CN112609664B - 一种固化/氧化污染土的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固化/氧化污染土的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置及方法。该装置包括搅拌轴、立体搅拌头、输浆总管、输浆支管、喷浆嘴、螺旋叶片和钻头。该装置采用全方位多孔喷浆和双向立体搅拌协同的方式，双向立体搅拌头极大的提高了切削和翻搅的能力，使药剂浆液在适宜搅拌转速和旋喷喷射压力下在土体中充分扩散，提升药剂与土体拌和的均匀性，药剂效果更佳，重金属固化率/有机物去除率提高，污染土处理更彻底。该装置既保证了药剂与土体拌和的均匀性，又优化了喷浆搅拌施工工艺，避免了不必要的工序和材料的浪费，提高了施工效率和施工质量。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，进一步涉及污染土原位修复技术领域，特别是涉及一种用于污染土原位固化/氧化的喷浆搅拌装置及方法。
背景技术
随着污染场地修复在我国逐渐得到关注和重视，岩土施工技术也应用在了土壤原位修复领域。目前我国处理地基的主要施工技术有：深层搅拌法、高压旋喷法、三轴搅拌法。
深层搅拌法是利用低压力浆泵(压力一般小于2MPa)把浆液泵送至土体深处，通过搅拌叶片直接将土体和药剂强制拌和。常规搅拌法施工机械简单，施工速度快，造价较低；但因机械动力不足、泵浆压力小而会导致其适用地层范围有限，拌和体均匀性差等缺点。
高压旋喷法是利用高压设备，将浆液以近20Mpa的高压射流通过喷嘴射出，冲击破坏土体，使浆液和土体拌和。(传统的装置由于喷浆嘴位于搅拌头最下部，旋喷的实质过程就是先由喷浆嘴上部的叶片切割搅拌土体，然后由喷浆嘴喷出浆液。)由于其具有较强的钻进与切削能力，使其适用地层范围较广。但因喷浆压力大，喷射范围随地层软硬变化而变化，会导致拌和体半径大小难以控制，又由于浆液在土体中流动性较差，导致混合的均质性较差，且材料浪费严重。
三轴搅拌法是在原有深层搅拌法(单轴)基础上发展而来，改进采用三轴搅拌并在搅拌轴上增加螺旋叶片，且大幅增强动力。使其效率高、搭接效果好、应用范围广。为了使搅拌更加均匀，通过搅拌轴上的螺旋叶片把浆液与土充分翻搅拌和，在此过程中浆液和置换出的一些土块掉落到孔中，导致拌和体下部搅拌不均匀。
现有技术在污染土原位修复中应用时往往存在以下问题：黏性较大的污染土因难以充分破碎而形成不均匀的大团粒，其与药剂混合的均匀性较差；固化剂向黏土团粒内部扩散的影响范围有限，当团粒内部受环境影响发生胀缩变形时，外部固化层会开裂，引发固化污染土长期耐久性能的劣化。主要原因是国内的装置在泵浆和搅拌均匀性方面存在着不足，不能很好的将药剂扩散，并使药剂与土体充分的混合。搅拌旋喷技术是在以上技术基础上发展起来的，兼顾施工质量与施工效率。基于此，设计一种新型喷浆搅拌协同装置及方法，旨在解决药剂与污染土拌和体的均匀性问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种固化/氧化污染土的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置及方法，在原位施工中，在装置的不同高度上设置多孔喷浆与双向搅拌，实现全方位的立体搅拌，使药剂浆液在适宜搅拌转速和旋喷喷射压力下在黏土体中与污染土充分混合，提升分布的均匀性，重金属固化率/有机物去除率提高，污染土处理更彻底。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一、一种固化/氧化污染土的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置
固化/氧化污染土的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置，包括搅拌轴、立体搅拌头、输浆总管、输浆支管、喷浆嘴、螺旋叶片、钻头。
所述搅拌轴为中空管状且安装在驱动装置上，搅拌轴背向驱动装置的一端设有立体搅拌头和钻头。所述立体搅拌头由水平向搅拌杆与竖向搅拌曲杆构成。所述水平向搅拌杆分为上下两层，每层四根，以搅拌轴为中心呈十字形分布。所述竖向搅拌曲杆的上下端点都连接在搅拌轴上，竖向搅拌曲杆分布的四个方向与水平向搅拌杆的四个方向一致，根据竖向搅拌曲杆中弯曲段的半径大小不同，在每个方向上均有内外两根竖向搅拌曲杆，内层的每根竖向搅拌曲杆与同一方向的上下两根水平向搅拌杆相交叉。所述输浆总管，竖直设置在搅拌轴内，在水平向搅拌杆所在平面与输浆支管连接。所述输浆支管设在水平向搅拌杆中，一端与输浆总管连接，另一端与喷浆嘴连接。所述喷浆嘴设置在搅拌轴和水平向搅拌杆上，通过杆中的输浆管与注浆压力泵连通。所述钻头由一组不连续的螺旋连接于搅拌轴上且从上到下直径均匀减小的螺旋叶片组成。
通过采用上述技术方案，搅拌轴在旋转上升的过程中，带动水平向搅拌杆与竖向搅拌曲杆对土体进行旋转切割搅拌，使得立体搅拌头周围土体的流动性比较好，在水平向搅拌杆与竖向搅拌曲杆切割搅拌土体的过程中使药剂浆液直接通过搅拌轴和水平向搅拌杆上的喷浆嘴混合在被搅拌的土体中，喷浆与搅拌相协同，使药剂浆液与土体拌和均匀，药剂与土体混合效果较好。
优选的，所述喷浆嘴设置在每根水平向搅拌杆的每一段的中点，以及每组立体搅拌头所在的搅拌轴区段的中点，所述喷浆嘴为圆锥形的孔道，所述喷浆嘴与输浆管连通的一端孔道直径较大。
通过采用上述技术方案，使药剂浆液在从喷浆嘴处喷出之前，通过圆锥形的孔道，药剂浆液的流速增大，药剂浆液的喷射距离相应增加，提升药剂浆液与土体之间的混合效果。
优选的，所述竖向搅拌曲杆的截面为去同侧角矩形，所述水平向搅拌杆截面为半圆形。
通过采用上述技术方案，使立体搅拌头更易于对土体进行切割搅拌，减小土体对水平向搅拌杆与竖向搅拌曲杆的磨损，延长立体搅拌头的使用寿命；同时，在药剂浆液与土体混合之前，水平向搅拌杆与竖向搅拌曲杆首先对土体进行切割，使土体适当松动，便于后续药剂浆液的扩散，提升药剂浆液与土体的混合效果。
优选的，所述立体搅拌头至少沿搅拌轴径向设置有两组，且相邻两组立体搅拌头的旋转方向相反。
通过采用上述技术方案，有利于土体之间形成对流，在立体搅拌头切割搅拌土体时土体的流动性提高，利于药剂浆液的扩散，使得多孔喷浆与双向立体搅拌协同作用提升药剂浆液与土体的混合效果。
优选的，所述立体搅拌头所在搅拌轴区段中的上下两段和两组立体搅拌头之间设有螺旋叶片，所述螺旋叶片不连续的螺旋连接于搅拌轴上。
通过采用上述技术方案，经螺旋叶片的切割搅拌，搅拌轴周围的土体与药剂浆液的混合物不易产生抱轴情况，提升药剂浆液与土体的混合效果。
优选的，所述竖向搅拌曲杆上均匀焊接有导向凸棱，所述导向凸棱与竖向搅拌曲杆的长度方向相垂直。
通过采用上述技术方案，在竖向搅拌曲杆对土体进行切割搅拌的过程中，导向凸棱对土体起到割裂的效果，使药剂浆液与土体混合的均匀性提高。
二、一种固化/氧化污染土的多孔喷浆双向立体搅拌协同施工方法，包括以下步骤：
1)平整污染场地，避免影响施工作业；
2)根据污染场地情况，在污染区域对搅拌位置进行布点；
3)按设定的配比配制好固化/氧化药剂浆液，并测定配制的药剂浆液的比重；
4)机械架就位后开启注浆压力泵，立体搅拌头出浆后，启动钻头(6)的驱动装置，钻头(6)带动搅拌轴(1)转动并钻入土体；
5)两组立体搅拌头对土体进行切割搅拌作业时，上下两组立体搅拌头反向旋转；
6)下方的立体搅拌头下降到设计深度时，搅拌轴(1)停止下降但继续旋转，药剂浆液从喷浆嘴(4)喷出；
7)喷浆嘴(4)喷浆30s后，搅拌轴(1)匀速提升，同时喷出药剂浆液，提至设计高程以上0.5m；
8)重复搅拌下沉至设计深度，再次喷浆搅拌提升至设计高程以上0.5m，停止喷浆后提升至地面，施工完毕；
9)移位到下一点位，重复上述工序，完成下一点位施工；
10)清理立体搅拌头上及喷浆嘴(4)处附着的土块，并对其进行清洗。
具体实施中，搅拌下沉速度宜控制在0.5～0.8m/min，提升速度宜控制在1.0m/min以内，旋转速度宜控制在18～25r/min。
所述喷浆嘴的喷浆压力设为不大于1.0MPa。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
采用全方位多孔喷浆和双向立体搅拌协同的方式，双向立体搅拌头极大的提高了对土体的切削和翻搅能力，在搅拌轴旋转上升的过程中，立体搅拌头切割搅拌土体的同时使药剂浆液直接通过喷浆嘴喷出从而混合到被搅拌的土体中，使药剂浆液在适宜搅拌转速和旋喷喷射压力下在土体中充分扩散，提升药剂与土体拌和的均匀性，药剂效果更佳，重金属固化率/有机物去除率提高，污染土处理更加彻底。
该装置及方法既保证了药剂与土体拌和的均匀性，又优化了喷浆搅拌施工工艺，避免了不必要的工序和材料的浪费，提高了施工效率和施工质量。
附图说明
图1是本发明的喷浆搅拌协同装置的主视图；
图2是本发明的喷浆搅拌协同装置沿轴所在平面的竖向剖面图；
图3是本发明的喷浆搅拌协同装置的俯视图；
图4是本发明的喷浆搅拌协同装置的横向剖面图；
图5是图1中的A局部放大图；
其中，1-搅拌轴；2-竖向搅拌曲杆；3-水平向搅拌杆；4-喷浆嘴；5-螺旋叶片；6-钻头；7-导向凸棱。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：
如图1-4所示，本发明具体实施的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置主要包括搅拌轴1、立体搅拌头、输浆总管、输浆支管、喷浆嘴4、钻头6。
搅拌轴1为中空管状且安装在驱动装置上，搅拌轴1背向驱动装置的一端设有立体搅拌头和钻头6；立体搅拌头由水平向搅拌杆3与竖向搅拌曲杆2构成；水平向搅拌杆3分为上下两层，每层四根，以搅拌轴1为中心呈十字形分布；竖向搅拌曲杆2的上下端点都连接在搅拌轴1上，竖向搅拌曲杆2分布的四个方向与水平向搅拌杆3的四个方向一致，根据竖向搅拌曲杆2中弯曲段的半径大小不同，在每个方向上均有内外两根竖向搅拌曲杆2，内层的每根竖向搅拌曲杆2与同一方向的上下两根水平向搅拌杆3相交叉；输浆总管竖直设置在搅拌轴1内，在水平向搅拌杆3所在平面与输浆支管连接；输浆支管设在水平向搅拌杆3中，一端与输浆总管连接，另一端与喷浆嘴4连接；喷浆嘴4设置在搅拌轴1和水平向搅拌杆3上，通过杆中的输浆管与注浆压力泵连通；钻头6由一组不连续的螺旋连接于搅拌轴上且从上到下直径均匀减小的螺旋叶片组成。
具体实施的喷浆嘴4设置在每根水平向搅拌杆3的每一段的中点，以及每组立体搅拌头所在的搅拌轴1区段的中点，喷浆嘴4为圆锥形的孔道，喷浆嘴4与输浆管连通的一端孔道直径较大。喷浆嘴4的喷浆压力设为不大于1.0MPa。这样设置可以使药剂浆液在从喷浆嘴4处喷出之前，通过圆锥形的孔道，药剂浆液的流速增大，药剂浆液的喷射距离相应增加，提升药剂浆液与土体之间的混合效果。
具体实施的竖向搅拌曲杆2的截面为去同侧角矩形，水平向搅拌杆3截面为半圆形，如图5所示。这样的截面可以使立体搅拌头更易于对土体进行切割搅拌，减小土体对水平向搅拌杆3与竖向搅拌曲杆2的磨损，延长立体搅拌头的使用寿命；同时，在药剂浆液与土体混合之前，水平向搅拌杆3与竖向搅拌曲杆2首先对土体进行切割，使土体适当松动，便于后续药剂浆液的扩散，提升药剂浆液与土体的混合效果。
具体实施的立体搅拌头至少沿搅拌轴1径向设置有两组，且相邻两组立体搅拌头的旋转方向相反。搅拌下沉速度宜控制在0.5～0.8m/min，提升速度宜控制在1.0m/min以内，旋转速度宜控制在18～25r/min。这样设置有利于土体之间形成对流，在立体搅拌头切割搅拌土体时土体的流动性提高，利于药剂浆液的扩散，使得多孔喷浆与双向立体搅拌协同作用提升药剂浆液与土体的混合效果。
在立体搅拌头所在搅拌轴1区段中的上下两段和两组立体搅拌头之间设有螺旋叶片5，且螺旋叶片5不连续的螺旋连接于搅拌轴1上。经螺旋叶片5的切割搅拌，搅拌轴1周围的土体与药剂浆液的混合物不易产生抱轴情况，提升药剂浆液与土体的混合效果。
具体实施的竖向搅拌曲杆2上均匀焊接有导向凸棱7，导向凸棱7与竖向搅拌曲杆2的长度方向相垂直，如图5所示。在竖向搅拌曲杆2对土体进行切割搅拌的过程中，导向凸棱7对土体起到割裂的效果，使药剂浆液与土体混合的均匀性提高。
本发明的具体施工步骤如下：
(1)将污染区域表层进行清挖，对场地表面进行平整，避免影响施工作业。
(2)根据污染场地的水文地质条件及污染状况，在污染区域对搅拌位置进行布点并绘制布点图。
(3)按设定的配比配制固化/氧化药剂浆液，根据不同的点位将一定量的固化/氧化药剂加入药剂搅拌设备中，搅拌设备为配有电动搅拌机的药剂池。固化剂宜采用但不限于水泥、改性膨润土等，氧化剂宜采用但不限于过硫酸盐等，比如可以向药剂池中注入合适配比的水、过硫酸钠、液碱、水泥。开启搅拌机，设定转速为30r/min，搅拌均匀，并测定配制的药剂浆液的比重。
(4)机械架就位后，将注浆压力泵取浆管连接至药剂池，开启注浆压力泵，立体搅拌头出浆后，启动钻头6的驱动装置，钻头6带动搅拌轴1转动并钻入土体，搅拌下沉速度宜控制在0.5～0.8m/min，旋转速度宜控制在18～25r/min，搅拌轴1带动竖向搅拌曲杆2与水平向搅拌杆3旋转切割土体，使土体结构更加松散。
(5)两组立体搅拌头对土体进行切割搅拌作业时，上下两组立体搅拌头反向旋转，其间的土体产生对流，每组立体搅拌头内以及两组立体搅拌头之间的螺旋叶片5对搅拌轴1附近的土体进行切割搅拌，以防发生抱轴。
(6)下方的立体搅拌头下降到设计深度时，搅拌轴1停止下降但继续旋转，固化/氧化药剂浆液从喷浆嘴4喷出，喷浆压力宜控制在不大于1.0MPa。在竖向搅拌曲杆2与水平向搅拌杆3切割搅拌土体的过程中使固化/氧化药剂浆液直接通过搅拌轴1和水平向搅拌杆3上的喷浆嘴4混合到被搅拌的土体中。
(7)喷浆嘴4喷浆30s后，搅拌轴1匀速提升，提升速度宜控制在1.0m/min以内，旋转速度宜控制在18～25r/min，同时喷出固化/氧化药剂浆液，提至设计高程以上0.5m，竖向搅拌曲杆2在对土体进行切割搅拌的过程中，导向凸棱7对土体起到割裂的效果，使药剂浆液与土体混合更加均匀。
(8)重复搅拌下沉至设计深度，再次喷浆搅拌提升至设计高程以上0.5m，直至固化/氧化药剂注入量达到固化/氧化效果设计需求量，停止喷浆后提升至地面，施工完毕。
(9)移位到下一点位，重复上述工序，完成下一点位施工。
(10)清理立体搅拌头上及喷浆嘴4处附着的土块，并对其进行清洗。若暂不需要施工，则将注浆压力泵连通清水，及时开启注浆压力泵清洗各个管路中残存的药剂浆液，直到管路基本洗净。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种固化/氧化污染土的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置，其特征在于：该装置包括搅拌轴(1)、立体搅拌头、输浆总管、输浆支管、喷浆嘴(4)、螺旋叶片(5)和钻头(6)；
所述搅拌轴(1)为中空管状且安装在驱动装置上，搅拌轴(1)背向驱动装置的一端设有立体搅拌头和钻头(6)；
所述立体搅拌头由水平向搅拌杆(3)与竖向搅拌曲杆(2)构成；所述水平向搅拌杆(3)分为上下两层，每层四根，以搅拌轴(1)为中心呈十字形分布；所述竖向搅拌曲杆(2)的上下端点都连接在搅拌轴(1)上，竖向搅拌曲杆(2)分布的四个方向与水平向搅拌杆(3)的四个方向一致，根据竖向搅拌曲杆(2)中弯曲段的半径大小不同，在每个方向上均有内外两根竖向搅拌曲杆(2)，内层的每根竖向搅拌曲杆(2)与同一方向的上下两根水平向搅拌杆(3)相交叉；
所述喷浆嘴(4)设置在搅拌轴(1)和水平向搅拌杆(3)上，通过杆中的输浆管与注浆压力泵连通；所述输浆总管竖直设置在搅拌轴(1)内，在水平向搅拌杆(3)所在平面与输浆支管连接；所述输浆支管设在水平向搅拌杆(3)中，一端与输浆总管连接，另一端与水平向搅拌杆(3)上的喷浆嘴(4)连接；
所述螺旋叶片(5)设在立体搅拌头所在搅拌轴区段中的上下两段和两组相邻的立体搅拌头之间，螺旋叶片(5)不连续的螺旋连接于搅拌轴(1)上；
所述钻头(6)由一组不连续的螺旋连接于搅拌轴(1)上且从上到下直径均匀减小的螺旋叶片组成；
所述立体搅拌头至少沿搅拌轴(1)径向设置有两组，且相邻两组立体搅拌头的旋转方向相反。
2.根据权利要求1所述的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置，其特征在于：所述竖向搅拌曲杆(2)的截面为去同侧角矩形，所述水平向搅拌杆(3)截面为半圆形。
3.根据权利要求1所述的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置，其特征在于：所述竖向搅拌曲杆(2)上均匀焊接有导向凸棱(7)，导向凸棱(7)与竖向搅拌曲杆(2)的长度方向相垂直。
4.根据权利要求1所述的多孔喷浆双向立体搅拌协同装置，其特征在于：所述喷浆嘴(4)设置在每根水平向搅拌杆(3)的每一段的中点，以及每组立体搅拌头所在的搅拌轴(1)区段的中点，所述喷浆嘴(4)为圆锥形的孔道，所述喷浆嘴(4)与输浆管连通的一端孔道直径较大。
5.应用于权利要求1-4任一所述装置的一种固化氧化污染土的多孔喷浆双向立体搅拌协同施工方法，其特性在于，所述施工方法为：
1)平整污染场地，避免影响施工作业；
2)根据污染场地情况，在污染区域对搅拌位置进行布点；
3)按设定的配比配制好固化/氧化药剂浆液，并测定配制的药剂浆液的比重；
4)机械架就位后开启注浆压力泵，立体搅拌头出浆后，启动钻头(6)的驱动装置，钻头(6)带动搅拌轴(1)转动并钻入土体；
5)两组立体搅拌头对土体进行切割搅拌作业时，上下两组立体搅拌头反向旋转；
6)下方的立体搅拌头下降到设计深度时，搅拌轴(1)停止下降但继续旋转，药剂浆液从喷浆嘴(4)喷出；
7)喷浆嘴(4)喷浆30s后，搅拌轴(1)匀速提升，同时喷出药剂浆液，提至设计高程以上0.5m；
8)重复搅拌下沉至设计深度，再次喷浆搅拌提升至设计高程以上0.5m，停止喷浆后提升至地面，施工完毕；
9)移位到下一点位，重复上述工序，完成下一点位施工；
10)清理立体搅拌头上及喷浆嘴(4)处附着的土块，并对其进行清洗。
6.根据权利要求5所述的多孔喷浆双向立体搅拌协同施工方法，其特征在于：搅拌下沉速度宜控制在0.5～0.8m/min，提升速度宜控制在1.0m/min以内，旋转速度宜控制在18～25r/min，喷浆压力设为不大于1.0MPa。
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2020
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