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歐美大地 原位測試
原位測試
聲波鉆機技術在巖土工程勘察與環境修復中的應用
發布時間:2020-05-06 瀏覽次數:27397 來源:歐美大地
一、項目背景:

        北京市市政四建設工程有限責任公司于2018年08月24日中標北京市政路橋集團有限公司發布的北京市政路橋集團有限公司北京路冠瀝青制品有限公司污染場地治理與修復項目。
中標項目規模:場地占地面積約44852.26㎡;污染土壤的最大修復深度為11m,最大修復面積約20184㎡,需要修復的污染土總量為208372.6m3;地下水的修復面積為24450㎡,修復體量為33423.7m3。
        北京路冠瀝青制品有限公司場地位于北京市平谷區馬昌營鎮官莊道口(東 200米路南),地塊總面積 44852.26m2。北側為順平路;西側為紫貴佳苑住宅區;南側綠地;東側為立京飼料廠。其產品主要是瀝青混凝土和乳化瀝青;原輔材料主要有砂石料(露天存放于南部的堆料區)、瀝青(儲罐存放)、礦粉(儲罐存放)及其他輔料。
評價場地所在區域第四系松散沉積物以粉土、黏性土、砂卵石交互沉積為主,厚度約為 350~400m。場地地面下約40m深度內分布的地下水可劃分為4層,第1 層地下水賦存于 7m 深度內的粉土層中,地下水類型屬潛水,水位埋深在 0.51~4.92m,潛水的總體流向為自西向東,水力坡度為 4.6‰;第2層地下水賦存于約8~10m 深度內的粉土層中,部分區域由于上部的相對隔水層缺失,與上層地下水合并為 1 層地下水;第3層地下水賦存于約 17m左右深度的砂類土層中;第 4層地下水賦存于約 25~32m 深度內的砂類土、卵石層中,地下水類型屬承壓水,該承壓水含水層在區域上有一定的供水意義。
        通過場地調查,北京路冠瀝青制品有限公司生產過程中所用的瀝青、礦粉等均通過封閉系統保存、輸送、使用;整個生產過程沒有生產用水,其生產的產品按照客戶的需求進行生產,生產后直接運送至客戶處,不在廠區內存放;停產前的大氣污染物排放量為:煙(粉)塵 0.968t/a,SO2 1.41t/a,NOx 0.99t/a;生活污水排放量約 2125 m3/a,化學需氧量(CODCr)0.53t/a、BOD5 0.32t/a、SS0.43t/a、氨氮 0.06t/a;固體廢物產生量為 18t/a,其中危險廢物 1.2t/a,一般固體廢物為 16.8t/a;現場調查未發現明顯的污染痕跡。
評價場地現有場地污染途徑主要是物料儲存、運輸、生產過程中的遺撒、泄漏及儲罐的泄漏,鍋爐廢氣排放,石煤場粉塵的大氣擴散、堆料區原回填廢物的經雨水淋濾后的下滲等。綜合場地水文地質條件分析、潛在污染成因分析等,場地內的土壤及地下水均可能受到污染,污染物類型包括揮發性有機物(VOCs,以苯系物為主)、半揮發性有機物(SVOCs,以多環芳烴為主)、總石油烴(C6-C9、 C10-C14、C15-C28、C29-C36)、重金屬(砷等)等,可能受污染的區域為:油罐及瀝青罐區、乳化車間、機油泵房、生產區、石料堆場(原廢物回填區)、煤堆場等所在區域。
經過調查,北京路冠瀝青混制品有限公司地塊所在場地局部土壤和地下水已經受到污染;在居住用地的開發建設前,需采取綠色、低成本、有效的措施對場地內受污染的土壤及地下水進行處理、控制。
        基于土壤修復過程中需要對現場土樣、石樣進行取樣,且要求取樣完成性高,效率快,無污染,兼顧土壤調查等,經過市場調研分析,北京市市政四建設工程有限責任公司于2019年1月24日簽訂合同采購聲波鉆機

二、產品介紹

1、概述
        聲波鉆進(sonic Drilling),又稱為回轉聲波鉆進或振動鉆進。它是利用高頻振動力、回轉力和壓力,三者結合在一起使鉆頭切入土層或軟巖,加深鉆孔,進行鉆探或其它鉆孔工程的一種新型鉆探技術方法。
        聲波鉆進的主要設備是振動頭,也就是振動器。振動頭能夠產生可以調節的高頻振動和低速回轉作用,再加上向下的壓力,使鉆柱和環形鉆頭不斷向巖土中推進。振動頭產生的振動頻率通常為50-185Hz,轉速100-200rpm。鉆柱的低速回轉保證能量和磨損平均分配到鉆頭的工作面上。當振動與鉆柱的自然諧振頻率疊合時,就會產生共振。此時鉆柱的作用就像飛輪或彈簧一樣,把極大的能量直接傳遞給鉆頭。高頻振動作用使鉆頭的切刃以切削、剪切、斷裂的方式排開其鉆進路徑上的物質,甚至還會引起周圍土粒液化,讓鉆進變得非常容易。另外,振動作用還把土粒從鉆具的側面移開,降低鉆具與孔壁的摩擦阻力,也大大提高了鉆進速度,在許多地層中鉆速高達30.5cm/min。

 

圖1 聲波鉆進基本原理圖

 

圖2:Eijkelkamp聲波鉆機 

 2、聲波鉆進的優點
聲波鉆進技術具有如下優點:
① 鉆進速度快。聲波鉆進是振動、回轉和加壓鉆進的有效結合,特別是振動作用使土粒排開和土壤液化,從而獲得較高的鉆進速度。一般情況下,聲波鉆進比常規回轉鉆進和螺旋鉆進快3-5倍。
② 巖土樣保真度好。聲波鉆進可在覆蓋層和軟基巖中采集直徑大、代表性強、保真度好的連續巖土樣。

 

圖3 聲波鉆進采集巖土芯樣 

③ 環境污染少。通常情況下,聲波鉆進不采用泥漿和其它洗孔介質,鉆進產生的廢物比常規鉆進少70%-80%。從而減少鉆進液對環境的污染。
④ 施工安全性好。聲波鉆進和取樣采用雙管系統,巖心管與外層套管單獨進行,提取巖心后立即將外套管跟進到先前取心的孔底,外套管能夠很好地保護孔壁,防止孔壁坍塌。同時還可隔離含水層,避免交叉污染。
⑤ 適應地層范圍廣。聲波鉆進方法可以在各種覆蓋層,如砂土、粉砂土、粘土、礫石、粗礫、漂礫、冰磧物、碎石堆、垃圾堆積物(包括木頭、鋼板、混凝土、瀝青等)和軟基巖,如砂巖、灰巖、頁巖、板巖等,有效采集連續巖心樣品。
⑥ 鉆進成本低。由于鉆進速度快,縮短了施工周期,降低了勞動力費用;鉆進產生的廢物少,減輕了現場清理費用。
 
3、聲波鉆進應用領域
         由于聲波鉆進上述優點,決定了聲波鉆進可應用于諸多鉆探領域,具體如下:
① 環境鉆探。環境鉆探往往在垃圾填埋場、軍事基地、油罐場、公共加油站、農藥堆放場、核廢物泄露區、工業廢液泄放和滲漏區等地進行。需要鉆進方法具有鉆進速度快、施工安全性好、適應地層范圍廣和能采集高保真樣品等特點,聲波鉆進技術無疑是環境鉆探最佳的選擇。
② 巖土工程勘察。聲波鉆進可在覆蓋層和軟基巖中采集直徑大、代表性強、保真度好的連續巖土樣。能夠準確確定地層厚度、巖土物性和成分以及污染物含量,為巖土工程勘察獲取準確的巖土力學性質、水文地質和地球化學信息等提供了理想的手段。
③ 礦產勘探。進行砂金礦床勘探時,聲波鉆進方法可非常成功地采集連續砂金礦樣,另外,在石油和天然氣地震勘探中,聲波鉆機是理想的地震勘探孔鉆探設備。
④ 水文水井鉆探。聲波鉆進打井速度快,判定含水層準確,雙管系統有利于過濾器安裝,鉆孔干凈可減少洗井時間和較少的流體廢物處理量。
⑤ 巖土工程施工。聲波鉆進可用于建立混凝土灌注樁、設置鋼樁、土釘、埋設錨樁、安放陽極、打水力壓裂孔、灌漿孔、錨索孔等。
 
4、國內外發展情況 
        在國外,聲波鉆進技術的研究始于二十世紀四十年代。
        1948年美國研制了一種稱為“聲鉆” 的孔底振動器,目的是提高鉆進速度,但由于振動能量過高導致孔底部件損壞而未能成功。與此同時蘇聯也研制了“VIRO-DRILLING”系統,該鉆進系統是一套地面振動器,靠振動作用鉆進土層,鉆進效率比常規回轉提高 3-20 倍,但也因巨大的振動能量使鉆進設備和鉆具失效而未能得到應用。
        60 年代美國殼牌石油公司制造出大功率的地面振動器,用于石油井服務工作,諸如套管起拔和油井修復等,另外還用于高速打樁。七十年代開始研究小功率振動器,較小振動功率(100Hp)振動器研制成果后,首先在北極地區結冰的湖底濕粘土和砂巖中,施工 50m 左右的石油和天然氣地震勘探孔;隨后用于砂金礦的連續取樣,取得了非常好的效果。
        80 年代后,環境保護日益受到全社會的重視,特別是美國,環境鉆探工作十分活躍,由于聲波鉆進速度快、巖心樣品保真度高、鉆進過程不會產生二次污染,因此聲波鉆進成為其環境鉆探不可缺少的手段。不久,聲波鉆進技術傳播到加拿大。早期聲波鉆機的振動頭沒有專門化,所用的鉆具為已有的標準鉆具,非專用鉆具,因此鉆機、鉆具的可靠性差,鉆具常因高頻振動而損壞。
        90 年代以后,經過一系列的改進和多方面的應用試驗,聲波鉆進技術才日趨成熟。鉆探工作量不斷增加,出現了許多聲波鉆進承包商,如荷蘭Eijkelkamp公司,美國的Boart Longyear公司環境鉆探部、Bowser-Morner公司、Prosonic 公司、加拿大的 sonic Drilling公司等。聲波鉆進設備制造商也較多,如美國的 Versa-Drill 國際公司、Acker Drill 公司、Gus Pech 制造公司、加拿大的Sonic Drill 公司、日本的利根公司等。目前,除美國外,聲波鉆進技術在加拿大、荷蘭、非洲、澳大利亞、圭亞那和亞洲等國家和地區得到應用。應用范圍包括地質勘探、水文水井鉆進、滑坡勘察與治理、地震爆破孔施工等幾乎所有的鉆探領域。
        在國內,聲波鉆進技術的研究和應用目前處于空白。
5,荷蘭Eijkelkamp公司聲波鉆機介紹

5.1,SmallRotoSonic小型聲波鉆機       型號:SRS-PL

主要性能描述:

  • 用于鉆探和覆蓋層取樣
  • 典型深度為30m
  • 小型的旋轉聲波鉆機
  • 有長沖程和短沖程可選

應用領域:

  • 環境鉆探與取樣
  • 巖土工程取樣與測試
  • 地震爆破井鉆探
  • 巖土施工鉆探 

5.2、SmallRotoSonic小型聲波鉆機    型號:SRS-ML

主要性能描述:

  • 用于鉆探和覆蓋層取樣
  • 典型深度為30m
  • 有長沖程和短沖程可選

應用領域:

  • 環境鉆探與取樣
  • 巖土工程取樣與測試
  • 地震爆破井鉆探
  • 巖土施工鉆探

 5.3、CompactRotoSonic緊湊型聲波鉆機         型號:CRS DUO

主要性能描述:

  • 用于鉆探和取樣
  • 客采取覆蓋層和硬層(卵石層和巖層)
  • 典型深度為60m
  • 基巖層可采用4速旋轉鉆頭

 應用領域:

  • 環境工程鉆探與取樣
  • 礦產開發
  • 巖土工程取樣和測試
  • 地震爆破井鉆探
  • 巖土施工鉆探
  • 地熱鉆探

 5.4、MidRotoSonic中型聲波鉆機       型號:MRS

主要性能描述:

  • 用于覆蓋層和硬層(卵石層和巖層)鉆進和取樣
  • 典型深度:125m
  • 可選擇4速旋轉鉆頭和金剛鉆鉆頭

 應用領域:

  • 環境工程鉆探與取樣
  • 礦產開發
  • 巖土工程取樣和測試
  • 地震爆破井鉆探
  • 巖土施工鉆探

 5.5、LargeRotoSoni大型聲波鉆機      型號:LRS DUO

主要性能描述:

  • 用于覆蓋層和硬層(卵石層和巖層)鉆進和取樣
  • 典型深度:200m

 應用領域:

  • 環境工程鉆探與取樣
  • 礦產開發
  • 巖土工程取樣和測試
  • 地震爆破井鉆探
  • 巖土施工鉆探
  • 地熱鉆探

 6. 聲波鉆機獨創的水鎖取樣

備注:1,閥門系統   2, 進水口   3,活塞    4,刃腳或環形鉆頭  5,水柱

        在鉆孔之前,水鎖(AquaLock)取樣器被充滿水(5), 這樣活塞(3)就被鎖定在刃腳的底部。當你振動將其向下推進,以及在刃腳及還未準備取樣之前, 水鎖(AquaLock)一直是空的。你可以通過鉆桿降低頂桿以解鎖活塞(3), 這樣就可打開水鎖頂部的閥門; 如此, 活塞就可以自由移動, 同時可得到不受擾動的試樣。
 
        取樣之后,彈簧頂管被移除,以允許閥門關閉, 這樣可以造成真空; 如此,在水鎖取樣器回收過程中就可以保持試樣。一旦被回收之后,你可以在活塞后面施加高壓水,以取出試樣。
 
7、安全不是昂貴的,而是無價的

  • 可進行完全無線電控制的操作
  • 只選用優秀品牌組件
  • 鉆井液泄壓閥
  • 鉆井時重量補償
  • 鉆井時懸浮功能
  • 懸浮三腳夾鉗
  • 可選雙路加載
  • 可選絞車用液壓可展開的,可搖擺的起重機臂
  • ManipAll (不需要手或者絞車來操作管子或者套管) 專利號. N2014409
  • 鉆頭的互鎖式護罩
  • 絕緣引擎蓋
  • 試運行前所有鉆機的現場測試
  • 現場培訓 

8,聲波鉆機的應用領域

 
 
 


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