CN115532814A - 用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头及其方法，该钻头包括：杆体、钻尖、螺旋切土叶片、中心主轴、切割叶片、喷药孔、钉型搅拌叶片；杆体的底面上设置钻尖；钻尖上缠绕设置螺旋切土叶片；杆体下部内部设置中心主轴；杆体内设置空腔，空腔设置于中主轴上方；空腔侧壁上对称开设喷药孔；杆体上部外侧壁上对称设置钉型搅拌叶片。该钻头可有效解决修复土壤的上下扰动、准确控制不同深度的修复药剂投加量、修复药剂和土壤混合均匀充分等药剂注入和土壤搅拌技术问题及其组合问题，可大大缩短修复工期、提高修复效率，增强修复效果，成效明显。
Description
技术领域
本申请涉及污染治理技术领域，特别是一种用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头及其方法。
背景技术
污染土壤修复是利用物理、化学或生物的方法，降解转化和吸收场地土壤或地下水中的污染物(重金属、有机物)，使其浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害污染物转化为无害物质的过程。按处置场所不同，现有污染场地修复方法包括：原位修复和异位修复，异位修复法主要是将污染土壤挖出或将污染地下水抽出，在另一处置场所对受污染土壤或地下水进行处理，其特点是工程量较大、费用较高且二次污染问题严重，仅能适用于小面积或重污染地块。原位修复为原位投加修复药剂，对修复场地土壤扰动较小，不存在运输过程中产生二次污染的问题，工程投资相对较小。
现多采用深层污染土壤修复药剂的原位投加方法，该方法又分为：直压式高压注射技术、高压旋喷注入技术、原位深层搅拌注入技术、建井注入技术及其它岩土注浆技术等。以上方法存在不同的问题：
1)不能使修复药剂和土壤充分混合均匀，不能使药剂与污染物反应充分，修复效果大打折扣；
2)对修复土壤的上下扰动太大，不符合不同深度的土壤污染程度不同的实际情况，不符合原位修复的技术要求；
3)不能准确控制投加于不同深度的药剂量；
4)不能很好地解决修复药剂注入污染场地的深度、面积等准确位置；
5)修复周期长、投资大，修复效率低；均存在诸多不足之处。
原位深搅施工技术，是公路路基工程施工中的重要技术之一，其将水泥当作固化剂使用，改善公路路基性能，利用搅拌桩机混合水泥浆液和软土，通过强制搅拌达到加固效果，有利于提高公路路基的稳定性。
将原位深搅施工技术应用于深层污染土壤的原位修复，即利用水泥搅拌桩机对深层污染土壤进行原位修复，注入药剂后需要进行搅拌施工。
粘性红壤包括：石英砂粒及高岭石、伊利石、绿泥石等次生粘土矿物，其中粘性颗粒占比可达到50％以上，一旦污染后，位于地下2～10m的区域的粘性红壤处理难度尤其高，粘性颗粒搅拌存在搅拌困难，添加药剂在土壤中流动性较差，容易停留在某一深度土层中，难以下移布满该深度区域土壤，导致添加处理药剂后，原位修复处理效果差的情况。
但现有的各类水泥搅拌桩机在使用中，容易导致土壤上下扰动过大，导致待处理污染土壤与干净土壤混合或向洁净土壤扩散，造成污染外溢；现有桩机使用中由于坑位较深导致投加后的药剂难以与待处理土壤混合均匀；土壤与药剂的搅拌混匀时间长、修复效率低问题。
采用现有桩机难以实现土壤污染原位修复，不适用于大面积的土壤污染修复场地。
发明内容
本申请提供了一种用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头及其方法，用于解决现有技术中存在的原位深搅污染土壤修复方法中所用桩机的钻头在搅拌加药过程中容易导致土壤上下扰动过大，导致待处理污染土壤与干净土壤混合或向洁净土壤扩散，造成污染外溢；现有桩机使用中由于坑位较深导致药剂投加后难以与待处理土壤混合均匀；土壤与药剂的搅拌混匀时间长、修复效率低的技术问题。
本申请提供了一种用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，包括：杆体、钻尖、螺旋切土叶片、中心主轴、切割叶片、喷药孔、钉型搅拌叶片；杆体的底面上设置钻尖；钻尖上缠绕设置螺旋切土叶片；杆体下部内部设置中心主轴；杆体内设置空腔，空腔设置于中主轴上方；空腔侧壁上对称开设喷药孔；杆体上部外侧壁上对称设置钉型搅拌叶片；
螺旋切土叶片连续且伸出长度从钻尖向杆体方向逐步增长；
螺旋切土叶片与钻尖侧壁相连接处的水平面所成夹角为18°～22°；
螺旋切土叶片上部缠绕设置于中心主轴外侧壁上；
切割叶片包括：切割叶片A和切割叶片B，中心主轴上的螺旋切土叶片伸出中心主轴外最长处的相对侧壁上设有一同样长度的切割叶片A；
切割叶片A与杆体侧壁连接处的水平面夹角为18°～22°且等于螺旋切土叶片与钻尖侧壁相连接处的水平面所成夹角；
所述钻头适用于含水率为20％～35％、孔隙比为0.5e0～1.5e0，垂直渗透系数2×10-7KVcm/s～1.5×10-6KVcm/s，水平渗透系数1.0×10-7KHcm/s～9.8×10-7KHcm/s的粘性土壤；
切割叶片B设置于螺旋切土叶片与杆体相连接的螺旋方向延长线上；
切割叶片B成对设置于杆体两相对侧壁上；
喷药孔开设于各切割叶片B旋转方向后方的杆体上，并与空腔相连通。
优选地，钉型搅拌叶片成对设置于喷药孔上方。
优选地，第一钉型叶片组包括：成对设置的钉型叶片；第二钉型叶片组包括：成对设置的钉型叶片；第一钉型叶片组内钉型叶片与第二钉型叶片组内钉型叶片错位设置。
优选地，钉型搅拌叶片包括：第一钉型叶片组和第二钉型叶片组；第一钉型叶片组在第二钉型叶片组所处平面的投影与第二钉型叶片组成90°夹角。
优选地，第一钉型叶片组和第二钉型叶片组在垂直方向的间距为5cm。
优选地，包括：法兰连接盘，法兰连接盘设置于杆体顶面外侧壁上。
优选地，钻件外侧壁上环绕2圈螺旋切土叶片。
本申请的另一方面还提供了一种深层粘性红壤污染原位修复方法，包括以下步骤：在待处理区采用桩机开设多个搅拌孔；桩机上设置具有如上述结构的钻头；
搅拌孔直径为600mm，搅拌孔按梅花型布置，任三部分相交搅拌孔呈正三角形分布；相邻搅拌孔的中心点的横向间距为520mm；相邻列搅拌孔中心点的横向间距为450mm，各相邻搅拌孔相接处于咬合80mm。
优选地，修复土壤深度为2～10m。在该深度进行原位修复，能得到较好的处理效果。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，本申请提供钻头可有效解决修复土壤的上下扰动、准确控制不同深度的修复药剂投加量、修复、复药剂和土壤混合均匀充分等药剂注入和土壤搅拌技术问题及其组合问题，可大大缩短修复工期、提高修复效率，增强修复效果，成效明显。
2)本申请所提供的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，适用于不同污染程度的污染场地，由于土壤污染情况复杂，不同深度的土壤污染程度不一样，需要投加不同份量的修复药剂。本钻头仅开设了2个相对的喷药孔，可以精准控制在不同深度的投加药剂量，对不同污染程度的污染场地具有很强的适应性。
3)本申请所提供的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，土壤污染分为有机污染和无机污染，无机污染包含酸碱、重金属、盐类、放射性元素化合物、含砷硒氟的化合物等。有机污染和无机污染，均可按照污染类型选择相应的药剂，设定特定的工作参数，即可通过药剂的酸碱中和、氧化还原污染因子、固化稳定重金属元素等方式修复污染土壤。采用该结构的钻头后，钻头各部件与杆体均为焊接，可按照不同的污染类型搭配不同的耐磨损、耐腐蚀、耐酸碱材质，药剂也可以选用液态、泥浆态的酸碱中和药剂、氧化还原药剂、钝化稳定化药剂等药剂，适用于单一污染或复合污染的多种有机、无机污染场地。
4)本申请所提供的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，喷药孔设置于切割叶片旋转方向后方，切割叶片旋转切土时，会在叶片后形成一定的空隙，降低了药剂的喷射压力需求，降低了药剂投加的能量消耗。同时，粘性土层也不易堵塞喷射口。
5)本申请所提供的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，搅拌叶片选用钉型，水平相对布置，搅拌过程中叶片上下的土壤翻动、串动幅度低于其他类型的叶片(平直型、柱形等)，更能保证水平位置上的土壤与药剂的充分搅拌混匀，搅拌过程中对修复土壤的上下扰动小，符合土壤污染原位修复的技术要求。
6)本申请所提供的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，本申请能够同时实现下挖、土壤与药剂的搅拌混匀过程，且能精准控制修复药剂的投加位置、深度和相应投加量，对比现有的水泥搅拌桩很长的搅拌时间使土壤与药剂混匀形成一个整体的方法，土壤逐步分层修复，边钻进下挖边修复，大大缩短搅拌时间，提高修复效率，增强修复效果，成效明显。
附图说明
图1为本申请提供的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头立体结构示意图；
图2为本申请实施例中原位修复开设搅拌孔俯视结构示意图；
图例说明：
1、钻尖；2、螺旋切土叶片；3、中心主轴；4、切割叶片A；5、切割叶片B；6、喷药孔；7、钉型搅拌叶片；8、法兰连接盘；9、空腔。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请中未详述的且并不用于解决本申请技术问题的技术手段，均按本领域公知常识进行设置，且多种公知常识设置方式均可实现。
参见图1，本申请提供的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，包括：杆体、钻尖、螺旋切土叶片、中心主轴、切割叶片、喷药孔、钉型搅拌叶片；杆体的底面上设置钻尖；钻尖上缠绕设置螺旋切土叶片；杆体下部内部设置中心主轴；杆体内设置空腔，空腔设置于中主轴上方；空腔侧壁上对称开设喷药孔；杆体上部外侧壁上对称设置钉型搅拌叶片；
螺旋切土叶片连续且伸出长度从钻尖向杆体方向逐步增长；
螺旋切土叶片与钻尖侧壁相连接处的水平面所成夹角为18°～22°；
螺旋切土叶片上部缠绕设置于中心主轴外侧壁上；
切割叶片包括：切割叶片A和切割叶片B，中心主轴上的螺旋切土叶片伸出中心主轴外最长处的相对侧壁上设有一同样长度的切割叶片A；
切割叶片A与杆体侧壁连接处的水平面夹角为18°～22°且等于螺旋切土叶片与钻尖侧壁相连接处的水平面所成夹角；
所述钻头适用于含水率为20％～35％、孔隙比为0.5e0～1.5e0，垂直渗透系数2×10-7KVcm/s～1.5×10-6KVcm/s，水平渗透系数1.0×10-7KHcm/s～9.8×10-7KHcm/s的粘性土壤；
切割叶片B设置于螺旋切土叶片与杆体相连接的螺旋方向延长线上；
切割叶片B成对设置于杆体两相对侧壁上；
喷药孔开设于各切割叶片B旋转方向后方的杆体上，并与空腔相连通。
通过设置钉型搅拌叶片能降低钻头下降阻力，降低对污染土壤的搅拌范围，避免污染土壤向外扩散污染其他土壤。
通过在杆体中部设置喷药孔，可根据下探深度需要采用不同药剂，提高原位修复处理灵活性。通过在切割叶片B旋转方向后方设置喷药口，能将药剂及时喷洒至切割叶片B切开的土层中，提高对粘性红壤的处理效果，避免药剂无法渗入粘性红壤中。
该参数的粘性红壤，由于其含水率较高，孔隙比低，渗透系数较低，采用现有钻头进行原位修复，液态药剂难以伸入污染土壤中，导致无法实现对此类红壤的有效原位修复。
优选地，钉型搅拌叶片成对设置于喷药孔上方。按此设置能为喷药区域维持钻孔形状温度，便于进行喷药操作，提高处理中土壤与药剂的混合均匀性。
优选地，第一钉型叶片组包括：成对设置的钉型叶片；第二钉型叶片组包括：成对设置的钉型叶片；第一钉型叶片组内钉型叶片与第二钉型叶片组内钉型叶片错位设置。
优选地，钉型搅拌叶片包括：第一钉型叶片组和第二钉型叶片组；第一钉型叶片组在第二钉型叶片组所处平面的投影与第二钉型叶片组成90°夹角。按此设置能提高钻孔的宽度，维持钻孔形状稳定。
优选地，第一钉型叶片组和第二钉型叶片组在垂直方向的间距为5cm。
优选地，包括：法兰连接盘，法兰连接盘设置于杆体顶面外侧壁上。按此设置便于安装杆体。
优选地，钻件外侧壁上环绕2圈螺旋切土叶片。采用该缠绕数量，能提高钻尖在粘性红壤中的下探深度和平稳性。
优选地，杆体中部设置隔离板，分隔空腔与中心主轴。通过在空腔与轴之间设置隔离板，能利用空腔深度控制喷药深度，同时能保持杆体的下部的受力可靠性，避免下探时发生断裂。
本申请的另一方面还提供了一种深层粘性红壤污染原位修复方法，包括以下步骤：在待处理区采用桩机开设多个搅拌孔；桩机上设置具有如上述结构的钻头；
搅拌孔直径为600mm，搅拌孔按梅花型布置，任三部分相交搅拌孔呈正三角形分布；相邻搅拌孔的中心点的横向间距为520mm；相邻列搅拌孔中心点的横向间距为450mm，各相邻搅拌孔相接处于咬合80mm。
采用上述方法进行污染土壤原位修复，能有效实现对红壤的原位修复处理。
优选地，修复土壤深度为2～10m。在该深度进行原位修复，能得到较好的处理效果。
实施例
以下实施例中所用仪器、药剂，如无特殊说明均为商业渠道获得。
实施例1
本申请在“陆良县西桥工业片区环境综合整治项目龙海化工有限公司原址地块污染土壤修复技术应用试点项目”中的应用，详见图2。
本申请各构筑部件尺寸如下：所用钻头包括：钻尖、螺旋切土叶片、中心主轴、切割叶片、喷药孔、钉型搅拌叶片、法兰连接盘。钻尖上环绕固定有用于钻土深入的螺旋切土叶片，叶片连续且长度自下至上逐步加长；螺旋切土叶片与水平方向夹角为18°～22°；中心主轴为空心，底部环绕有2圈螺旋切土叶片，与钻尖上的螺旋切土叶片连续；中心主轴上的螺旋切土叶片最长处的对立位置设有一同样长度的切割叶片A，其水平方向夹角与螺旋切土叶片一致；切割叶片B相对交叉设置于切割叶片A和中心主轴螺旋切土叶片的螺旋方向的延长线上；2个喷药孔，相对开设于切割叶片B旋转方向后方的中心主轴上，喷药孔下的中心主轴内部隔断；钉型搅拌叶片，成对相对设置多对于喷药孔上方，上下相邻两对钉型搅拌叶片间呈90°交叉，垂直方向的净间距5cm；法兰连接盘设置于钉型搅拌叶片上方。
其中中心主轴外径150mm、内径90mm，切割叶片A长150mm；切割叶片B长225mm；喷药孔直径20mm；钉型搅拌叶片长180mm、225mm；法兰连接盘直径250mm；空腔直径90mm。
修复施工时，搅拌孔布置(图2)如下：搅拌孔直径600mm，搅拌孔按梅花型布置，呈正三角形分布，孔距520mm，咬合80mm。
根据试验点位的土壤含水率，结合修复材料的投加量与拟选定的旋挖搅拌设备性能配制修复药剂，将修复材料全部充分溶解或完全分散后形成具有较好的流动性的浆液。通过搭建的施工平台上的钻机施工，采用“两搅一喷”的施工工艺，即钻头向下钻进过程中持续均匀喷射药剂一次，搅拌一次，钻头向上提升过程中搅拌一次；搅拌桩的垂直偏差不超过1％，桩位偏差不大于50mm，桩径偏差不大于4％。
在本实施中，修复区2m～10m的土层主要为粘性红壤，其含水率为22.7％～33.9％，孔隙比为0.687e0～1.145e0，垂直渗透系数3.7×10-7KVcm/s～1.2×10-6KVcm/s，水平渗透系数1.1×10-7KHcm/s～8.9×10-7KHcm/s。其中，1#点位(CC-05)和2#点位(CD-02)10m范围内的桩孔修复时的各项参数记录(表1、表2)，如下：
表1 1#点位10m范围内的各项参数记录
表2 2#点位10m范围内的各项参数记录
由表1～2可知，采用本申请提供钻头，能有效将修复药剂投加于不同土壤深度，且能通过控制下钻速度和喷浆时管道压力从而准确控制各土壤深度的修复药剂投加量。
修复后，经效果评估检测单位和第三方检测单位采集了各修复区域2m～4m、4m～6m、6m～8m、8m～10m的样品，经酸浸(HJ_T299-2007)和水浸(HJ557-2010)检测，浸出液中各重金属浓度均低于地下水IV类水浓度限值(GB/T14848-2017)，所得结果均满足检测标准，说明采用本申请提供钻头能有效达到修复目标要求。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，其特征在于，包括：杆体、钻尖、螺旋切土叶片、中心主轴、切割叶片、喷药孔、钉型搅拌叶片；杆体的底面上设置钻尖；钻尖上缠绕设置螺旋切土叶片；杆体下部内部设置中心主轴；杆体内设置空腔，空腔设置于中主轴上方；空腔侧壁上对称开设喷药孔；杆体上部外侧壁上对称设置钉型搅拌叶片；
螺旋切土叶片连续且伸出长度从钻尖向杆体方向逐步增长；
螺旋切土叶片与钻尖侧壁相连接处的水平面所成夹角为18°～22°；
螺旋切土叶片上部缠绕设置于中心主轴外侧壁上；
切割叶片包括：切割叶片A和切割叶片B，中心主轴上的螺旋切土叶片伸出中心主轴外最长处的相对侧壁上设有一同样长度的切割叶片A；
切割叶片A与杆体侧壁连接处的水平面夹角为18°～22°且等于螺旋切土叶片与钻尖侧壁相连接处的水平面所成夹角；
所述钻头适用于含水率为20％～35％、孔隙比为0.5e0～1.5e0，垂直渗透系数2×10- 7KVcm/s～1.5×10-6KVcm/s，水平渗透系数1.0×10-7KHcm/s～9.8×10-7KHcm/s的粘性土壤；
切割叶片B设置于螺旋切土叶片与杆体相连接的螺旋方向延长线上；
切割叶片B成对设置于杆体两相对侧壁上；
喷药孔开设于各切割叶片B旋转方向后方的杆体上，并与空腔相连通。
2.根据权利要求1所述的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，其特征在于，钉型搅拌叶片成对设置于喷药孔上方。
3.根据权利要求1所述的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，其特征在于，第一钉型叶片组包括：成对设置的钉型叶片；第二钉型叶片组包括：成对设置的钉型叶片；第一钉型叶片组内钉型叶片与第二钉型叶片组内钉型叶片错位设置。
4.根据权利要求3所述的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，其特征在于，钉型搅拌叶片包括：第一钉型叶片组和第二钉型叶片组；第一钉型叶片组在第二钉型叶片组所处平面的投影与第二钉型叶片组成90°夹角。
5.根据权利要求3所述的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，其特征在于，第一钉型叶片组和第二钉型叶片组在垂直方向的间距为5cm。
6.根据权利要求1所述的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，其特征在于，包括：法兰连接盘，法兰连接盘设置于杆体顶面外侧壁上。
7.根据权利要求1所述的用于深层粘性红壤污染原位修复的桩机钻头，其特征在于，钻件外侧壁上环绕2圈螺旋切土叶片。
8.一种深层粘性红壤污染原位修复方法，其特征在于，包括以下步骤：在待处理区采用桩机开设多个搅拌孔；桩机上设置具有如权利要求1～7中任一项所述结构的钻头；
搅拌孔直径为600mm，搅拌孔按梅花型布置，任三部分相交搅拌孔呈正三角形分布；相邻搅拌孔的中心点的横向间距为520mm；相邻列搅拌孔中心点的横向间距为450mm，各相邻搅拌孔相接处于咬合80mm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，修复土壤深度为2～10m。
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