浅钻技术在城市地质调查中的应用与发展

李方震，彭新明

（1.北京市地质调查研究院，北京102206；2.北京市地质勘察技术院，北京100011）

1 浅钻技术概况

浅钻技术在我国有悠久的历史。近年来，浅钻技术得到了不断的应用发展，形成了以钻代槽、浅钻化探、浅钻地质填图、“浅钻—测试”快速勘查等技术，广泛应用于矿产勘查、生态地质调查、环境地质调查、地质灾害预警防治和工程勘察等领域，形成了较系统的浅钻地质调查技术方法体系。

美国、澳大利亚等发达国家自20世纪60年代以来就开展浅钻方法工艺研究。从2006年开始，任天祥教授开始指导我国的浅钻化探工作。考虑到我国浅覆盖地区地质景观及地层结构远比澳大利亚复杂，将浅钻化探的适用范围限定在覆盖层厚度不大于50m的地区，或覆盖层构成比较简单，覆盖层厚度不大于100m的地区[1]。

2 浅钻技术在城市地质调查中的应用

2.1 浅钻+绿色勘查

绿色勘查是通过技术手段创新，以地质勘查全过程的“绿色化”、“生态化”为主要内容和途径，实现保护生态环境和保障资源供给双赢[2]。传统背包钻探采用汽油发动机作为动力来源，使用时不但会产生废油废气排放，污染环境，而且不能进入森林保护区，存在很大的火灾、安全隐患，近年来，电池及电控技术飞速发展，具备了研制新能源钻探设备的条件。北京探矿工程研究所联合北京市地质勘察技术院研发了采用锂离子电池作为动力的便携式钻机，并在北京市土地质量生态地球化学监测网运行项目野外取样工作中进行了生产应用，该钻机结构简单、轻便，见图1。

图1 锂离子电池便携式钻机

2.2 浅钻化探

浅钻取样是揭露浅覆盖区的最直接方法。目前，浅钻化探技术已经基本成熟，且逐步替代槽（井）探[3]。

主要浅钻设备为轻便取样钻机（例如背包钻机、TGQ系列轻便浅层取样钻机、WD－H回转式取样钻机、GL钻杆冲击式取样钻机及其它轻便取样钻机）、机动车载钻机（例如TGQ-100车载机动浅层取样钻机）、小型岩芯钻机（例如无锡GXY-1-150型岩芯钻机）、小型水上取样钻船。

“北京市土地质量生态地球化学监测网”项目覆盖全市域（含山区），建成了包括区域监测点、重点监测点、大气干湿沉降监测点的土地质量生态地球化学监测网络，每年采用浅钻采取大量的土壤样品，见图2、图3。人工背回样品的过程中，深刻体验到需进一步使钻探器具轻量化；对于需测试痕量重金属指标的土壤样品，需设计、使用优质高效非金属钻头、取样管。

图2 背包钻机钻进

图3 半合管取样

2.3 浅钻+测试

“浅钻—测试”快速勘查技术主要包括浅钻取样和野外分析测试两部分。浅钻采集样品后，野外流动实验室完成分析测试。野外流动实验室主要测试装备全部集成在一辆中型面包车中，可以深入施工区域，机动灵活[4]。

在土地质量调查、地球化学调查、生态地质调查等过程中，需要采取大量的土壤样品送到实验室进行分析测试，见图4。既增加了工作量、又形成弃土影响。应进一步研发流动实验室，在野外测试后，将土壤样品复原。

图4 地球化学调查采取的土壤样品

2.4 浅钻+物探

单孔物探包括钻孔波速测试、钻孔瞬变电磁探测等。跨孔CT法是地球物理技术中最可靠且精度最高的方法之一。跨孔CT法包括跨孔电阻率法CT、电磁波CT法、弹性波CT法等，具有施作空间小、探测点更接近勘探目标体、传输路径简单、信号保真度大以及数据精确度高等特点，目前已广泛应用于市政深埋燃气管道探测、城市塌空区探测、建筑桩基探测、市政工程岩溶探测、铁路工程地质勘查和地铁工程的地下障碍物探测等领域，并取得相关的研究成果[5-6]。

超大城市中，地铁、燃气管道、供水管道、输油管线及其它地下构筑物互相交织，交通干线日夜繁忙，高层建筑密集分布，特殊情况下需要进一步提高跨孔CT法探测精度，扩大其适用范围，应进一步研发多孔、排孔CT法，实现城市探测精准、无损、可视化。

2.5 “可视”浅钻

国外在地质矿产勘探、油气钻探、城市调查等领域，随钻测量技术已经得到了许多的应用，例如随钻测量地质信息、钻孔轨迹、钻进参数等，实现钻探可视化、自动化。国内在油气钻探、煤田井下钻探中三维可视化技术的应用不断增多，提高了地质导向项目的成功应用，使得钻探变得更加的精确化、快速化和方便化，弥补了常规钻探工作的不足[7]。

在城市浅钻中，存在大量光缆、管线、地铁、文物等重要地下未知目标，即使经过前期管线探测、地质调查，但还是发生了钻破输水管线、地铁结构、燃气管线等事故。地下管线、构筑物等与地层相比，物性差异较大，浅钻时可以通过即时或超前“感知”，即“可视化”而发出警报。

2.6 浅钻+污染场地调查与修复

与发达国家相比，国内污染场地调查技术还存在严重不足，目前还是以传统的钻探取样方法为主，仪器、设备方面的研究也较落后，现处于追赶阶段。目前国内污染场地取样钻探方法主要有冲击钻进、螺旋钻进、振动钻进（包括声波钻进）、回转钻进、直推钻进，综合而言，直推钻进具有连续采取保持化学和物理原状土样的优势，适用于除砾石外的大部分土体[8]。

美国Geoprobe系列直推式土壤钻机（见图5）能够连续快速地取出不受外界扰动的特定深度的柱状土样品；还可采取特定深度的原状地下水样品，并可建立长期监测井。并可配套相关设备，形成不同的功能模块，进行探测、水土修复等作业[9-10]。

图5 Geoprobe7822DT钻机施工图

当前，国内的直推式土壤钻机存在的主要问题是钻具、取样工具、配套功能系统的研发远远滞后于机械设备，原状采取土壤样品、地下水样品及原位测试、原位修复等关键性功能系统与美国Geoprobe公司同类产品相比差异很大。机械设备部分易仿制或研发，但钻探器具材质与结构、取样工艺等还没有取得突破性进展。

2.7 浅钻在其它方面的应用

2.7.1 工程地质勘察

通常采用SH-30系列钻机、DPP-100汽车钻。

2.7.2 其它地质调查

在生态地质调查、农业地质调查、环境地质调查中广泛采用洛阳铲、轻便取样钻机、车载钻机等。

3 结语

浅钻技术大量应用于城市地质调查，虽然目前还是以传统浅钻工艺方法为主，但新设备、新技术、新工艺正在不断推广应用，例如：锂离子电池作为动力的便携式钻机、直推式土壤钻机、浅钻化探、浅钻+物探等。2021年5月自然资源部发布《自然资源部关于促进地质勘查行业高质量发展的指导意见》，浅钻技术发展前景更加广阔。

在实际工作中，浅钻的几个主要工作目的是：①取样，尤其是采取原状样品；②浅钻代槽；③原位测试、修复；④为其他地质工作方法提供钻孔。

浅钻的发展方向有以下几个方面：

（1）提高原状取样的质量。对于痕量级别测试指标，应避免钻头、取样管等器具含有测试指标成份，例如测试指标含铁时，钻头、取芯管与土壤样品“无铁”接触。对于采取原状水样工艺方法，目前还是美国Geo⁃probe钻机SP16、SP22等原状取水样钻具及工艺处于领先地位。

（2）降低浅钻“人工负荷”。“人工负荷”包括三个方面，一是钻机及钻具重量；二是人工给进力；三是人工起拔力。

（3）提高浅钻效率。在市场经济环境中，浅钻造价低，为了降低成本，施工人员有时偷偷采用不规范的取样方法去代替浅钻。

（4）提高浅钻工程质量。在城市重要基础设施中进行浅钻，尽量实现“无损”，尽可能不损伤、不破坏、不污染目的层或目标体，实现科学、环保、精细化调查。

（5）研发自有知识产权的原状采集土壤样品、地下水样品及原位测试、原位修复等关键性功能系统。

（6）形成浅钻技术体系。