处，下开口埋深15.5 m，下设0.5 m沉淀管。滤水管选用缝宽0.2～0.5 mm的割缝筛管。待滤水管和井管全部下放至孔底后依次向井管孔壁之间填入直径为1～2 mm的球度与圆度好、无污染的石英砂作为滤料层，滤料层与地面之间为止水层，止水材料选用球状膨润土或红黏土浆灌入，最后用混凝土形成高于地面0.3 m以上的混凝土井台，并盖上专用井管盖板。至此一口可用于长期地下水监测的监测井施工完毕[4]。

3 施工中出现问题及优化

在此次河南省开封市和焦作市重点行业企业用地调查初步采样工作中开展了75个点位的土壤/水质取样施工，如表2所示。施工过程中设备整体运行状态良好，但结合施工过程中工艺配套及提升施工效率考虑对钻机和取样钻具分别进行了升级改进。

表2 GDL-1型多功能环境勘察钻机施工取样点

首先，尽管此次施工主要以无循环液环境调查取样为主，但结合市场需求增加钻机循环泵配套方案，通过选配地质泥浆泵、螺杆泵、砂石泵可实现地质勘探、工程勘察以及小口径水井施工循环液供给。另外，根据现场施工过程中提高起下钻效率的需求，将钻机桅杆进行订制化设计，新研制的产品可满足6 m立根的起下钻作业需求，较之前整体效率提升50%，改进升级后钻机如图4所示。

图4 改进后的钻机示意图Fig.4 Schematic diagram of improved drilling rig

4 结语

通过本次在河南开封、焦作两个重点行业企业用地调查初步采样项目的施工，中地装(北京)科学技术研究院有限公司研制的GDL-1型多功能钻机可进行多工艺、多功能配置，提出整体解决方案，通过了试验、实践与验证，并建立了一套适用于我国土壤环境调查施工的工艺方法，为助力土壤污染调查、工程勘察等行业高质量发展提供强有力的技术装备支撑。由于我国地域辽阔，地理环境、道路条件以及气候环境的差异性很大，应根据需要配置多样化的装载形式(履带装、车载、拖车、散装等)及动力形式(柴油机、电机、汽油机等)，这也是未来设备的发展方向。