污染場地調查直推式土壤采樣鉆具研發與調試

［關鍵詞］污染場地；土壤采樣鉆具；研發；調試

近年來，眾多學者及工程技術人員對污染場地土壤采樣設備進行了研究。張斌[1]總結了目前國內外污染場地環境調查現場采樣技術應用存在的問題；宋家音[2]梳理了國內外先進的土壤和地下水采樣技術與設備，分析了采樣過程中產生擾動的原因；孫平賀[3]分析了國內直推鉆探技術與設備的發展狀況；冉靈杰[4]針對30 m以內的密實黏土層及砂土層，研制了沖擊式取樣鉆機、配套鉆具及工藝方法。

在前人研究的基礎上，針對現有土壤采樣鉆具優缺點，研發適用于蘇州地區的采樣設備，以最大程度上取得原狀土樣，在更深層土壤中完成探測取樣工作，更好應用于污染場地土壤取樣的工程實踐以獲得高質量的場地調查結論，為場地土壤、地下水治理提供準確的基礎數據。

1. 污染場地調查

1.1 污染場地調查概念提出

污染場地調查可為污染場地或搬遷企業遺留場地污染狀況、土地管理、土壤修復提供基礎數據支撐。

污染場地調查概念最早由美國提出，源于20世紀40年代初美國胡克電化學公司向拉夫運河傾倒工業廢棄物事件，該事件賠償經濟損失和健康損失費用超過30億美元。1980年，美國國會通過超級基金法案，建立污染場地治理清單，正式推行污染場地調查、修復治理制度。

1.2我國土壤污染現狀

根據《全國土壤污染狀況調查公報》[5]，我國土壤總的超標率為16.1%。污染類型以無機型為主，有機型次之，復合型污染比重較小，無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%。南方土壤污染重于北方；長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業基地等部分區域土壤污染問題較為突出，西南、中南地區土壤重金屬超標范圍較大；鎘、汞、砷、鉛4種無機污染物含量分布呈現從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態勢。重污染企業用地、工業廢棄地、工業園區、固體廢物集中處理處置場地等八類典型地塊及其周邊土壤污染狀況調查中，超標點位占調查點位比例均在20%以上，最高達36.3%。

1.3 土壤污染調查法律法規及技術規范

場地調查涉及行業類別廣泛，為保障土地安全，國家先后出臺《關于切實做好企業搬遷過程中環境污染防治工作的通知》（2004年）、《場地環境調查技術規范》等4項規范標準（2009年）、《關于加強工業企業關停、搬遷及原址場地再開發利用過程中污染防治工作的通知》（2014年）、《土壤污染防治行動計劃》（2016年）、《建設用地土壤環境調查評估技術指南》（2017）、《土壤質量土壤采樣技術指南》（2018年）、《建設用地土壤污染狀況調查技術導則》等5項國家環境保護標準（2019年）。

以建設用地土壤污染狀況調查為例，涉及制造業、采礦業、電力燃氣及水的生產和供應、水利、環境和公共設施管理業以及其他行業，涉及的地塊類型、污染物眾多。相關法律法規和技術規范的實施，為規范場地污染狀況調查、土壤污染風險評估、風險管控、修復等，提供了法律依據、制度和技術保障。

2. 土壤采樣設備現狀

2.1 國外土壤采樣設備現狀

根據采樣設備不同，可分為單人手持式鉆機采樣、勘察鉆機采樣、直推式鉆機采樣、聲頻鉆機采樣，應用較多的為直推式鉆機采樣技術。20世紀20年代，荷蘭工程師在進行巖土和水文地質數據及土壤和地下水樣品采集的時候，直接將錐形取樣裝置推入地下，形成直推式采樣技術雛形。20世紀90年代，隨著國外的環境鉆探項目日益增多，為快速高效獲得高質量原狀土樣，美國Geoprobe公司率先在鉆機中應用了直推技術。此后美國AMS公司、西班牙TECOP，S.A.公司制造的直推環境鉆機在國外污染場地調查項目中逐步推廣。由于國外污染場地調查起步較早，鉆機通常具有模塊化和智能化程度高、結構緊湊、造型美觀的優點，但價格昂貴。

2.2 國內土壤采樣設備現狀

近年來，我國土壤取樣鉆機發展迅速，采樣質量、效率不斷提高。已研發出具有自主知識產權的TGQ系列輕便淺層鉆機、DP-5手持式土壤取樣鉆機、30HB型多功能環境勘察鉆機、Eprobe2000型環境取樣修復一體機、GY-SR系列型土壤地下水取樣修復一體機并在場地調查、修復項目中得到成功應用。

此外，我國一些學校、科研單位或公司相繼研發出聲頻振動取樣鉆機，并在實踐中應用。總體上，與污染場地調查技術相對成熟的國家相比，我國在理論研究和實踐經驗積累上相對薄弱。

3. 第四系沉積地層結構特點

3.1 第四系地層分布

第四系沉積地層在全球范圍內分布廣泛，除裸露巖石和陡峻山坡外，幾乎都被第四系沉積物覆蓋。蘇州位于長江三角洲平原，臨近長江入海口，受河湖相、濱海相沉積影響，第四系地層發育比較完整、齊全，地層層序清晰。

3.2 蘇州地質研究情況

蘇州及其周邊地區是我國較早開展地質調查的地區之一。以往曾有地礦、煤田、冶金等部門進行過大量的、不同比例尺的區域地質、水文地質、工程地質和環境地質，礦產地質等勘查研究工作，以往地質工作程度較高。除地礦部門外，各地方國土與水利部門、工民建等單位也開展了大量的水文地質、工程地質及環境地質工作，積累了相當豐富的地質資料。

3.3 代表性地層

地質調查資料顯示，蘇州地區第四系沉積十分發育，東部平原沉積區基底構造處于持續下降過程中，第四系發育齊全，東北部地區最大厚度240 m左右，具有自西向東逐漸增厚的變化規律。地層呈多沉積韻律特點，河湖、濱海相沉積交替進行，成因比較復雜，但層序清晰（見表1）。

3.4 第四系沉積地層采樣存在的困難

目前土壤取樣鉆機以直推式為主，對雜填土、可塑—硬塑性黏土、中密—密實性砂土的地層結構適應性較差，面臨采樣深度低、鉆進效率低、土樣采取率低等困難，包括以下幾個方面：

（1）受場地條件影響較大，淺部硬質雜填土區域無法施工；

（2）穿越能力有限，遇較厚的粉土、粉砂或硬質土層時，鉆機鉆進進度慢、工作效率低下，甚至無法實現既定深度目標；

（3）硬質地層會對鉆頭表面造成不同磨損，使鉆頭損壞率高、壽命短；

（4）在取樣過程中，鉆具對土壤樣品壓縮程度較大，影響其污染物測定以及污染深度的判別；

（5）在重度污染區域，某些特殊污染物如重金屬或DNAPL污染物在第四系土壤中賦存時間久，可滲透到更深地層，使得直接推進式鉆進技術很難有效完成該深度的探測取樣工作;

（6）取樣深度有限，當污染深度達到20 m以下時，無法采到該深度樣品；

（7）取樣直徑固定，內徑為47 mm，該取樣直徑無法滿足重點企業重金屬采樣所需的最小60 mm要求；

（8）PVC管在采集硬塑黏土時易發生爆管。

4. 土壤采樣鉆具研發與調試

4.1 采樣鉆具研發思路

直接推進式鉆進技術具有鉆進效率高、機動性強、無切削浮土等優勢，配套多種鉆具和工藝可滿足各種場地的取樣需要。全液壓多功能工程勘察鉆機為“液壓式+動力頭”的驅動方式，集成于履帶式移動平臺，在巖土工程勘察、鉆鑿水井、監測井、小型基樁孔等行業應用廣泛。對于污染場地調查來說，可結合巖土工程勘察項目穿插進行，縮短項目工期。當場地污染深度發生變化時，可隨時更換鉆進方式，滿足取樣要求的前提下盡可能增大采樣深度。鉆機配備大口徑直推式取樣工具及轉換接頭后可以利用多種工藝鉆進，實現原狀無擾動采樣。綜合考慮污染場地調查土壤采樣技術現狀、第四系沉積地層結構特點，確立采用全液壓多功能工程勘察鉆機，定制鉆進套管、鉆具總成、增加轉換接頭的研發思路。

4.2 采樣鉆具制作過程

利用現有YDL-300型全液壓工程鉆機，設計大口徑直推式鉆機取樣鉆具總成、套管以及轉換接頭，并兼容水文井成孔功能，滿足洗井及貝勒管取水要求，同時滿足水域、雜填土較厚區域、深部取樣、基巖地區取樣等施工技術要求。具體設計制作內容如下：

（1）設計鉆具總成。為對比取樣深度和質量，設計三種直徑直推式鉆具總成，直徑分別為φ60、φ76、φ89 mm。

（2）設計套管。設計大直徑套管，套管內部結構兼容目前市場通用Geoprobe鉆機無色透明PVC取樣襯管，采用絲扣搭接。考慮鉆進施工便捷性和設備起拔能力，套管內緣長度1000 mm，保證取樣長度可達到1000 mm。

（3）設計轉換接頭。在鉆機鉆桿底部接口處，設計增加轉換接頭。轉換接頭一端與鉆桿絲扣搭接，另一端與套管絲扣搭接;

（4）設計增加密封圈。為避免土壤樣品受交叉污染，轉換接頭處設計增加O形圈進行密封；

（5）針對不同地層（硬塑、流塑黏性土及各種狀態的粉土、粉砂層以及基巖），設計不同類型、可更換的切削鉆頭及取樣管、捕芯器。

4.3 采樣鉆具調試

調試場地選擇蘇州地區具有代表性地層分布的場地。根據查閱歷史衛星影像資料及走訪，該場地原大多為農田、民宅及河道，施工前民宅已拆除，河道已回填，局部尚有原建筑物基礎和硬化地面。場地現為空地，地勢較平坦。地貌形態隸屬長江三角洲太湖流域沖湖積平原區，地貌形態單一。

場地內60.30 m以淺主要由第四系全新統、更新統沉積物組成，按地基土的巖性特征和土的工程性能，可分為10個工程地質層，18個工程地質亞層，其中⑥1黏土層，暗綠色，可塑至硬塑狀，層厚1.50～4.00 m，最大埋深25m左右。⑥1黏土層為良好的止水層，受污染程度極微。采樣鉆具現場調試照片見圖1。使用YDL-300型全液壓工程鉆機和研發的不同直徑的采樣鉆具，采用液壓或沖擊的方式壓入，將帶切削刀口的套管壓入或擊入不同土層，然后提出套管，縱向打開取出樣品。調試過程中，記錄鉆進深度、土樣采取率、地層巖性、鉆進方式和純鉆時間。鉆進記錄見表2。

4.4 調試結果評價

經調試和優化，鉆機的單孔鉆探采樣深度可達24 m，能夠更好地反映場地深部地層的污染狀況，取樣深度能達到蘇州地區普遍分布的下部暗綠色黏土（不透水層），能夠獲取直徑70 mm的地層樣品，且取芯率極高。場地地面下2～3 m處和9～10 m處分別存在潛水、微承壓水兩個含水層，雙重取樣管壓入速度快，隔水效果好，基本達到設備研發要求。

結合蘇州地區Geoprobe鉆機取樣實踐經驗，本設備鉆探效率與Geoprobe鉆機基本接近，6 m左右取土工藝整體施工時間在30 min左右，6 m左右地下水監測井整體施工時間在25～30 min左右，實現預定目標。

5. 結論

（1）污染場地調查可為污染場地或搬遷企業遺留場地污染狀況調查、土地管理、土壤修復提供基礎數據支撐。

相關法律法規和規范標準的實施，為規范場地污染狀況調查、土壤污染風險評估、風險管控、修復等，提供了法律依據、制度和技術保障。

（2）國外污染場地調查起步較早，鉆機通常具有模塊化和智能化程度高、結構緊湊、造型美觀的優點，但價格昂貴。與污染場地調查技術相對成熟的國家相比，我國在理論研究和實踐經驗積累上相對薄弱。

（3）蘇州位于長江三角洲平原，第四系沉積十分發育，地層呈多沉積韻律特點，河湖、濱海相沉積交替進行，成因比較復雜，但層序清晰。場地調查采樣過程中，雜填土、可塑—硬塑性黏土、中密—密實性砂土的地層結構，給采樣帶來一定困難。

（4）綜合考慮污染場地調查土壤采樣技術現狀、第四系沉積地層結構特點，確立采用全液壓多功能工程勘察鉆機，定制鉆進套管、鉆具總成、增加轉換接頭的研發思路，研發了直推式土壤采樣鉆具。單孔鉆探采樣深度可達24m；能夠獲取直徑70 mm 的地層樣品，且取芯率極高。雙重取樣管壓入速度快，隔水效果好。與傳統Geoprobe鉆機相比，本研發設備鉆探效率基本接近，達到了研發預定目標。