GK-1型鉆機在減量化地塊土壤環境調查應用研究

陳洪陽 張衛國 何健 黃海峰

摘要：針對減量化地塊土壤環境調查采樣工作轉場頻繁、場地復雜、采樣深度較淺等特點，研發了一套具有重量輕、操作簡便、施工進度快、轉場靈活、采集土壤樣品可以更加真實地反映場地環境狀況的GK-1型鉆機，應用結果表明：可對上海減量化地塊土壤環境調查土壤的取樣提供一定的技術支持，對其他地區的場地環境調查也有推廣意義。

關鍵詞：減量化地塊;場地環境調查;取樣設備

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0237-03

1引言

針對城市發展面臨的資源約束、經濟轉型發展的需求，上海市正積極推進非集建區建設用地減量化工作，淘汰低效能產，排除安全隱患，通過拆除復墾等土地整治工作，恢復農地生產能力，發揮生態用地功能。根據2010年底土地利用現狀數據，上海市需開展減量化的地塊總面積為184km²，且空間分部較為零散。

根據《關于加快減量化土地復墾項目驗收程序的通知》（滬規土資綜[2015]715號）的要求，減量化項目驗收后，鄉鎮政府應做好減量化項目后續管護和利用的相關工作，應請專業部門先行對土壤質量進行檢測并出具報告。符合農業種植要求的，方能用于農作物耕種;不符合要求的，應先進行土壤修復，不得直接用于農作物耕種。減量化地塊多數分布在農田或民宅之間，單個地塊面積相對較小，土壤采樣工作轉場頻繁，采樣深度較淺。通過研發一套具有重量輕、操作簡便、施工進度快、轉場靈活、采集土壤樣品可以更加真實反映場地環境狀況等特性的GK-1型取樣鉆機，對上海減量化地塊土壤環境調查土壤的取樣提供一定的技術支持，對其他地區的場地環境調查也有推廣意義。

2土壤環境調查取樣設備應用現狀

2.1土壤采樣設備的類型

場地土壤樣品采集最關鍵的工具是土壤采樣設備。按照操作力源的不同，采樣設備可分為兩大類：①手動取土鉆：以人體手或足動力為其操作力源，不借助機械動力，如螺紋鉆、管鉆等;②機械動力采樣器：以機械動力為操作力源，主要靠液壓氣壓、機械直接傳動等方式使采樣鉆體進入土壤，如傳統鉆機（30鉆）和直推式鉆機（Geoprobe，Powerprobe）等。手動取土鉆和傳統鉆機鉆進過程中對土壤擾動較大，可能導致土樣交叉污染，且不宜用于監測項目中含有VOCs等不穩定污染物采樣;直推式鉆機具有取樣速度快、效率高、可遙控、不會導致土樣交叉污染的優點，但由于體型較大，操作復雜，需要多人員共同操作，復雜場地不易進入，不太適用于減量化地塊的土壤環境調查取樣工作。

2.2鉆進方法

土壤樣品采集鉆進方式具有振動鉆進、螺旋鉆進、液壓回轉鉆進、空氣回轉鉆進、直接推進鉆進等多種形式。對于場地環境調查土壤取樣，沖洗液的使用可能會改變土樣的化學性質，如發生污染物濃度稀釋、引入新的污染源等現象。其中液壓回轉鉆進、空氣回轉鉆進方式需要沖洗液輔助鉆進，采集的土壤樣品不能真實反映場地環境狀況，并且有可能威脅施工人員的健康。振動鉆進、螺旋鉆進、直接推進鉆進無鉆井液干擾，結合取樣器能取得保持化學和物理原狀的土樣，更符合土壤環境調查取樣要求。

3GK-1型鉆機研發應用

3.1GK-1型鉆機概述

GK-1型鉆機具有直接推進鉆進、螺旋鉆進兩種鉆進方式，鉆進過程不用清洗液，配備電動機、汽油機兩個動力裝置，鉆土器采用雙套管連續取土系統，設計最大采樣深度為10m，可適用于耕土、粘性土、雜填土等第四紀覆蓋層。

3.2工作原理

使用時，將鉆機搬運到需要取土的位置，利用汽油發動機下錨桿，將鉆機錨固在地面上，以提供支座反力。然后通過控制箱控制電動機運轉，電動機帶動主動皮帶輪轉動，主動皮帶輪通過皮帶帶動從動皮帶輪轉動，從動輪皮帶輪通過動力轉換箱帶動滾珠絲桿轉動，滾珠絲桿帶動升降器下降，從而帶動鉆桿與鉆土器下降，將鉆土器推入到土壤中取樣，取樣后通過控制箱控制電動機反向轉動，使鉆土器上升，從而使鉆土器從土壤中拔出。同時當地塊存在建筑垃圾等障礙物時，通過旋轉動力臺頂部安裝汽油發動機帶動螺紋鉆頭，此時，螺紋鉆頭由電動機和汽油發動機提供的合力作用下螺旋直線下降，已達到采集土壤樣品的目的。

鉆土器采用雙套管土壤取樣系統，外套管保護鉆孔，避免塌孔及交叉污染;內鉆桿末端連接PVC取樣管，放置在外套管中采集土壤樣品。同時向下壓入外套管和內鉆桿，土樣被壓人取樣管中。取出內鉆桿及土壤取樣器，便可采集所需土壤樣品。雙套管取樣系統配有多種取樣鉆頭，適用于粉質粘土、粘土、膨脹性粘土等粘性土層樣品采集。另外在鉆頭上還可加裝防漏堵頭，以防止松散及軟性土壤樣品流失，且更適用于淤泥、砂土、砂礫土、粉土等土壤樣品采集（圖1～3）。

圖1～3中：1、底座;2、立柱;3、頂板;4、動力轉換箱;5、電氣箱支架;6、控制箱;7、電動機;8、汽油發電機;9、主動皮帶輪;10、皮帶;11、從動皮帶輪;12、主動軸;13、從動軸;14、滾珠絲桿;15、旋轉動力臺;16、導向套;17、導向桿;18、限位塊;19、升降器;20、鉆桿;21、鉆土器;22、箱體;23、主動錐形齒輪軸;24、從動錐形齒輪軸;25、PVC管;26、汽油發動機;27、螺紋鉆頭。

3.3取樣效果分析

在現場取樣測試時，采用2.2kW電動機、480汽油機，配備外管54mm，內管（PVC取樣管）40mm的鉆土器，場地淺部地層自上至下分別為雜填土（以粘性土為主）、褐黃色粉質粘土、灰色淤泥質粉質粘土。試驗表明，6m土壤取樣孔完成取樣時間為30min，在含水率較低的填土層和粘土層，土壤取芯率能達到90%以上，在含水率較高的淤泥層土壤取芯率在50%左右。土壤樣品同時保持物理原狀性和化學原狀性，在地下水位以下土層中鉆進時，有效防止了鉆進過程中污染物間的交叉污染等，滿足土壤環境調查取樣要求，具體測試結果見.圖4。

3.4鉆機特點

在滿足土壤環境調查取樣要求的情況下，GK-1型鉆機具有如下特點。

（1）傳動效率高，以滾動摩擦替代傳統絲桿的滑動摩擦，傳動效率達90%以上，驅動力矩僅為滑動絲桿的1/3。

（2）定位精度高，工作中發熱率低，故運行中變形小，故定位相應精確。

（3）傳動可逆性，運作中沒有粘滯摩擦，傳動過程中沒有爬坡現象，可在直線運動與旋轉運動間自由轉換。

（4）鉆機零部件可拆卸，安裝簡便，重量輕（150kg），便于搬運，以應對復雜環境的施工需要。

（5）電機運用變頻調速，可達到無級調速，具備近控和遠程遙控兩套操作模式。

4結語

針對減量化地塊土壤環境調查采樣工作轉場頻繁、場地復雜、采樣深度較淺等特點，研發一套具有重量輕、操作簡便、施工進度快、轉場靈活、采集土壤樣品可以更加真實反映場地環境狀況等特性的GK-1型鉆機。鉆機具有直接推進鉆進、螺旋鉆進2種鉆進方式，鉆進過程不用清洗液，鉆土器采用雙套管連續取土系統，土壤樣品同時保持物理原狀性和化學原狀性，并有效防止了鉆進過程中污染物間的交叉污染，可適用于耕土、粘性土、雜填土等第四紀覆蓋層，對上海減量化地塊土壤環境調查土壤的取樣提供一定的技術支持，對其他地區的場地環境調查也有推廣意義。