CN114991776A - 粉土砂土地层中利用微生物注浆加固盾构隧道周边地层的方法及微生物浆液 - Google Patents

Abstract

本发明公开了粉土砂土地层中利用微生物注浆加固盾构隧道周边地层的方法及微生物浆液，粉土砂土地层中利用微生物注浆加固盾构隧道周边地层的微生物浆液，包括混合液、菌液、固定剂，所述混合液为乙酸钙溶液和尿素溶液按照比例0.8～1.2混合而成；所述菌液菌种为巴氏芽孢八叠球菌；固定剂为氯化钙溶液。将微生物菌液、固定剂混合后的液体和混合液按照先后顺序利用深孔注浆的方式，利用注浆泵将混合液通过钢花管溢浆孔渗透到隧道周围土层中。在微生物的加固作用下，隧道周围的粉土、砂土的抗压强度、剪切强度、抗液化强度等性能明显提升。如加固结束3d后，进行一次抽芯取样,加固后的土体孔隙大多已被碳酸钙填充，土体强度大幅度提高。

Description

粉土砂土地层中利用微生物注浆加固盾构隧道周边地层的方 法及微生物浆液

技术领域

本发明涉及微生物加固地层方法及微生物浆液，特别涉及粉土砂土地层中利用微生物注浆加固盾构隧道周边地层的方法及微生物浆液。

背景技术

随着经济的发展和科学技术的进步，城镇化加快，城市轨道交通迎来了建设和开发的高潮，而盾构法施工由于具有受环境制约因素少、安全程度高、施工速度快等优点成为地铁隧道修建中应用最广泛的施工技术。在各大城市的地铁规划中，地铁车站和区间隧道不可避免地穿越粉土、砂土地层。位于粉土、砂土地层的隧道在地震作用下的土层易发生液化等灾害，对地铁的正常运营造成危害，因此需要对隧道所处的粉土、砂土地层进行加固。

目前所存在的隧道周边加固方法多是运用水泥、石灰或化学材料通过深孔注浆的方式对隧道周边地层进行加固，此类方法不仅会侵蚀土体还会对地下水造成污染。微生物矿化是自然界存在的一种自然现象，利用微生物沉淀碳酸钙技术胶结松散砂颗粒可以有效地提高粉土、砂土的强度和刚度等宏观力学性质，在加固土体方面具有优良效果。目前微生物矿化技术在加固边坡、砂土地基、抗液化等方面已取得较好效果，采用深孔注浆的方法将微生物注入隧道周围地层中加固效果优良，而且避免了传统加固方法的缺点，因此，本发明提出了一种通过深孔注浆的方法利用微生物加固隧道周边地层的方法。

发明内容

本发明为解决目前盾构隧道周边各种地层加固问题，特别是粉土粉砂地层，提出了粉土砂土地层中利用微生物注浆加固盾构隧道周边地层的方法及微生物浆液。

本发明的技术方案如下：

粉土砂土地层中利用微生物注浆加固盾构隧道周边地层的微生物浆液，包括混合液、菌液、固定剂，所述混合液为乙酸钙溶液和尿素溶液按照比例0.8～1.2混合而成；所述菌液菌种为巴氏芽孢八叠球菌；固定剂为氯化钙溶液。

所述乙酸钙溶液浓度值为0.4～0.6mol/L，所述尿素溶液浓度值为0.4～0.6mol/L。

所述菌液菌OD600＝1.15～1.3。

所述的氯化钙溶液浓度为0.03～0.05mol/L。

本发明的粉土砂土地层中利用微生物浆液注浆加固盾构隧道周边地层的方法，包括如下步骤：

1)混合液的制备方法：将固态的尿素和乙酸钙分别置于蒸馏水中溶解，把得到的尿素溶液和乙酸钙溶液混合形成混合液；

2)菌液的制备方法：将巴氏芽孢八叠球菌接种到培养基ATCC 1376上；培养基的温度为25～35℃，培养基pH值保持在6.5～9.3，震荡频率保持在140～160r/min，施工环境温度为20～37℃；利用所述培养基使微生物活化，得到所述菌液；

3)利用注浆泵通过钢花管将菌液和固定剂混合后的液体、混合液先后注入隧道周围地层中；

所述培养基为保藏中心提供的ATCC 1376培养基，包括18～22g/L酵母提取物，8～12g/L硫酸铵，0.11～0.15molTris(pH＝9.0)缓冲液。

本发明的粉土砂土地层中利用微生物浆液注浆加固盾构隧道周边地层的方法，包括如下步骤：

a.定孔位，根据液化地层所在区域大小按照深孔注浆方法设计加固方案，确定孔位。

b.钻机开孔，采用凿岩机在所述孔位成孔，随后安装好钢花管，每隔2～4衬砌环进行一次注入，待微生物浆液凝固后，将未注的衬砌环进行开孔注浆；

c.将菌液、固定剂按照1:1混合后利用注浆泵注入所述钢花管中，按跳环注浆方式注入注浆孔，注浆完毕立即利用封孔器堵住注浆孔，将隧道区域段各断面均注浆完成后等待10～14h后注入和菌液与固定剂混合后同体积混合液；菌液、固定剂混合后体积取隧道周围2.5m土体的孔隙体积。

d.第一次注入所述混合液后，间隔10h～14h后打开封孔器利用浆液泵送机将和菌液与固定剂混合后体积一致的所述混合液注入钢花管；

e.等待10h～14h后，第二次注入同体积所述混合液后，等待10h～14h后按步骤d再次注入和菌液与固定剂混合后同体积的所述混合液；

f.重复步骤e共6～12轮，直至加固范围内每个断面的每个注浆管注入完毕后，对注浆孔实施封闭，恢复原状。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，微生物加固隧道周边地层的方法利用了微生物诱导碳酸钙结晶，达到了胶结加固土体的目的，避免使用传统方法中的水泥、石灰等注浆材料，实现了自然矿化加固，减少了填土材料运输成本并缩短了工期。通过深孔注浆的方式利用微生物代谢反应加固盾构隧道周边地层，避免发生液化等灾害情况。将微生物菌液、固定剂混合后的液体和混合液按照先后顺序利用深孔注浆的方式，利用注浆泵将混合液通过钢花管溢浆孔渗透到隧道周围土层中。在微生物的加固作用下，隧道周围的粉土、砂土的抗压强度、剪切强度、抗液化强度等力学性质得到明显的提升。与现有的加固技术相比，利用深孔注浆的方法采用微生物菌液、固定剂、混合液三者的拌合与灌注进行加固快速高效、无毒害，有效提升了粉土、砂土的强度。并且过程中不需要大型机械碾压作业，在施工场地有限、区域狭小等情况下也能进行施工。相较于传统注水泥砂浆等污染大、耗能高、成本高的加固方法，微生物加固法具有粘度低、流动性好、渗透性强、反应速率和胶结强度可调、环境污染少等优点。它是一种低能耗、低排放的材料。粉土、砂土地层经过微生物的加固后，抗液化能力、剪切强度等力学性质显著提升。将菌液和混合液分开注入，使生成碳酸钙分布更加均匀，加固效果优良。加固结束3d 后，在加固里程范围内进行一次抽芯取样，取样发现，加固后的土体孔隙大多已被碳酸钙填充，土体强度大幅度提高。

附图说明

图1是钢花管示意图；

图2是本发明施工效果示意图

图中：1—箍筋 2—溢浆孔 3—钢管 4—浆液泵送机构 5—注浆孔

具体实施方式

为使相关领域技术人员理解本发明的应用，依据本发明附图和实施步骤对本技术方案进一步说明。

实施例1.

将固态的尿素和乙酸钙分别置于蒸馏水中溶解，得到0.4mol/L乙酸钙溶液，0.4mol/L 尿素溶液，将2者按照比例1:1混合得到混合液。利用20g/L酵母提取物，10g/L硫酸铵， 0.13molTris(pH＝9.0)缓冲液制作培养基，将巴氏芽孢八叠球菌接种到培养基上，培养基的温度为30℃，培养基pH值为7.5，震荡频率为150r/min，施工环境温度为32℃，菌液OD600＝1.15。

首先确定加固环数100环，确定孔位后进行钻孔，随后安装钢花管，钢花管参见图1，长度为3.4米，在压降孔0.5米后的范围内布置溢浆孔2，溢浆孔呈梅花形布置，其中溢浆孔直径为8mm，单根管溢浆孔数量达到30个孔以上，钢管直径为42mm，厚为 3.25mm，箍筋1直径为6mm。将培养得到菌液和固定剂按照1：1比例进行混合，首先利用图2注浆泵4将菌液和固定剂混合后通过钢花管注入到隧道每环中的注浆口5中，每环均匀布置了16个注浆孔，注浆完毕立即利用封孔器堵住注浆孔，将隧道区域段各断面均注浆完成后等待12h后注入混合液。12h后重复刚刚做法，继续重复11轮即注浆完成，随后对注浆孔实施封闭，恢复原状。施工中混合液使用了19.8m³，菌液12.2m³，固定剂使用量为9.2m³。注浆过程中，对第2、4、6、8、10、12轮注浆结束后进行抽芯取样，抽取的芯样整体表现较好，效果达标，并且加固效果表现最好，当注浆轮数超过 6轮，土体外观无明显变化，可以推测第六轮加固效果已经达标，继续增加注浆轮数经济效果较差。

实施例2：

混合液为乙酸钙溶液和尿素溶液按照比例4:5混合而成，选用0.5mol/L的乙酸钙溶液，0.5mol/L的尿素溶液，固定剂为0.04mol/L的氯化钙溶液。利用18g/L酵母提取物，8g/L硫酸铵，0.11molTris(pH＝9.0)缓冲液制作培养基，将巴氏芽孢八叠球菌接种到培养基上，培养基的温度为25℃，培养基PH值为6.5，震荡频率为140r/min，施工环境温度为20℃，菌液OD600＝1.3。

首先确定加固环数50环，确定孔位后进行钻孔，随后安装钢花管，钢花管参见图1，长度为3.4米，在压降孔0.5米后的范围内布置溢浆孔2，溢浆孔呈梅花形布置，其中溢浆孔直径为8mm，单根管溢浆孔数量达到30个孔以上，钢管直径为42mm，厚为3.25mm，箍筋1直径为6mm。将培养得到菌液和固定剂按照1：1比例进行混合，首先利用图2 注浆泵4将菌液和固定剂混合后通过钢花管注入到隧道每环中的注浆口5中，每环均匀布置了16个注浆孔，注浆完毕立即利用封孔器堵住注浆孔，将隧道区域段各断面均注浆完成后等待12h后注入混合液。12h后重复刚刚做法，继续重复13轮即注浆完成，随后对注浆孔实施封闭，恢复原状，其中混合液使用量为30.6m³，菌液16.3m³，固定剂使用量为17.7m³。注浆过程中，对第2、4、6、8、10、12、14轮注浆结束后进行抽芯取样，取样后从外观可以发现，土体表面孔隙随着注浆轮数的增加越来越少，同时碳酸钙分布也更加的均匀，6轮以上时变化较小，综合考虑6轮注浆即可。

实施例3：

乙酸钙溶液和尿素溶液按照比例5:4混合而成，选用0.6mol/L的乙酸钙溶液，0.6mol/L的尿素溶液，固定剂为0.05mol/L的氯化钙溶液。利用22g/L酵母提取物，12g/L 硫酸铵，0.15molTris(pH＝9.0)缓冲液制作培养基，将巴氏芽孢八叠球菌接种到培养基上，培养基的温度为35℃，培养基PH值为9.3，震荡频率为160r/min，施工环境温度为37℃，菌液OD600＝1.2。本次混合液使用量为39m³，菌液22.1m³，固定剂使用量为 17.7m³。

首先确定加固环数55环，确定孔位后进行钻孔，随后安装钢花管，钢花管参见图1，长度为3.4米，在压降孔0.5米后的范围内布置溢浆孔2，溢浆孔呈梅花形布置，其中溢浆孔直径为8mm，单根管溢浆孔数量达到30个孔以上，钢管直径为42mm，厚为3.25mm，箍筋1直径为6mm。首先利用图2注浆泵4将混合液通过钢花管注入到隧道每环中的注浆口5中，每环均匀布置了16个注浆孔，注浆完毕立即利用封孔器堵住注浆孔，将隧道区域段各断面均注浆完成后等待12h后注入混合液，重复11轮。取2、4、6、8、 10轮进行了抽芯取样，取样后从外观可以发现，从2～8轮土体表面可以较为明显的观察到孔隙随着注浆轮数的增加越来越少，同时碳酸钙分布也更加的均匀，8～10轮发现，土体表面变化较小，进一步数据尚未进行测试，但整体来看注浆6轮时加固效果已经达到了预期的目的，同时考虑到经济和人力方面因素，采用6轮注浆综合效果较好。达到了加固土体的目的，避免使用了污染大、耗能高、成本高的水泥、石灰等注浆材料，实现了自然矿化加固，减少了填土材料运输成本并缩短了工期。

通过上述实施步骤和附图对本发明进行的说明，可以使适合该发明领域的技术人员熟悉并运用本发明。上述具体实施方式仅仅提供示意，并非限制性，本文中所定义的方法可以在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，作出其他形式的具体变换，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.粉土砂土地层中利用微生物注浆加固盾构隧道周边地层的微生物浆液，其特征在于：包括混合液、菌液、固定剂，所述混合液为乙酸钙溶液和尿素溶液按照比例0.8～1.2混合而成；所述菌液菌种为巴氏芽孢八叠球菌；固定剂为氯化钙溶液。

2.如权利要求1所述的微生物浆液，其特征是所述乙酸钙溶液浓度值为0.4～0.6mol/L，所述尿素溶液浓度值为0.4～0.6mol/L。

3.如权利要求1所述的微生物浆液，其特征是所述菌液菌OD600＝1.15～1.3。

4.如权利要求1所述的微生物浆液，其特征是氯化钙溶液浓度为0.03～0.05mol/L。

5.根据权利要求1所述的一种粉土砂土地层中利用微生物注浆加固盾构隧道周边地层所利用的微生物浆液的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)混合液的制备方法：将固态的尿素和乙酸钙分别置于蒸馏水中溶解，把得到的尿素溶液和乙酸钙溶液混合形成混合液；

2)菌液的制备方法：将巴氏芽孢八叠球菌接种到培养基ATCC 1376上；培养基的温度为25～35℃，培养基pH值保持在6.5～9.3，震荡频率保持在140～160r/min，施工环境温度为20～37℃；利用所述培养基使微生物活化，得到所述菌液；

3)利用注浆泵通过钢花管首先将菌液、固定剂混合后注入地层中，随后将混合液注入隧道周围地层中。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述培养基为保藏中心提供的ATCC 1376培养基，包括18～22g/L酵母提取物，8～12g/L硫酸铵，0.11～0.15molTris(pH＝9.0)缓冲液。

7.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤3)具体包括如下步骤：

a.定孔位，根据液化地层所在区域大小按照深孔注浆方法设计加固方案，确定孔位。

b.钻机开孔，采用凿岩机在所述孔位成孔，随后安装好钢花管，每隔2～4衬砌环进行一次注入，待微生物浆液凝固后，将未注的衬砌环进行开孔注浆；

c.将菌液、固定剂按照1:1混合后利用注浆泵注入所述钢花管中，按跳环注浆方式注入注浆孔，菌液、固定剂混合后体积取隧道周围2.5m土体的孔隙体积；

注浆完毕立即利用封孔器堵住注浆孔，将隧道区域段各断面均注浆完成后等待10～14h后注入和菌液与固定剂混合后同体积混合液；

d.第一次注入菌液、固定剂按照1:1混合后的液体后，间隔10h～14h后打开封孔器利用浆液泵送机将和菌液与固定剂混合后体积一致的所述混合液注入钢花管；

e.等待10h～14h后，第二次注入同体积所述混合液后，等待10h～14h后按步骤d再次注入和菌液与固定剂混合后同体积的所述混合液；

f.重复步骤e共6～12轮，直至加固范围内每个断面的每个注浆管注入完毕后，对注浆孔实施封闭，恢复原状。

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