淺鉆技術在城市地質調查中的應用與發展

李方震，彭新明

（1.北京市地質調查研究院，北京102206；2.北京市地質勘察技術院，北京100011）

1 淺鉆技術概況

淺鉆技術在我國有悠久的歷史。近年來，淺鉆技術得到了不斷的應用發展，形成了以鉆代槽、淺鉆化探、淺鉆地質填圖、“淺鉆—測試”快速勘查等技術，廣泛應用于礦產勘查、生態地質調查、環境地質調查、地質災害預警防治和工程勘察等領域，形成了較系統的淺鉆地質調查技術方法體系。

美國、澳大利亞等發達國家自20世紀60年代以來就開展淺鉆方法工藝研究。從2006年開始，任天祥教授開始指導我國的淺鉆化探工作。考慮到我國淺覆蓋地區地質景觀及地層結構遠比澳大利亞復雜，將淺鉆化探的適用范圍限定在覆蓋層厚度不大于50m的地區，或覆蓋層構成比較簡單，覆蓋層厚度不大于100m的地區[1]。

2 淺鉆技術在城市地質調查中的應用

2.1 淺鉆+綠色勘查

綠色勘查是通過技術手段創新，以地質勘查全過程的“綠色化”、“生態化”為主要內容和途徑，實現保護生態環境和保障資源供給雙贏[2]。傳統背包鉆探采用汽油發動機作為動力來源，使用時不但會產生廢油廢氣排放，污染環境，而且不能進入森林保護區，存在很大的火災、安全隱患，近年來，電池及電控技術飛速發展，具備了研制新能源鉆探設備的條件。北京探礦工程研究所聯合北京市地質勘察技術院研發了采用鋰離子電池作為動力的便攜式鉆機，并在北京市土地質量生態地球化學監測網運行項目野外取樣工作中進行了生產應用，該鉆機結構簡單、輕便，見圖1。

圖1 鋰離子電池便攜式鉆機

2.2 淺鉆化探

淺鉆取樣是揭露淺覆蓋區的最直接方法。目前，淺鉆化探技術已經基本成熟，且逐步替代槽（井）探[3]。

主要淺鉆設備為輕便取樣鉆機（例如背包鉆機、TGQ系列輕便淺層取樣鉆機、WD－H回轉式取樣鉆機、GL鉆桿沖擊式取樣鉆機及其它輕便取樣鉆機）、機動車載鉆機（例如TGQ-100車載機動淺層取樣鉆機）、小型巖芯鉆機（例如無錫GXY-1-150型巖芯鉆機）、小型水上取樣鉆船。

“北京市土地質量生態地球化學監測網”項目覆蓋全市域（含山區），建成了包括區域監測點、重點監測點、大氣干濕沉降監測點的土地質量生態地球化學監測網絡，每年采用淺鉆采取大量的土壤樣品，見圖2、圖3。人工背回樣品的過程中，深刻體驗到需進一步使鉆探器具輕量化；對于需測試痕量重金屬指標的土壤樣品，需設計、使用優質高效非金屬鉆頭、取樣管。

圖2 背包鉆機鉆進

圖3 半合管取樣

2.3 淺鉆+測試

“淺鉆—測試”快速勘查技術主要包括淺鉆取樣和野外分析測試兩部分。淺鉆采集樣品后，野外流動實驗室完成分析測試。野外流動實驗室主要測試裝備全部集成在一輛中型面包車中，可以深入施工區域，機動靈活[4]。

在土地質量調查、地球化學調查、生態地質調查等過程中，需要采取大量的土壤樣品送到實驗室進行分析測試，見圖4。既增加了工作量、又形成棄土影響。應進一步研發流動實驗室，在野外測試后，將土壤樣品復原。

圖4 地球化學調查采取的土壤樣品

2.4 淺鉆+物探

單孔物探包括鉆孔波速測試、鉆孔瞬變電磁探測等。跨孔CT法是地球物理技術中最可靠且精度最高的方法之一。跨孔CT法包括跨孔電阻率法CT、電磁波CT法、彈性波CT法等，具有施作空間小、探測點更接近勘探目標體、傳輸路徑簡單、信號保真度大以及數據精確度高等特點，目前已廣泛應用于市政深埋燃氣管道探測、城市塌空區探測、建筑樁基探測、市政工程巖溶探測、鐵路工程地質勘查和地鐵工程的地下障礙物探測等領域，并取得相關的研究成果[5-6]。

超大城市中，地鐵、燃氣管道、供水管道、輸油管線及其它地下構筑物互相交織，交通干線日夜繁忙，高層建筑密集分布，特殊情況下需要進一步提高跨孔CT法探測精度，擴大其適用范圍，應進一步研發多孔、排孔CT法，實現城市探測精準、無損、可視化。

2.5 “可視”淺鉆

國外在地質礦產勘探、油氣鉆探、城市調查等領域，隨鉆測量技術已經得到了許多的應用，例如隨鉆測量地質信息、鉆孔軌跡、鉆進參數等，實現鉆探可視化、自動化。國內在油氣鉆探、煤田井下鉆探中三維可視化技術的應用不斷增多，提高了地質導向項目的成功應用，使得鉆探變得更加的精確化、快速化和方便化，彌補了常規鉆探工作的不足[7]。

在城市淺鉆中，存在大量光纜、管線、地鐵、文物等重要地下未知目標，即使經過前期管線探測、地質調查，但還是發生了鉆破輸水管線、地鐵結構、燃氣管線等事故。地下管線、構筑物等與地層相比，物性差異較大，淺鉆時可以通過即時或超前“感知”，即“可視化”而發出警報。

2.6 淺鉆+污染場地調查與修復

與發達國家相比，國內污染場地調查技術還存在嚴重不足，目前還是以傳統的鉆探取樣方法為主，儀器、設備方面的研究也較落后，現處于追趕階段。目前國內污染場地取樣鉆探方法主要有沖擊鉆進、螺旋鉆進、振動鉆進（包括聲波鉆進）、回轉鉆進、直推鉆進，綜合而言，直推鉆進具有連續采取保持化學和物理原狀土樣的優勢，適用于除礫石外的大部分土體[8]。

美國Geoprobe系列直推式土壤鉆機（見圖5）能夠連續快速地取出不受外界擾動的特定深度的柱狀土樣品；還可采取特定深度的原狀地下水樣品，并可建立長期監測井。并可配套相關設備，形成不同的功能模塊，進行探測、水土修復等作業[9-10]。

圖5 Geoprobe7822DT鉆機施工圖

當前，國內的直推式土壤鉆機存在的主要問題是鉆具、取樣工具、配套功能系統的研發遠遠滯后于機械設備，原狀采取土壤樣品、地下水樣品及原位測試、原位修復等關鍵性功能系統與美國Geoprobe公司同類產品相比差異很大。機械設備部分易仿制或研發，但鉆探器具材質與結構、取樣工藝等還沒有取得突破性進展。

2.7 淺鉆在其它方面的應用

2.7.1 工程地質勘察

通常采用SH-30系列鉆機、DPP-100汽車鉆。

2.7.2 其它地質調查

在生態地質調查、農業地質調查、環境地質調查中廣泛采用洛陽鏟、輕便取樣鉆機、車載鉆機等。

3 結語

淺鉆技術大量應用于城市地質調查，雖然目前還是以傳統淺鉆工藝方法為主，但新設備、新技術、新工藝正在不斷推廣應用，例如：鋰離子電池作為動力的便攜式鉆機、直推式土壤鉆機、淺鉆化探、淺鉆+物探等。2021年5月自然資源部發布《自然資源部關于促進地質勘查行業高質量發展的指導意見》，淺鉆技術發展前景更加廣闊。

在實際工作中，淺鉆的幾個主要工作目的是：①取樣，尤其是采取原狀樣品；②淺鉆代槽；③原位測試、修復；④為其他地質工作方法提供鉆孔。

淺鉆的發展方向有以下幾個方面：

（1）提高原狀取樣的質量。對于痕量級別測試指標，應避免鉆頭、取樣管等器具含有測試指標成份，例如測試指標含鐵時，鉆頭、取芯管與土壤樣品“無鐵”接觸。對于采取原狀水樣工藝方法，目前還是美國Geo?probe鉆機SP16、SP22等原狀取水樣鉆具及工藝處于領先地位。

（2）降低淺鉆“人工負荷”。“人工負荷”包括三個方面，一是鉆機及鉆具重量；二是人工給進力；三是人工起拔力。

（3）提高淺鉆效率。在市場經濟環境中，淺鉆造價低，為了降低成本，施工人員有時偷偷采用不規范的取樣方法去代替淺鉆。

（4）提高淺鉆工程質量。在城市重要基礎設施中進行淺鉆，盡量實現“無損”，盡可能不損傷、不破壞、不污染目的層或目標體，實現科學、環保、精細化調查。

（5）研發自有知識產權的原狀采集土壤樣品、地下水樣品及原位測試、原位修復等關鍵性功能系統。

（6）形成淺鉆技術體系。