CN105951708A

CN105951708A - 一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置及加固方法

Info

Publication number: CN105951708A
Application number: CN201610385198.9A
Authority: CN
Inventors: 杜延军; 周敏; 蒋宁俊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2016-09-21

Abstract

本发明公开了一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，该加固装置包括注水池、注水泵、一级注水导管、注水通管、二级注水导管、注水井、抽水井、二级抽水集水导管、抽水集水通管、一级抽水集水导管、抽水泵和贮水池；注水井和抽水井位于砂土地基中；注水池中盛有微生物加固液；注水池的出水口通过管路与注水泵的进水口连接，注水泵的出水口通过注水管道组件与注水井的进水口连接，抽水井的出水口通过抽水管道组件与抽水泵的进水口连接，抽水泵的出水口通过管路与贮水池的进水口连接。该加固方法能够有效提升砂土地基的强度稳定性，作业方便，对周围环境的影响小，效率高，能够大幅降低砂土地基加固处理的成本。

Description

一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置及加固方法

技术领域

本发明涉及一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置及加固方法。

背景技术

顶管施工拥有施工速度快、精度高以及成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线的施工铺设中。对于砂土地基中的顶管施工，由于砂土颗粒之间的孔隙较大，钻孔液不能够有效地在钻孔内壁形成起保护作用的滤饼层，使得钻孔极易发生坍塌，进而堵塞施工中的顶管。为了提高顶管施工中钻孔的强度稳定性，对于砂土地基进行加固处理是一种有效地技术手段。目前，对于砂土地基的加固方法主要有换填垫层法、振冲法、水泥土搅拌法以及水泥土粉煤灰碎石桩法，然而上述几种方法均对周围环境影响较大，且施工成本较高。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是：提供一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置及加固方法，该加固方法操作方便，对于周围环境的影响较小，且成本较低。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下的技术方案：

一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，该加固装置包括注水池、注水泵、一级注水导管、注水通管、二级注水导管、注水井、抽水井、二级抽水集水导管、抽水集水通管、一级抽水集水导管、抽水泵和贮水池；注水井和抽水井位于砂土地基中；注水池中盛有微生物加固液；注水池的出水口通过管路与注水泵的进水口连接，注水泵的出水口通过注水管道组件与注水井的进水口连接，抽水井的出水口通过抽水管道组件与抽水泵的进水口连接，抽水泵的出水口通过管路与贮水池的进水口连接。

作为优选例，所述的注水井和抽水井分别呈排设置，且每排注水井和每排抽水井交替布设。

作为优选例，所述的每排注水井中，相邻两个注水井的间距为4—5米；所述的每排抽水井中，相邻两个抽水井的间距为4—5米；相邻抽水井和抽水井的间距为4—5米。

作为优选例，所述的注水井底部和抽水井底部距砂土地基底部的距离为0.2—0.3 m。

作为优选例，所述的注水管道组件由注水管道单元组成，注水管道单元的数量与注水井的排数相等；每个注水管道单元包括一级注水导管、注水通管以及二级注水导管，一级注水导管的一端与注水泵的出水口连接，一级注水导管的另一端与注水通管的一端连接；注水通管相互平行，且位于注水井上方；二级注水导管位于注水通管的下方，二级注水导管的一端与注水通管连通，另一端位于注水井中。

作为优选例，所述的抽水管道组件由抽水管道单元组成，抽水管道单元的数量与抽水井的数量相等；每个抽水管道单元包括二级抽水集水导管、抽水集水通管和一级抽水集水导管，一级抽水集水导管的一端与抽水泵的进水口连接，一级抽水集水导管的另一端与抽水集水通管的一端连接；抽水集水通管相互平行，且位于抽水井上方；二级抽水集水导管位于抽水集水通管的下方，二级抽水集水导管的一端与抽水集水通管连通，另一端位于抽水井中。

作为优选例，所述的微生物加固液以水为溶媒并含有反硝化细菌、钙离子、硝酸根离子、有机物和供细菌生长的营养物质；其中，反硝化细菌的浓度为10⁹—10¹⁰个/L，钙离子和硝酸根离子的数量比为0.9—2.2:1，有机物的质量浓度为2—5 g/L，供细菌生长的营养物质的质量浓度为5—10 g/L，且加固液的PH值为7—7.5。

一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固方法，该方法包括以下步骤：先将微生物加固液加入注水池中，然后同时开启注水泵和抽水泵，产生水头差压力，使得微生物加固液通过管路流入注水井中，并进入砂土地基内部进行生物化学反应，同时将含有反应副产物的地下水从抽水井中抽离并排出；在砂土地基加固结束后，用现场施工开挖出来的砂土将注水井和抽水井填平。

作为优选例，所述的微生物加固液的体积用量为砂土地基中的孔隙体积的2—4倍。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例的用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置及加固方法，利用微生物加固液中的反硝化细菌的反硝化作用，在砂土地基内部产生碳酸钙结晶沉淀，对顶管施工的砂土地基进行预先加固处理，使得顶管施工中钻孔强度的稳定性得到提升，而不易发生坍塌。砂土地基中天然地含有大量的细菌微生物，本发明采用将反硝化细菌注入土体中的加固方法，不会像水泥土搅拌法以及水泥土粉煤灰碎石桩法那样释放大量的二氧化碳造成二次污染，而是一种天然的生物化学加固方法。本发明实施例的加固装置，安装方法简单、便利、施工周期短，相对于换填垫层法和振冲法等传统的地基加固方法，对于周围环境的影响较小，效率高，且成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例的结构平面示意图；

图2是本发明实施例的结构剖面示意图。

图中有：注水池1、注水泵2、一级注水导管3、注水通管4、二级注水导管5、注水井6、抽水井7、二级抽水集水导管8、抽水集水通管9、一级抽水集水导管10、抽水泵11、贮水池12、砂土地基13。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的说明。

本发明中所提及的注水井6和抽水井7应分别按照《QSY161-2007注水井作业施工规范》和《GJJ10-86供水管井设计施工及验收规范》进行施工作业。本发明中所提及的注水泵和抽水泵能提供的气压至少在0.5 MPa以上。

如图1所示，本发明实施例的一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，包括注水池1、注水泵2、一级注水导管3、注水通管4、二级注水导管5、注水井6、抽水井7、二级抽水集水导管8、抽水集水通管9、一级抽水集水导管10、抽水泵11和贮水池12。注水井6和抽水井7位于砂土地基13中。注水池1中盛有微生物加固液。注水池1的出水口通过管路与注水泵2的进水口连接，注水泵2的出水口通过注水管道组件与注水井6的进水口连接，抽水井7的出水口通过抽水管道组件与抽水泵11的进水口连接，抽水泵11的出水口通过管路与贮水池12的进水口连接。

作为优选例，所述的注水井6和抽水井7分别呈排设置，且每排注水井6和每排抽水井7交替布设。这样有利于从注水井6进入砂土地基13内部的微生物加固溶液在发生反应后，从抽水井7中排出。

作为优选例，所述的每排注水井6中，相邻两个注水井6的间距为4—5米；所述的每排抽水井7中，相邻两个抽水井7的间距为4—5米；相邻抽水井6和抽水井7的间距为4—5米。每个抽水井和注水井的工作半径为4—5米，可以满足整个砂土地基范围内的加固需要。如果间距太大，则不能够有效地加固砂土地基；如果间距太小，会增加施工成本。

作为优选例，所述的注水井6底部和抽水井7底部距砂土地基13底部的距离为0.2—0.3 m。加固液从注水井底部进入砂土地基后，其渗流路径可以到达距地基底部0.2—0.3 m处的位置，可以满足砂土底部范围内的加固要求。如果此距离太大，则不能够有效地加固砂土地基底部；如果距离太小，会增加施工成本。作为优选，所述的注水井6和抽水井7的直径均为0.3-0.4 m。当然，在工程中，可以按照实际情况划定注水井6和排水井7的间距和直径。

在上述实施例中，所述的注水管道组件由注水管道单元组成，注水管道单元的数量与注水井6的排数相等。每个注水管道单元包括一级注水导管3、注水通管4以及二级注水导管5，一级注水导管3的一端与注水泵2的出水口连接，一级注水导管3的另一端与注水通管4的一端连接。注水通管4相互平行，且位于注水井6上方。二级注水导管5位于注水通管4的下方，二级注水导管5的一端与注水通管4连通，另一端位于注水井6中。通过设置注水管道单元，将位于注水池1中的微生物加固液引流到注水井6中。

在上述实施例中，所述的抽水管道组件由抽水管道单元组成，抽水管道单元的数量与抽水井7的数量相等；每个抽水管道单元包括二级抽水集水导管8、抽水集水通管9和一级抽水集水导管10，一级抽水集水导管10的一端与抽水泵11的进水口连接，一级抽水集水导管10的另一端与抽水集水通管9的一端连接；抽水集水通管9相互平行，且位于抽水井7上方；二级抽水集水导管8位于抽水集水通管9的下方，二级抽水集水导管8的一端与抽水集水通管9连通，另一端位于抽水井7中。通过设置抽水管道单元，将含有微生物加固液在砂土中反应后产生的反应副产物的地下水，从抽水井7中抽离并排出。

在上述实施例中，所述的微生物加固液以水为溶媒并含有反硝化细菌、钙离子、硝酸根离子、有机物和供细菌生长的营养物质；其中，反硝化细菌的浓度为10⁹—10¹⁰个/L，钙离子和硝酸根离子的数量比为0.9—2.2:1，有机物的质量浓度为2—5 g/L，供细菌生长的营养物质的质量浓度为5—10 g/L，且加固液的PH值为7—7.5。作为优选，反硝化细菌为反硝化杆菌、斯氏杆菌或者萤气极毛杆菌。钙离子和硝酸根离子均来自可溶性钙盐硝酸钙。有机物为乙醇、醋酸盐或者葡萄糖。供细菌生长的营养物质选自牛肉浸膏3-6 g/L、蛋白胨4-8 g/L或者5-10 g/L酵母膏的一种或几种。

利用上述的加固装置对土体进行加固的方法，包括以下步骤：先将微生物加固液加入注水池1中，然后同时开启注水泵2和抽水泵11，产生水头差压力，使得微生物加固液通过管路流入注水井6中，并进入砂土地基13内部进行生物化学反应，同时将含有反应副产物的地下水从抽水井7中抽离并排出；在砂土地基13加固结束后，用现场施工开挖出来的砂土将注水井6和抽水井7填平。

在上述加固方法进行之前，先制备微生物加固液。具体包括：先将反硝化细菌按常规方法培养后备用；然后在每升去离子水中加入1.2 mol的硝酸钙、3 g的乙醇以及2 g的牛肉浸膏，溶解均匀，形成混合溶液；最后将反硝化细菌按照浓度为10⁹-10¹⁰个/L加入混合溶液中，得到微生物加固液。

反硝化细菌按常规方法培养，具体包括：先制备培养基，基础培养基的制作方法为：向1000 mL去离子水中加入NaNO₃ 2 g，葡萄糖1.2 g和KH₂PO₄ 0.5g，再用碱性缓冲液调节pH在7.0-7.5，温度为25℃；然后进行细菌培养，取1000 mL活性污泥和1000 mL的培养基加入到2.5 L的培养容器中，用移液枪加入250 mL的菌种。将培养容器放置于磁力搅拌器上，在厌氧条件下，控制温度25℃，pH在7.0-7.5范围内，转速500r /min，进行培养。每2天将活性污泥静置12h后弃去500 mL上清液，500 mL去离子水，并补加葡萄糖和硝酸钠。

在上述方法中，所述的微生物加固液的体积用量为砂土地基13中的孔隙体积的2—4倍。微生物加固液的体积用量过多时，造成加固成本的上升。微生物加固液的体积用量过少时，不能满足砂土地基的加固要求。本优选例中，微生物加固液的体积用量为砂土地基13中的孔隙体积的2—4倍。这样，微生物加固液在砂土中反应后，能够较好的填充砂土地基13中的孔隙，同时能够控制微生物加固溶液的使用量，进而控制成本。

在上述方法中，将微生物加固溶液加入到注入池1中，然后利用注水泵2使得加固溶液通过一级注水导管3、注水通管4和二级注水导管5进入注水井6中。微生物加固溶液通过注水井6进入砂土地基13的孔隙中，与孔隙通道的内壁接触并发生生物化学反应，产生碳酸钙结晶沉降，在土颗粒之间形成搭桥，从而对土体颗粒形成了胶结和孔隙填充的作用。加固机理为：

C₂H₅OH+Ca(NO₃)₂ N₂ +CaCO₃ +H₂O+Ca(OH)₂

在抽水泵11的作用下，含有反应副产物的砂土地基13中的地下水从抽水井7中排出，依次通过二级抽水集水导管8、抽水集水通管9、一级抽水集水导管10，最后汇集到贮水池12中，并同时检测抽取出的地下水的电导率和铵离子浓度。如果这两个指标的数值均恢复到了加固处理砂土地基13之前的水平，则抽水停止。

上述加固方法的一具体实例：

第一步：平整场地；对待加固的砂土地基13表面进行场地平整，去除施工范围内的植物、碎石以及废物垃圾。

第二步：在砂土地基的表面，预先标记注水井6和抽水井7施工位置，然后按照《QSY161-2007注水井作业施工规范》和《GJJ10-86供水管井设计施工及验收规范》对注水井6和抽水井7分别进行施工作业。

第三步：将注水井6通过二级注水导管5、注水通管4以及一级注水导管3与注水泵2连接；将抽水井7通过二级抽水集水导管8、抽水集水通管9和一级抽水集水导管10与空泵11连接。

第四步：将注水泵2连接在注水池1与一级注水导管3之间，将抽水泵11连接在贮水池12与一级抽水集水导管10之间；向注水池1中加入微生物加固液，然后同时开启注水泵2和抽水泵11，使得加固液进入砂土地基13内部。

第五布：在砂土地基13加固结束后，将地表上的加固设备拆除，并用现场施工开挖出来的砂土将注水井和抽水井填平。

通过上述对砂土地基的加固方法，对顶管施工的砂土地基预先进行微生物原位抽注加固处理，使得顶管施工中的钻孔强度稳定性提高，而不易发生坍塌。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，其特征在于，该加固装置包括注水池（1）、注水泵（2）、一级注水导管（3）、注水通管（4）、二级注水导管（5）、注水井（6）、抽水井（7）、二级抽水集水导管（8）、抽水集水通管（9）、一级抽水集水导管（10）、抽水泵（11）和贮水池（12）；注水井（6）和抽水井（7）位于砂土地基（13）中；注水池（1）中盛有微生物加固液；

注水池（1）的出水口通过管路与注水泵（2）的进水口连接，注水泵（2）的出水口通过注水管道组件与注水井（6）的进水口连接，抽水井（7）的出水口通过抽水管道组件与抽水泵（11）的进水口连接，抽水泵（11）的出水口通过管路与贮水池（12）的进水口连接。

2.按照权利要求1所述的用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，其特征在于，所述的注水井（6）和抽水井（7）分别呈排设置，且每排注水井（6）和每排抽水井（7）交替布设。

3.按照权利要求2所述的用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，其特征在于，所述的每排注水井（6）中，相邻两个注水井（6）的间距为4—5米；所述的每排抽水井（7）中，相邻两个抽水井（7）的间距为4—5米；相邻抽水井（6）和抽水井（7）的间距为4—5米。

4.按照权利要求3所述的用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，其特征在于，所述的注水井（6）底部和抽水井（7）底部距砂土地基（13）底部的距离为0.2—0.3 m。

5.按照权利要求2所述的用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，其特征在于，所述的注水管道组件由注水管道单元组成，注水管道单元的数量与注水井（6）的排数相等；每个注水管道单元包括一级注水导管（3）、注水通管（4）以及二级注水导管（5），一级注水导管（3）的一端与注水泵（2）的出水口连接，一级注水导管（3）的另一端与注水通管（4）的一端连接；注水通管（4）相互平行，且位于注水井（6）上方；二级注水导管（5）位于注水通管（4）的下方，二级注水导管（5）的一端与注水通管（4）连通，另一端位于注水井（6）中。

6.按照权利要求5所述的用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，其特征在于，所述的抽水管道组件由抽水管道单元组成，抽水管道单元的数量与抽水井（7）的数量相等；每个抽水管道单元包括二级抽水集水导管（8）、抽水集水通管（9）和一级抽水集水导管（10），一级抽水集水导管（10）的一端与抽水泵（11）的进水口连接，一级抽水集水导管（10）的另一端与抽水集水通管（9）的一端连接；抽水集水通管（9）相互平行，且位于抽水井（7）上方；二级抽水集水导管（8）位于抽水集水通管（9）的下方，二级抽水集水导管（8）的一端与抽水集水通管（9）连通，另一端位于抽水井（7）中。

7.按照权利要求1所述的用于砂土地基中顶管施工的土体加固装置，其特征在于，所述的微生物加固液以水为溶媒并含有反硝化细菌、钙离子、硝酸根离子、有机物和供细菌生长的营养物质；其中，反硝化细菌的浓度为10⁹—10¹⁰个/L，钙离子和硝酸根离子的数量比为0.9—2.2:1，有机物的质量浓度为2—5 g/L，供细菌生长的营养物质的质量浓度为5—10 g/L，且加固液的PH值为7—7.5。

8.一种用于砂土地基中顶管施工的土体加固方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：先将微生物加固液加入注水池（1）中，然后同时开启注水泵（2）和抽水泵（11），产生水头差压力，使得微生物加固液通过管路流入注水井（6）中，并进入砂土地基（13）内部进行生物化学反应，同时将含有反应副产物的地下水从抽水井（7）中抽离并排出；在砂土地基（13）加固结束后，用现场施工开挖出来的砂土将注水井（6）和抽水井（7）填平。

9.按照权利要求8所述的用于砂土地基中顶管施工的土体加固方法，其特征在于，所述的微生物加固液的体积用量为砂土地基（13）中的孔隙体积的2—4倍。