GK-1型钻机在减量化地块土壤环境调查应用研究

陈洪阳 张卫国 何健 黄海峰

摘要：针对减量化地块土壤环境调查采样工作转场频繁、场地复杂、采样深度较浅等特点，研发了一套具有重量轻、操作简便、施工进度快、转场灵活、采集土壤样品可以更加真实地反映场地环境状况的GK-1型钻机，应用结果表明：可对上海减量化地块土壤环境调查土壤的取样提供一定的技术支持，对其他地区的场地环境调查也有推广意义。

关键词：减量化地块;场地环境调查;取样设备

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0237-03

1引言

针对城市发展面临的资源约束、经济转型发展的需求，上海市正积极推进非集建区建设用地减量化工作，淘汰低效能产，排除安全隐患，通过拆除复垦等土地整治工作，恢复农地生产能力，发挥生态用地功能。根据2010年底土地利用现状数据，上海市需开展减量化的地块总面积为184km²，且空间分部较为零散。

根据《关于加快减量化土地复垦项目验收程序的通知》（沪规土资综[2015]715号）的要求，减量化项目验收后，乡镇政府应做好减量化项目后续管护和利用的相关工作，应请专业部门先行对土壤质量进行检测并出具报告。符合农业种植要求的，方能用于农作物耕种;不符合要求的，应先进行土壤修复，不得直接用于农作物耕种。减量化地块多数分布在农田或民宅之间，单个地块面积相对较小，土壤采样工作转场频繁，采样深度较浅。通过研发一套具有重量轻、操作简便、施工进度快、转场灵活、采集土壤样品可以更加真实反映场地环境状况等特性的GK-1型取样钻机，对上海减量化地块土壤环境调查土壤的取样提供一定的技术支持，对其他地区的场地环境调查也有推广意义。

2土壤环境调查取样设备应用现状

2.1土壤采样设备的类型

场地土壤样品采集最关键的工具是土壤采样设备。按照操作力源的不同，采样设备可分为两大类：①手动取土钻：以人体手或足动力为其操作力源，不借助机械动力，如螺纹钻、管钻等;②机械动力采样器：以机械动力为操作力源，主要靠液压气压、机械直接传动等方式使采样钻体进入土壤，如传统钻机（30钻）和直推式钻机（Geoprobe，Powerprobe）等。手动取土钻和传统钻机钻进过程中对土壤扰动较大，可能导致土样交叉污染，且不宜用于监测项目中含有VOCs等不稳定污染物采样;直推式钻机具有取样速度快、效率高、可遥控、不会导致土样交叉污染的优点，但由于体型较大，操作复杂，需要多人员共同操作，复杂场地不易进入，不太适用于减量化地块的土壤环境调查取样工作。

2.2钻进方法

土壤样品采集钻进方式具有振动钻进、螺旋钻进、液压回转钻进、空气回转钻进、直接推进钻进等多种形式。对于场地环境调查土壤取样，冲洗液的使用可能会改变土样的化学性质，如发生污染物浓度稀释、引入新的污染源等现象。其中液压回转钻进、空气回转钻进方式需要冲洗液辅助钻进，采集的土壤样品不能真实反映场地环境状况，并且有可能威胁施工人员的健康。振动钻进、螺旋钻进、直接推进钻进无钻井液干扰，结合取样器能取得保持化学和物理原状的土样，更符合土壤环境调查取样要求。

3GK-1型钻机研发应用

3.1GK-1型钻机概述

GK-1型钻机具有直接推进钻进、螺旋钻进两种钻进方式，钻进过程不用清洗液，配备电动机、汽油机两个动力装置，钻土器采用双套管连续取土系统，设计最大采样深度为10m，可适用于耕土、粘性土、杂填土等第四纪覆盖层。

3.2工作原理

使用时，将钻机搬运到需要取土的位置，利用汽油发动机下锚杆，将钻机锚固在地面上，以提供支座反力。然后通过控制箱控制电动机运转，电动机带动主动皮带轮转动，主动皮带轮通过皮带带动从动皮带轮转动，从动轮皮带轮通过动力转换箱带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆带动升降器下降，从而带动钻杆与钻土器下降，将钻土器推入到土壤中取样，取样后通过控制箱控制电动机反向转动，使钻土器上升，从而使钻土器从土壤中拔出。同时当地块存在建筑垃圾等障碍物时，通过旋转动力台顶部安装汽油发动机带动螺纹钻头，此时，螺纹钻头由电动机和汽油发动机提供的合力作用下螺旋直线下降，已达到采集土壤样品的目的。

钻土器采用双套管土壤取样系统，外套管保护钻孔，避免塌孔及交叉污染;内钻杆末端连接PVC取样管，放置在外套管中采集土壤样品。同时向下压入外套管和内钻杆，土样被压人取样管中。取出内钻杆及土壤取样器，便可采集所需土壤样品。双套管取样系统配有多种取样钻头，适用于粉质粘土、粘土、膨胀性粘土等粘性土层样品采集。另外在钻头上还可加装防漏堵头，以防止松散及软性土壤样品流失，且更适用于淤泥、砂土、砂砾土、粉土等土壤样品采集（图1～3）。

图1～3中：1、底座;2、立柱;3、顶板;4、动力转换箱;5、电气箱支架;6、控制箱;7、电动机;8、汽油发电机;9、主动皮带轮;10、皮带;11、从动皮带轮;12、主动轴;13、从动轴;14、滚珠丝杆;15、旋转动力台;16、导向套;17、导向杆;18、限位块;19、升降器;20、钻杆;21、钻土器;22、箱体;23、主动锥形齿轮轴;24、从动锥形齿轮轴;25、PVC管;26、汽油发动机;27、螺纹钻头。

3.3取样效果分析

在现场取样测试时，采用2.2kW电动机、480汽油机，配备外管54mm，內管（PVC取样管）40mm的钻土器，场地浅部地层自上至下分别为杂填土（以粘性土为主）、褐黄色粉质粘土、灰色淤泥质粉质粘土。试验表明，6m土壤取样孔完成取样时间为30min，在含水率较低的填土层和粘土层，土壤取芯率能达到90%以上，在含水率较高的淤泥层土壤取芯率在50%左右。土壤样品同时保持物理原状性和化学原状性，在地下水位以下土层中钻进时，有效防止了钻进过程中污染物间的交叉污染等，满足土壤环境调查取样要求，具体测试结果见.图4。

3.4钻机特点

在满足土壤环境调查取样要求的情况下，GK-1型钻机具有如下特点。

（1）传动效率高，以滚动摩擦替代传统丝杆的滑动摩擦，传动效率达90%以上，驱动力矩仅为滑动丝杆的1/3。

（2）定位精度高，工作中发热率低，故运行中变形小，故定位相应精确。

（3）传动可逆性，运作中没有粘滞摩擦，传动过程中没有爬坡现象，可在直线运动与旋转运动间自由转换。

（4）钻机零部件可拆卸，安装简便，重量轻（150kg），便于搬运，以应对复杂环境的施工需要。

（5）电机运用变频调速，可达到无级调速，具备近控和远程遥控两套操作模式。

4结语

针对减量化地块土壤环境调查采样工作转场频繁、场地复杂、采样深度较浅等特点，研发一套具有重量轻、操作简便、施工进度快、转场灵活、采集土壤样品可以更加真实反映场地环境状况等特性的GK-1型钻机。钻机具有直接推进钻进、螺旋钻进2种钻进方式，钻进过程不用清洗液，钻土器采用双套管连续取土系统，土壤样品同时保持物理原状性和化学原状性，并有效防止了钻进过程中污染物间的交叉污染，可适用于耕土、粘性土、杂填土等第四纪覆盖层，对上海减量化地块土壤环境调查土壤的取样提供一定的技术支持，对其他地区的场地环境调查也有推广意义。