摘要
我国地下水污染已呈现从点状污染向带状和面状污染发展的态势，传统修复材料投放工艺粗糙、在含水介质中难扩散，且地下水存在分层、赋存状态多变，注入参数控制难度大，易导致各层水交叉污染等问题。针对这些问题，本文提出了集垂直/导向钻进、旋转喷射注入、微压压裂扩散、扩张封隔等一体的原位喷射注入工艺，研制了配套钻进—注入一体化钻具，总结了喷射注入过程中修复材料的运移和修复机制，为污染场地原位修复系统的设计奠定基础，为绿色精准修复提供参考。
污染场地指蕴含有毒、有害物质的区域，该区域的地下水、土壤、地表水和空气都被称为有毒、有害物质的承载体。目前，地下水作为我国水资源的重要组成部分，污染已十分严
从污染源、污染特征、保护目标和受体、修复模式以及涉及的管理部门等方面，我国土壤污染可分为4大主要类型：农田耕地土壤污染、企业生产场地土壤污染、矿山开采土壤污染和石油开采土壤污染。其中，企业生产场地多分布于城市周边，严重威胁城市居民身体健康，急需进行修复治理。与其他土壤污染类型相比，企业生产场地污染具有污染物浓度高、种类复杂、迁移深、空间扩散大的特点，传统的原位修复手段，如可渗透反应格栅修复、原位电动修复、建井循环修复、压裂注入修复等，已不能满足高效、精准修复的要
喷射注入技术的出现在一定程度上提高了污染场地修复的效率。喷射注入技术是将修复药剂以较高的速度喷射到地层中，具有切割和重构土体的作用，同时使修复药剂与污染物充分混合达到修复地层的目
针对直推式注入、改进的斜井、高压旋转喷射技术、水平介质反应井和水平定向钻孔原位修复技术存在的问
（1）修复井型设
（2）修复药剂投加技
（3）钻杆与井壁封隔技术。直推式注入静压注入，压力过大会导致地层破裂；高压旋转喷射技术因注入压力过大，会产生返浆，造成上覆地层二次污染，甚至造成工作人员暴露在污染环境中。此外，斜井、水平介质反应井和水平定向钻孔技术采用封隔器可维持筛管两端地层的稳定性，提高施工效率。因此，钻杆与井壁之间的封隔是原位修复技术的关键技术之一。
因此，提出了一种集垂直/导向钻进、旋转喷射注入、扩张封隔等为一体的多分支水平井原位修复工艺，并研发了配套的钻进和注入机具装备。该工艺较好地解决了精准定位、修复范围、混合效果、二次污染等协调难题，导向钻进可在较软地层和地面建筑下方地层中有效实现轨迹和位置的准确控制，有效保证注入修复精度；高压旋转喷射技术可获得较大的修复半径和混合搅拌效果；利用修复液压力实现地层有效封隔，防止不同地层交叉污染。此外，该工艺既可施工竖井修复点状、浅层污染羽，又可施工水平井修复带状/面状、深层污染羽。
原位修复水平钻进-喷射技术是需要先钻进一个主孔，根据需要修复的场地情况可设置多个分支井，钻进过程如
图1 钻进状态
在钻进过程中，井底钻具中的喷射节和封隔器也处于不工作状态，注药系统处于准备状态即不往内外钻杆环空注入修复药剂但处于运转状态混合药剂。在钻进水平井时，钻机桅杆调整到预定的入土角，然后沿着设计的轨迹进行钻进，由喷射-导向一体化钻机的外钻杆动力头和内钻杆动力头通过内外钻杆给井底钻具提供扭矩和压力。在进行入土直线段和水平段钻进时，内外钻杆同时转动，此时不造斜；当外钻杆固定到某一位置时，外钻杆不转，内钻杆转动，外钻杆随着内钻杆的钻进滑动，此时为增斜段，钻井的斜率会越来越大。在钻进时泥浆泵通过高压胶管和内钻杆水龙头连接，将泥浆池中泥浆以压力为1~2 MPa、流量为50~150 L/min压入内钻杆，然后通过从内钻杆中心孔直达井底，清洗钻头，从而使钻头正常钻进。此时，主孔与分支孔可视场地情况在钻到预定位置之后，回拖进行喷射。
如
图2 回拖喷射状态
当水平钻进到预定位置即喷射节已经到达待修复区域，即可开始喷射修复的工作，水平回拖喷射修复的工艺与垂直喷射状态相同，且由于注入短节长度为1.2 m，喷射高压水和修复药剂5 min左右，向上提钻杆1.2 m，每提钻杆1.2 m，就形成直径为6~8 m的圆柱形修复体，整个多分支水平井就形成了厚度6~8 m的面状修复区域。如果需要对该井进行监测，应在钻进时采用水平定向钻轨迹，将钻头钻出地表回拖检测管，回拖到待修复区域，再开始进行喷射修复工作。
图3 高速射流切割-低压注入原理
图4 喷射注入系统
水射流系统，液体通过柱塞泵排出到管道中，然后通过喷嘴喷射出来。由于柱塞泵曲柄连杆机构的特殊性，从柱塞泵中排出的液体会产生一定的脉动。这种脉动可以被气囊和其他结构削弱，但它永远不会消失。当柱塞泵产生的脉动流体进入喷嘴时，不同类型的喷嘴对脉冲射流的反应不同。因此，水射流的输送路径包括柱塞泵、管道和喷嘴3部分，喷嘴模型采用基于流体力学的伯努利方程。建立的柱塞泵和管道的模型分别为：
| (1) |
| (2) |
| ln | (3) |
修复药剂喷射淹没射流流场特性，速度分布可表示为：
| (4) |
可得射流沿轴线方向的流量为：
| (5) |
修复药剂射流经钻具与孔壁间隙之间的自由射流段后将与井壁发生碰撞，从而与土体发生作用。
图5 土体冲蚀破坏示意
（1）在调研直推式注入、改进的斜井、高压旋转喷射技术、水平介质反应井和水平定向钻孔原位修复技术的基础上，总结了原位修复技术应该包括的关键技术为修复井型设计、修复药剂投加技术、钻杆与井壁封隔技术。
（2）针对当前土壤和地下水中污染物空间分布复杂多变的特点，创新提出了垂直/导向钻进、旋转喷射注入、微压压裂扩散、扩张封隔等一体的多分支井原位注入工艺，可实现大范围污染地层的精准注入修复，有效降低修复成本。
（3）基于研发的注入工艺和机具，综述了地面注入装备—地下注入机具—污染地层中修复液传输扩散机制，为推动污染场地原位精准注入奠定了基础。
参考文献（References）
刘志阳.地下水污染修复技术综述［J］.环境与发展，2016，28（2）：1-4. [百度学术]
赵勇胜.地下水污染场地风险管理与修复技术筛选［J］.吉林大学学报（地球科学版），2012，42（5）：1426-1433. [百度学术]
陈梦舫.我国工业污染场地土壤与地下水重金属修复技术综述［J］.中国科学院院刊，2014，29（3）：327-335. [百度学术]
刘英莉，李艳，高红霞，等.某污灌区土壤有机污染物成分分析［J］.环境与职业医学，2008，25（2）：181-183. [百度学术]
贾小飞，崔颖，李勇.我国污染土壤修复研究现状分析［J］.科技创新与应用，2016（4）：147. [百度学术]
陈如海.污染液在地基土体中迁移及控制研究［D］.杭州：浙江大学，2011. [百度学术]
白秀佳，张红玉，王桂琴，等.填埋场陈腐垃圾综合利用研究进展［J］.环境工程，2018，36（12）：48-52. [百度学术]
武亚军，韩亚东，唐欣，等.污染土壤高压旋喷修复药剂迁移透明土实验及数值模拟［J］.同济大学学报（自然科学版），2020，48（5）：21-28. [百度学术]
宋刚练，牌卫卫，江建斌，等.应用于污染场地原位修复的旋喷工艺研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（7）：85-89. [百度学术]
韩慧慧.利用弱凝胶强化修复试剂在低渗透地层中的迁移研究［D］.长春：吉林大学，2019. [百度学术]
冯超，王瑜，王志乔，等.地下水原位修复材料钻进注入技术现状调研［C］//中国地质学会探矿工程专业委员会.第二十届全国探矿工程（岩土钻掘工程）学术交流年会论文集.北京：地质出版社，2019. [百度学术]
孔令镕.污染场地原位修复喷射注入机理及关键技术研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2022. [百度学术]
李静波.土壤及地下水原位注入修复技术［J］.中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2023，3：96-99. [百度学术]
王健华.土壤及地下水原位注入修复技术的研究［J］.环境科技，2022，35（2）：72-78. [百度学术]
黄俊杰.长平矿皮带运输大巷修复技术研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2014. [百度学术]
唐小龙，吴俊锋，王文超.有机污染土壤原位化学氧化药剂投加方式的综述［J］.中国环境科学，2015，35（8）：376-380. [百度学术]
冯超.污染场地双管导向钻进注入修复工艺研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2021. [百度学术]
