场地污染调查监测的利器—小型快速钻进设备
小型快速钻进设备是美国环保署为开展场地污染调查监测（超级基金项目）而委托设计的土壤地下水取样装备，并随着超级基金项目的实施而逐渐形成的特种装备产业，也为美国超级基金项目的顺利实施提供了强大的技术支持，特别适用于污染土壤地下水水调查、监测、修复等领域。迄今，小型快速钻进设备供货商有两家，即美国AMS的Powerprobe和KEJR的Geoprobe。前者是老牌的土壤取样设备供应商，后者的产品较单一，但也更专一。
一、设备简介
小型快速钻进设备，主要是指Powerprobe或Geoprobe，采用直接压进技术（Direct Push Technonlogy)，无撞击火星，是加油站易燃易爆场地指定设备，其中Geoprobe6620DT实物照片如图1所示，由探测系统、液压系统和电气系统三部分组成。
图1、小型钻进设备（Geoprobe6620DT型）实物图片
其中，探测系统包括软管盘、探测缸、探测支架、支撑脚缸、液压锤、杆夹牵引块和牵引门闩等部件组成，共同实现钻杆的钻进和收回等探测功能；液压系统由久保田（Kubota）四缸涡轮增压器柴油机提供动力，并由折叠缸、摆动架、底盘架、摆动缸和伸展缸等部件组成，共同完成动力传输功能，将柴油发动机提供的机械能转换为液压能，为探测系统提供动力，也是机器履带组件的动力源；电气系统为12伏直流电器，是控制上述液压系统的螺旋电磁阀的电源，也是用于发动机的启动和停止的开关，是整个系统的枢纽，并能通过无线遥控器（发射机）实现功能操作；久保田柴油发动机的使用与维护参见柴油发动机专门使用手册。不同系统组成如图2所示。
图2设备基础部件（左图为探测系统，右上图为液压系统，右下图为电器系统控制面板）
HoseCarrier软管盘，ProbeCylinder探测缸，FootCylinder支撑脚缸，ProbeDerrick探测支架，GH62HydraulicHammer GH62液压锤，Hydraulic Motor液压马达，RodGrip PullBlock杆夹牵引块，Pull Latch 牵引门闩，ControlPanel控制面板，RodGrip杆夹，ProbeFoot 探测支撑脚，FoldCylinder折叠缸，SwingFrame摆动架，BaseFrame底盘架，SwingCylinder摆动缸，ExtendCylinder伸展缸，ProbeCylinder探测缸，Auger螺旋钻，CPT/Regen倍速，Winch绞车，Mast支柱，Accessory辅助，Swing摆动，Foot支撑脚，Extend伸展，Fold折叠，Hammer/Rotation锤击/旋转，AugerHigh/LowSpeed螺旋钻高/低速，LeftOutrigger左外延支架，RightOutrigger右外延支架。
小型快速钻进设备（Geoprobe）主机自重2.77吨，可由履带牵引行走，自行速度最高7.2公里/小时，非常适用于野外工作；液压系统最大压力160kN，最大拔力240kN，能快速钻进和拔起钻杆；工作状态塔高3.88米，液压冲程1.68米；运输状态高度2.26米，宽度1.52米，长度2.44米，伸展自如，方便运输。由此可见，Geoprobe钻机具有动力强大，操作容易、运输方便等优点，极其适用于野外工作。
图3 小型快速钻进设备（Geoprobe 6620DT）工作状态与运输状态规格
二、设备主要性能
小型快速钻进设备是基于直接贯入技术（Direct push）的野外技术装备，具备两种钻进方式：其一是直接贯入钻进，即通过液压锤（GH62）将钻杆（如DT32和SP16等）直接推进或锤击深入地下，进一步原位（in-situ）采集土壤、地下水和土壤气体样品，或在钻杆安装多种传感器，原位测定剖面土壤力学参数、水力传导系数、污染物浓度梯度等参数，或利用预装滤网的筛管快速建成监测井；其二是螺旋钻进，即通过双向旋转钻头（AG3000）旋转推进中空螺旋钻（HAS）以穿透硬质层（如水泥地，冻土层等），为进一步运用直接贯入钻进系统采集土壤、地下水样品或大口径监测井建设创造条件，进而拓展了该设备的适用条件。总体上，设备具有以下功能：
1、土壤样品采集
常用于土壤样品采集的配套工具（Geoprobe Tools）有两类，即宏芯土壤采样器（Macro-Core Soil Sampler）和双套管采样器（Dual TubeSoil Sampling Systems）。其中，Macro-Core由单层钢管（Tube）和内衬PVC管（Liner）组成，在钻进过程直接采集柱状土壤样品。其关键部件是土芯捕获器（MC Core Catcher），在钢管钻进过程，土壤经过Catcher被压入Liner，但在向上提升过程，土壤不能反向经过Catcher，进而阻止土芯回落，保证取出完整的土芯。Macro-Core前端装有活塞式钻头（Piston Rod Point），可在任意钻进深度通过活塞钻杆开启，以便取得任意深度土壤样品。双套管采用器则由两个钢管组成，即外管（outer casing）和鞘管(Sheath)，鞘管内衬Liner，取样过程与MC基本一致。两种土壤取样器的主要区别在于，前者所取土芯压缩比小，基本保持原状土样，但在超过7米的深度取样较困难，并存在上下层交叉污染的风险；后者所取土芯压缩比较大，但不受取样深度影响，还可以在取完土样后，保留外管，进一步用作预装滤管的监测井建设，提高工作效率。值得一提的是，两种取样方法钻进过程均不需外加润滑液体（如水），避免二次污染，可用于污染调查等目的的土壤取样；另外，所取土芯被包裹在透明的PVC材料Liner，即可以现场观测记录后，封口后送实验室进一步检测，最大程度保持原状土壤。
2、地下水样品采集
常用于地下水样品采集的配套设备有顶端筛管取样器（ScreenPoint 1616 Groundwater Samplers）、刻槽钻杆剖面取样器（GroundwaterProfiler Mill-Slot Samplers）和双套管剖面取样器（DT21 profiler）。所有取样器均有保护性外管（钻杆）和内衬式筛管，所不同的是筛管钻进方式。其中，顶端筛管取样器（SP16）是通过外管回拔，暴露出内衬筛管，地下水通过筛管进入内管，再通过地下水取样设备（如贝勒管，气囊泵等）采集特定深度地下水样；刻槽钻杆剖面取样器顶端有可抛弃式钻头，当取样器深入到含水层时，通过内杆把可抛弃式钻头定出，带刻槽钻杆则继续深入含水层（限于砂层），通过定位筛管位置，连续采集含水层不同深度地下水样品；DT21双套管剖面取样器是经典的“三位一体”采样器，不仅可以采集剖面土壤样品，还可以采集不同深度地下水样品，同时还可以安装微水试验装置，在采样过程进行含水层参数测试。其地下水采样过程与土壤采样过程基本一致，即通过内杆开启活塞式钻头，替换上相同规格的有顶端筛管的内管，地下水通过筛管进入内管，再用地下水取样设备（如贝勒管，气囊泵等）采集特定深度地下水样品，如此反复，采集不同深度的剖面地下水样品，如果在钻杆上安装其他检测设备（如微水试验装置STA），还可以在采样过程中同时进行水力学参数测试。值得一提的是，应用小型快速钻进设备（Geoprobe）进行地下水样品采集，不需要预先建立监测井，与传统的地下水取样方法相比较，具有操作简便、快速取样、并能采集不同深度地下水样品等优点。更值得一提的是，绝大多数有机污染羽的垂向迁移范围很小，多呈“漂浮物”悬浮于含水层上部，迁移进入监测井后常常被稀释，以致检测不出，其污染风险因此被忽略。有了Geoprobe地下水采样器以后，这种风险监测变得更加容易，因为Geoprobe地下水采样器筛管段较短，通过采集剖面地下水样品，能精确定位污染物所在位置，进一步检测出高浓度“漂浮状”有机污染物，为提高监测预警能力提供技术支撑。
3、预装筛管监测井建设
预装筛管（Prepacked Screen）由带刻槽PVC管内层和石英砂外层组成，并用不锈钢网包裹成预装筛管产品，筛管内经规格主要有0.5英寸、0.75英寸、1.0英寸和1.5英寸四种，外径规格有1.4英寸和2.5英寸两种，长度规格有3英尺和5英尺两种，可以满足不同规格钻孔的预装监测井建设需要。预装监测井建设常用钻孔工具是3.25英寸双套管（DT32）和2.375英寸双套管（DT21），其安装过程既可以取土壤样品和地下水样品，也可以直接钻入特定深度含水层，在双套管深入到预定深度后，通过内杆开启活塞式钻头，植入顶端安装有可抛弃式钻头的预装筛管，再接上立管（PVC Riser），直至顶部。安装完成后，双套管和预装筛管可以继续钻入，直至预定深度。到达预定深度后，用力推顶预装筛管，使筛管顶部与可抛弃式钻头顶部卡时接口连接上，开始回拔外管，逐节回拔，拔完第一节后（即最顶部外管拔出），倒入石英砂，使得预装滤管与含水层充分接触，然后再上拔一节外管，继续倒入石英砂，然后用Geoprobe专用的灌浆机（如GS2000）开始灌浆，密封立管与钻孔的间隙，如此反复，直至最后一节外管拔出并灌浆，在监测井外围灌上水泥，并安装好封口，预装筛管监测井建设即告完成。与传统的监测井建设相比较，预装滤管监测井成井技术具有简便、快捷、低成本并不产生泥浆污染等优点，据相关报道，有经验的技术人员可以在12小时内完成6个预装筛管监测井建设（约200米进尺），这是传统的监测井建设方法所无法比拟的；另外，预装筛管监测井孔径较小，能有效降低采样过程的监测井清洗抽汲水量，为监测井的后续管理与使用带来更多方便。
4、土壤气体采样
小型快速钻进设备（Geoprobe）研发的最初需要是为满足土壤气体采集，为替代传统的人工操作式气体采样管（NPT pipe），Kejr公司研制成功基于DPT技术的Geoprobe气体采样管，即附有可抛弃式钻头的钻杆，在深入地下以后，通过顶出钻头后回拔钻杆，并通过真空泵抽取土壤气体。经过多年研制，Kejr公司已研制出一系列土壤气体采样设备，如快速启动取样管（Post-RunTubing，PRT）和通过钻杆直接取样方法（DirectSystems）。前者通过附有可抛弃式钻头的内管，随钻杆深入到预定深度后，顶出可抛弃式钻头，回拔钻杆，土壤气体通过内管，再用气体采样装置采集特定深度土壤气体；后者没有内管，气体样品直接进入钻杆，然后通过取样装置采集进入钻杆的气体样品。与预装筛管监测井一样，类似的土壤气体采样器有内置式气体采样器（Sparging Implant)，主要用于永久性土壤气体监测孔建设，以长期监测地下土壤气体。具体操作与监测井成井方法基本相同。
5、水力传导系数测试（Hydraulic Conductivity）
水力传导系数（饱和导水率K）是最重要的含水层特征参数之一。不论是地下水动态调查评价，还是地下水污染调查评价，都离不开水力传导系数的测试。传统的水力传导系数测试方法有很多，例如抽水试验，既费时又费力，也很难大量开展测试工作，常常导致某些监测井的含水层参数多年不变，最终影响地下水动态调查评价成果的时效性。因此，如何快速获取水力传导系数是地下水调查监测领域的关键技术。如今，基于直接贯入技术（DPT）的注气微水试验（Pneumatic Slug Testing Analysis，STA）和圆锥贯穿压力计（Cone Permeameter）等Geoprobe配套设备使得快速获取水力传导系数成为可能。其中，注气微水试验装置包括钻杆适配器（Rod Adapter）、压力传感器（Transducer Port），多功能试验控制器（Slug Test Manifold）、信号收集器（Data Logger）和信号处理器（Laptop Computer with Slug Test AcquisitionSoftware）等关键部件，其工作原理是通过双套管（DT21）注入高压气体，使地下水位下降（相当抽出少量地下水进行微水试验），待地下水位达到稳定状态，突然释放气压，地下水位在大气压下缓缓恢复，其恢复过程与含水层水力传导系数密切相关，信号收集器连续采集恢复过程的地下水位变化数据，利用相应的数据处理软件，可以直接计算含水层水力传导系数。大量研究结果表明，通过STA方法所获取的K值与传统方法完全一致，但其所花费的时间和经费却是大大地节约了。值得一提的是，通过改变双套管DT21的位置，可以连续测试不同深度K值，这是传统方法所无法比拟的优势。圆锥贯穿压力计（Cone Permeameter）工作原理是注水试验，即通过传感器顶端开口以稳定流速注水，注水压力以注水口为中心呈球状分布，并与含水层水力传导系数密切相关，圆锥贯穿压力计注水口以上另有两个窗口，分别安装有压力传感器，通过两个压力传感器间距以及压力梯度可以计算含水层水利传导系数K值。需要指出的是，圆锥贯穿压力计必须与其他较昂贵的传感器联合使用（如EC传感器），并相互验证才能获得更可靠的参数。但它的优势也很明显，即不需要监测井的原位测试，是目前最快速的K值测试方法，可以进行不同深度测试。
6、剖面地质结构测量（Geotechnical Tools）
剖面地质结构蕴含着大量的地质环境信息，一直都是水文地质、环境地质和工程地质领域的重要研究内容，并通过各种传统的测试方法和现代的技术方法以获取地层结构信息，如含水层结构、第四系的形成与演化、软土层空间分布等等。传统的探槽或探坑方法，不仅耗时耗力，还因地质条件限制难以取得更大深度样品，很难大量的开展区域地质结构调查工作。如今，基于直接贯入技术的Geoprobe配套设备圆锥穿透测试系统（Cone PenetrationTesting，CPT）为大量开展区域地质调查提供可靠的技术方法。圆锥穿透测试系统（CPT）主要有无线CPT钻杆（CordlessCPT Probe）、螺形地锚（Screw Anchor）、地锚桥架（Foot Anchor Bridge）、麦克风装置（Microphone Mount）、CPT接口（CPT interface）和信号处理器（Laptop PC）等部件组成。圆锥穿透测试（CPT）是通过液压系统匀速钻进，在钻进过程，CPT钻杆所受的摩擦力和顶部阻力与顶部孔隙压力（均有各自传感器）大小与地层结构密切相关，压力信号在传感器输出端被转化为数字化音频信号，通过钻杆向地面传输，地面麦克风接收音频信号后，通过CPT接口输入信号处理器，并与标准剖面比较，自动转换为地质参数，并实时绘制出剖面地质结构图。如果测量深度超过50米，应该使用有线CPT方法，钻杆信号可以通过信号线输入计算机，而不需要麦克风信号接收装置。其他地质参数测试方法还有地震波CPT和集成标准贯穿测试方法的SPT自动液压锤。总体上，CPT技术方法具有方便、快捷、实时测试等优点，是大量开展地层结构调查的理想工具。
7、薄膜界面探测系统（Membrane Interface Probe，MIP）
随着工业化进程加速，土壤和地下水有机物污染问题日益严重，针对突发性污染事件，如化工厂爆炸泄露等污染事件，如何建立应急监测方案是（地质）环境监测部门必须面对的挑战。MIP则是快速监测地下有机污染风险的有效手段。MIP主要有薄膜节目钻头、载流气体管线、密闭室、加热系统和半透膜等部件组成。MIP工作时，钻头直接伸入到预定深度，通过加热系统把半透明与土壤界面加热到100-120℃，土壤或地下水中挥发性有机物经半透膜进入密闭室，并通过载气流管线进入气相色谱（或FID等检测器）进行现场测试。随着钻头深入，可以测试任意深度有机物含量。应该指出的是，MIP所提供的剖面有机物浓度是相对含量，定量测量需采集独立气体样品。
8、中空螺旋钻
为适应不同场地工作需要，小型钻进设备（Geoprobe）还提供中空螺旋钻（HAS）等螺旋钻头和钻杆，主要用于穿透硬质层（如水泥地，冻土层等），为进一步运用直接贯入钻进系统采集土壤、地下水样品或大口径监测井建设创造条件，进而拓展了该设备的适用条件。
三、设备优势与不足
以上分析结果表明，小型快速钻进设备（Geoprobe）不仅是普通钻机，更是功能强大的野外技术装备，非常适用于野外地质调查工作，是当今国际最先进的直接贯入式采样设备，尤其在土壤、地下水和土壤气体采样，预装监测井快速成井，剖面地质测量，水力传导系数测量，有机污染物快速调查等方面具有传统技术所无法比拟的优势。但并不意味着小型快速钻进设备（Geoprobe）可以代替传统技术方法，事实上，Geoprobe也存在诸多不足之处，例如钻进深度很大程度取决于地层结构，通常适用于平原区土壤、土壤气体和浅层地下水采样，其中土壤或土壤气体采样深度一般小于30米，浅层地下水采样深度一般小于100米；地下水采样量较少，难以满足需要大样品量的分析；尽管可以建立永久性监测井，多数情况下是一次性采样，难以满足长期监测需要；在地下水埋深较大地区难以采集到地下水样品等。