摘要：環境質量同生活品質密切相關，環境鉆機在環境質量檢測中扮演著不可或缺的角色。本文綜述了直推式、聲頻振動式和回轉式環境取樣鉆機的工作原理及發展歷程，總結了國內外鉆機在智能化、結構緊湊程度和外觀造型上的差距，提出了環境取樣鉆機的關鍵能力，包括移動能力、鉆進能力和樣品保真能力，指出了環境取樣鉆機將朝著動力采用清潔能源、自動分析樣品和適應多種場合的方向發展。
關鍵詞：環境檢測；取樣鉆機；關鍵技術；發展趨勢
0 引言
自工業革命以來，人類社會文明的發展進程急速變化，人們在享受工業革命帶來的豐碩果實的同時，生態環境卻遭受到了破壞，而隨著社會的發展，人們不僅對物質文化生活提出了更高的要求，對環境等方面的要求也越來越高[1]，因此，通過進行環境取樣來測定環境中物理化學和生態系統各指標，以確定環境污染狀況或環境質量的高低顯得尤為重要[2]。
環境取樣通常包括水體取樣[3-5]、氣體取樣[6-8]和土壤或地質取樣[9-11]，在環境地質取樣中，主要有直推式取樣、聲頻振動取樣和回轉取樣，環境取樣鉆機通常具有鉆探成本低、取心率高、鉆進速度快、對樣品無擾動及對土壤無污染的特點[12-15]。本文綜述了環境取樣鉆機的發展歷程，通過對國內外鉆機的比較得出，國外鉆機通常具有模塊化和智能化程度高、結構緊湊、造型美觀的特點，但同時價格昂貴，國內鉆機也正朝著這幾個方向發展，提出環境取樣鉆機的關鍵技術包括移動能力、鉆進能力和樣品保真能力3個方面，認為環境取樣鉆機將朝著采用清潔能源動力、自動分析樣品和適應多種場合的方向發展。
1 直推式取樣鉆機
1.1直推式取樣鉆機的工作原理
直推式取樣鉆機通常由導軌、給進油缸、振動沖擊器、馬達和變速箱等組成，其鉆進方法包括推鉆、錘擊或振動推進鉆頭3種，工作原理是在鉆進過程中，遇阻力較小的時候給進油缸產生靜壓力推動變速箱沿導軌向下運動，帶動取樣裝置無回轉地進入地層中，阻力較大或者無法靜壓進尺的時候，振動沖擊器產生沖擊力，配合靜壓入土的方式快速鉆進成孔并取樣，直推鉆機在取樣過程中不需要沖洗液，確保所得到的樣品不被交叉污染，能最大程度保證土樣的原狀特性[16-17]。
1.2直推式靜壓取樣鉆機的發展
直推技術起源于20世紀20年代的荷蘭，當時荷蘭人在進行收集巖土和水文地質數據及土壤和地下水樣品的時候，直接將錐形取樣或測量裝置推入地下；到20世紀90年代，隨著國外的環境鉆探項目日益增多，為快速高效地獲得高質量原狀土樣品，美國Geoprobe公司率先在鉆機中應用了直推技術，在首次應用中鉆進速度明顯超過普通回轉鉆機，目前該公司生產的Model7800型直推式靜壓取樣鉆機（見圖1），具有直推和聲頻振動鉆進功能且車載方式使其具有在野外能快速往返于不同取樣地點的特點[18-19]。
圖1 Model7800型鉆機
Fig.1 Model7800 drill rig
除了Geoprobe公司之外，美國的PowerProbe公司研發了VTR系列直推式靜壓鉆機，其9520VTR型鉆機具有動力強、燃油效率高、環保且能自動調整支架的特點；西班牙TEOP.S.A公司研制的TEC12型鉆機模塊化程度高，同時擁有旋轉頭和錘擊頭的設計使其既能進行勘探取樣又能進行標準貫入實驗，三類靜壓鉆機的技術參數見表1。
表1 國外直推式鉆機技術參數
Table 1 Technical parameters of foreign direct push drill
我國在進入21世紀之后，原建設在城市內部的工業園區外遷趨勢加快，原有場地轉變為商業或居民用地，對這些場地的污染狀況調查引發了國產環境鉆機研制熱潮，此時，國外的直接推進鉆探技術進入中國，經過十幾年發展，國內某直推式鉆機專業生產廠家自主研制并量產了智能化土壤地下水環境取樣修復一體機，自主研發的自適應負載匹配液壓系統，能夠根據負載反饋提供所需的液壓壓力和流量，使得直推式鉆機（見圖2）同時具備動力足、能耗小、效率高、壽命長的特點。一款設計合理，性能穩定的直推式鉆機應滿足國內土壤環境調查日益嚴格的技術要求以及業務增長需求；適應國內各地區多樣且復雜地質條件；保證在復雜污染物場地調查中土壤地下水樣品的原狀性；確保在惡劣現場調查環境下鉆機的可靠性和安全性；同時具備強大的功能擴展性，包括地下水監測井建設、高分辨率原位檢測調查、原位直推注射修復等。具體來說應包括以下方面：
圖2 國內某直推式鉆機專業生產廠家自主研發的量產直推式鉆機
Fig.2 homemade direct push drill by inland professional factory
（1）整機結構設計應合理緊湊，發動機、液壓泵、液壓馬達、動力頭等關鍵元件除性能可靠、質量過硬外，更需有匹配的液壓調節及油路系統，保證鉆機整體各元件協調工作。鉆機應具備自適應負載匹配液壓系統，根據負載反饋提供所需的液壓壓力和流量，在車輛輕載或無操作條件下，系統壓力自動降低，大大減少液壓油發熱量及發動機負載；在較高的環境溫度下運行并執行高占空比操作（例如取土，建井等單一動作）時，調節系統的壓力、流量與負載一致，這將會大量節約燃料，同時減少液壓系統元件磨損，延長使用壽命。
（2）應能適應惡劣的場地工作條件，鉆機應前后重量分布、重心位置應合理，配以定制工程機械底盤及液壓系統提供的動力，爬坡角度應至少達到30°，應具備良好的通過性以適應部分斜坡、軟土、建筑垃圾等復雜場地作業的需要。同時鉆機工作裝置應可進行前后、左右、仰俯、鐘擺等動作調節，提高作業點位的可達性，同時可根據作業點實際情況進行微調保證垂向取樣作業。
（3）應具有較強地層的適應性，能在沉積層、砂層、卵石層及堅硬地層鉆探采樣。這要求直推式鉆機除具備強大動力外，需要配套多樣的鉆探動力頭及相應的鉆具和鉆探工藝，在不同地層中達到合格的巖心采取率。鉆探動力頭應配備沖擊動力頭和回轉動力頭。鉆探工具應配備2.25in單套管、3.25in雙套管土壤取樣鉆具用于常規沉積性地層土壤取樣（通常取樣深度最大應達到30m），配備4.25in螺旋鉆用于地下水監測井建設，配備3.25inch雙套管活塞式取樣鉆具用于砂層（細砂、中砂）取樣，配備4.25in螺旋驅動直推取樣工具用于卵石層取樣，配備金剛石鉆頭及鉆具用于鉆探堅硬巖層及取樣，配備高強度合金鉆頭用于混凝土的破碎。同時還應需注意鉆機配套鉆具的質量和重量，鉆桿應采用粗螺牙，每個連接頭約7-8牙左右，在保證緊固的同時，也方便快速輕巧的拆裝，鉆頭應采用高強度合金切削鉆頭。鉆具通常長度為1.5m，質量應不超過10kg以方便現場操作。
（4）應采用智能自動化設計和物聯網技術，包括：
①GPS定位導航系統、現場實施監控系統、物聯網遠程管理及控制系統，準確記錄鉆機每日工作路線、工作量和工作現場情況，并可遠程實時查看現場工作情況并指導作業，具有遠程布置工作任務和控制鉆機的功能；
②智能化儀表現場及遠程實時查詢監控發動機轉速、油溫、水溫，工作時長數等關鍵參數，并具有關鍵參數故智能診斷與報警功能，保證施工安全和設備的正常工作；
③采用自動化負載敏感系統，液壓泵可滿足多個回路的壓力-流量需求，不存在溢流、節流、減壓的損失，真正達到“按需供給”。整個系統功率損失小，效率及燃油經濟性高，系統發熱量低,。
（5）應具有強大的拓展性，應能實施傳統場地調查采樣、高分辨率場地原位檢測調查、直推式原位注射功能，應是集土壤、地下水土壤氣調查與修復的一體化智能裝備，如圖3。因此合適的直推式鉆機應匹配以下功能：
①針對場地調查施工實操流程，鉆機配備的后置工具托架、側向工作平臺、側向鉆具托架以及隨機清洗裝置等輔助功能，為現場鉆探工作提供移動式平臺；
②基于污染場地直推式注射修復功能，鉆機在設備后端預留有液壓快插備用借口，并通過對原位直推注射系統中注射泵和注射鉆頭鉆具的配套研發，實現以直推鉆機-注射設備-注射鉆具對應相匹配的全套原位直推注射系統，提供最高20Mpa的注射壓力，同時可進行自上而下和自下而上的注射工藝；
③合適的直推式鉆機應匹配原位高分辨率檢測調查（MIP、LIF、OIP、HPT等）的需求，包括提供穩定的鉆探速度、配套的鉆桿保持架、配套的鉆桿及配件等。
④合適的直推式鉆機應能進行土壤氣檢測井建設、預裝井建設及地下水快速取水工作。
國內某直推式鉆機專業生產廠家量產的履帶式直推式鉆機（見圖3）參數如表2：
表2 國內某直推式鉆機專業生產廠家量產的鉆機參數
Table 2 Technical parameters of homemade direct push drill
圖3 污染場地精準調查與決策處置工作站
Fig.3 Accurate survey and decision disposal workstation of contaminated site
2 聲頻振動取樣鉆機
2.1聲頻振動取樣鉆機的工作原理
聲頻振動鉆機主要包括振動頭、液壓系統、動力系統、行走底盤和桅桿五大部分，它的工作原理是通過聲頻振動頭上兩個對稱分布的偏心軸或偏心塊相向轉動使軸向力疊加，水平力抵消，疊加的軸向力能通過鉆桿傳遞給周圍土體，通過調節偏心軸或偏心塊的轉動頻率能使其同鉆桿產生共振，產生駐波，駐波的巨大能量也傳遞給周圍土體，從而擠開或液化周圍土體實現高速鉆進[21-23](參見圖4)。
圖4 聲頻振動鉆機原理圖
Fig.4 Working diagram of audio vibration drill rig
2.2聲頻振動取樣鉆機的發展
聲頻振動鉆機又稱聲波鉆機，因其振動頻率在50~200Hz的人耳能感受到的頻率區間而得名。聲頻鉆進理論最早是由羅馬尼亞工程師George Constantinesco提出，1930年，另一位羅馬尼亞工程師Ion Basgan介紹了將高頻振動應用在傳統鉆進技術的理論，加快了聲頻鉆進技術的發展；20世紀60年代，美蘇兩國相繼研發了適用于孔底或只依靠振動不具備回轉功能的振動器，雖然鉆進速度快，但巨大的振動能量總能造成結構損壞，因此，實驗以失敗告終； 70年代之后，美國的 Ray Roussy和他的助手設計了一種低頻振動鉆機并在油田、砂土地層和冰凍層實驗成功，后來陸續有其他國家和公司對聲頻鉆機進行研究，使得聲頻鉆機迅速發展；90年代之后，聲頻振動鉆機已經得到了充分的發展。由于聲頻振動鉆機在鉆探過程中不需要水或其他鉆井液，對周圍環境不會產生污染，各個國家相繼將聲頻振動鉆機應用在環境鉆探中，目前英國Ecoprobe、荷蘭Eijkelkamp、美國BoartLongyear、加拿大Sonic Drill和日本ToneBoring等公司都有自己的聲頻振動鉆機[24-27]，技術參數見表3。
表3國外聲頻振動鉆機參數
Table 3 Technical parameters of foreign audio vibration drill rig
中國在21世紀初引入聲頻振動鉆機之后在吸收國外先進經驗的同時，對鉆進機理等進行深入研究，采用虛擬樣機技術設計并模擬鉆進過程，現在中國地質大學（北京）、中國煤炭地質總局第二勘探局、北京探礦工程研究所及無錫金帆鉆鑿設備股份有限公司相繼研發出自己的聲頻振動鉆機[28-31]，技術參數見表4。
表4國內聲頻振動鉆機參數
Table 4 Technical parameters of domestic audio vibration drill rig
聲頻振動鉆機進入我國較晚，雖然國內研制該類型鉆機的廠家已經較多，但是產品性能以及減振措施等關鍵技術同國外鉆機差距較大，在加大研發力度的同時同國外企業開展技術交流顯得很有必要。
3 回轉取樣鉆機
3.1回轉取樣鉆機的工作原理
環境取樣過程中所用到的回轉鉆機具有輕便、易操作型的特點，通常有兩種類型（見圖5）：（1）自行走鉆機，即可通過控制鉆機自身安裝的系統使鉆機移動，該類鉆機通常由柴油機/汽油機、桅桿、卷揚機和動力頭組成；（2）背包鉆機，主要由主機、鉆具和鉆桿組成。兩種回轉鉆機的工作原理是鉆桿和動力頭或主機相連，動力頭或主機帶動鉆桿回轉并加壓，沖洗液通過鉆桿內部流入孔底，冷卻鉆頭，并攜帶巖屑從鉆桿外壁和鉆孔間隙之間返回到地面[32-34]。
圖5 回轉鉆機
Fig.5 Rotary drill rig
3.2回轉取樣鉆機的發展
(1)自行走式鉆機，西方國家在20世紀70年代為方便在偏遠地區鉆探施工，開始研制輕便化的鉆探設備，到90年代，美國Mobile drilling公司研制的Minuteman鉆機、Acker Drill公司研制的KODIAK及加拿大EGR公司的EP600型鉆機均具有整體結構簡單緊湊，能夠在空間狹小的地方進行取心作業并快速移動的特點，且機械化接卸鉆桿的方式，大大縮短了鉆進過程的輔助時間[35-37]，三類鉆機的技術參數見表5。
表5 國外自行走式鉆機技術參數
Table 5 Technical parameters of foreign automatic walking drill rig
中國在20世紀70年代生產的“爭光”系列鉆機開創了我國輕便鉆機的先河，80年代無錫探礦機械總廠研制的G系列輕型鉆機在當時廣受歡迎，隨后在90年代進行的國土資源大調查中多家企業和科研院所自主研制了多種輕便鉆機，這些鉆機技術參數上雖有差異(見表6)，但結構上相似度卻很高。
表6 國內自行走式鉆機技術參數
Table 6 Technical parameters of domestic automatic walking drill rig
（2）背包鉆機，背包鉆機最早是由美國紹爾公司為進行礦物考察、油田勘測等地質研究者打造的一種輕型鉆機，包括動力機、回轉器和手持壓力桶等部件，現也經常用于環境取樣鉆進中。由于背包鉆機具有重量輕、可由單人攜帶和使用方便等特點，深受鉆探工作者的喜愛，因此自問世以來迅速發展，目前，國外常見的背包鉆機為澳大利亞科力公司研發的SD-1型單人手持式土壤取樣鉆機和德國高茲研制的WD-H型手持巖心取樣鉆機[38-40]，技術參數見表7。
表7 國外背包鉆機技術參數
Table 7 Technical parameters of foreign knapsack type drill rig
鑒于進口的背包鉆機價格昂貴，且不能滿足我國復雜地層的取樣需求，因此，研制適合我國地質工作者們使用的背包鉆機顯得十分必要。經過近幾年的發展，北京探礦工程研究所、濟寧恒旺集團、山東巨匠機械集團有限公司、唐山凱地勘探設備制造有限公司和新泰宏豐地質鉆探工程有限公司相繼研發了自己的背包鉆機[41-43]，技術參數見表8。
表8 國內背包鉆機技術參數
Table 8 Technical parameters of domestic knapsack type drill rig
通過對環境取樣過程中常用鉆機的綜述，可以得出，國外鉆機無論是在智能化、模塊化還是結構及外觀方面都擁有成熟的技術，但是，國外鉆機價格昂貴，國內鉆機需在技術上趕超國外鉆機的同時，可充分發揮價格和售后服務的優勢來開辟市場。
4 關鍵技術和發展趨勢
4.1環境取樣鉆機的關鍵技術
環境取樣主要是通過對原狀樣品進行分析測試得出該地區的環境污染狀況，通常施工環境復雜多樣，且采樣點數目繁多，環境取樣鉆機是集智能化、模塊化、輕便化于一體的技術集成，其關鍵技術主要包括以下幾個方面：
（1）移動能力：由于取樣環境或取樣數目的不確定性，對環境取樣鉆機的移動能力有較高的要求，在野外地形復雜或取樣數目較多的時候，為節省時間提高效率，要求鉆機能快速移動到不同取樣點，這種情況下就需要具有較大結構和質量的直推式取樣鉆機同時具有穩定性較好的履帶和能快速移動的輪式移動機構，或者易于輪式越野車輛搬運。
（2）鉆進能力：鉆機的最終用途是用來鉆取樣品，復雜的野外環境使便于攜帶的輕便鉆機廣受歡迎，但輕便性造成動力裝置小型化，隨著鉆進深度的增加或遇到堅硬地層的時候，阻力越來越大，沒有充足的動力將會出現鉆進乏力、效率低下等問題，在保證二者兼備的情況下，提高鉆進能力將具有重要意義。
（3）樣品保真能力：樣品的保真主要指對樣品的結構和成分的保真，由于樣品本身包含較多的夾雜物，為了解樣品中所包含的內容，在鉆進過程中，需要避免樣品受到沖洗液的二次污染，或者鉆具對樣品產生擾動，因此，結合化學、材料和力學等學科對所研究樣品不會產生污染的沖洗液和鉆具需要被研發。
4.2環境取樣鉆機的發展趨勢
綜述國內外的環境鉆機可以得出，環境鉆機通常具有小型輕便、無泥漿、多功能的特點，但也有需要進一步完善的地方，例如大部分鉆機還是采用內燃機驅動，而在采樣分析過程中還需要花費大量時間在實驗室進行分析，另外，雖然多功能環境鉆機具有能夠進行淺層地表取樣以用于分析污染情況、地質勘察、淺層礦產資源勘探及淺井槽探工程等能力，但是適用場地還是比較單一，因此，隨著社會的進一步發展，環境鉆機將有以下幾個方面的發展趨勢：
（1）動力等采用清潔能源：目前，風能、太陽能等清潔能源技術已經非常成熟，鉆探工作在野外作業時采用內燃機驅動鉆機時，需要另外攜帶燃油增加了工作負擔，而自帶太陽能芯片或扇葉的鉆機能在一定程度上緩解或滿足自身的需求，并減少對環境的污染。
（2）自動分析樣品：微型計算機技術在現在社會中已經得到了普遍應用，結合材料工程和編程技術，通過研發新型感應鉆桿鉆具，在鉆進過程中將地層或其他信息實時顯示在鉆機上的微型計算機上面，能迅速了解地層土壤的污染情況。
（3）適應多種場合：由于現在的鉆機適用場合很單一，而環境鉆探的場合包括陸地、水面等，因此結合造船、兩棲技術在現在鉆機的基礎上增加漂浮裝置等，研制用于水體或淤泥取樣的鉆具，使原來的陸用鉆機能在湖泊沼澤灘涂等地使用，拓展鉆機的應用范圍，從而節省成本。
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