一種用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置及加固方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，該加固裝置包括注水池、注水泵、一級注水導(dǎo)管、注水通管、二級注水導(dǎo)管、注水井、抽水井、二級抽水集水導(dǎo)管、抽水集水通管、一級抽水集水導(dǎo)管、抽水泵和貯水池；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；注水池的出水口通過管路與注水泵的進(jìn)水口連接，注水泵的出水口通過注水管道組件與注水井的進(jìn)水口連接，抽水井的出水口通過抽水管道組件與抽水泵的進(jìn)水口連接，抽水泵的出水口通過管路與貯水池的進(jìn)水口連接。該加固方法能夠有效提升砂土地基的強(qiáng)度穩(wěn)定性，作業(yè)方便，對周圍環(huán)境的影響小，效率高，能夠大幅降低砂土地基加固處理的成本。
【專利說明】
一種用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置及加固方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置及加固方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頂管施工擁有施工速度快、精度高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水、煤氣、電 力、電訊、天然氣、石油等管線的施工鋪設(shè)中。對于砂土地基中的頂管施工，由于砂土顆粒之 間的孔隙較大，鉆孔液不能夠有效地在鉆孔內(nèi)壁形成起保護(hù)作用的濾餅層，使得鉆孔極易 發(fā)生坍塌，進(jìn)而堵塞施工中的頂管。為了提高頂管施工中鉆孔的強(qiáng)度穩(wěn)定性，對于砂土地基 進(jìn)行加固處理是一種有效地技術(shù)手段。目前，對于砂土地基的加固方法主要有換填墊層法、 振沖法、水泥土攪拌法以及水泥土粉煤灰碎石粧法，然而上述幾種方法均對周圍環(huán)境影響 較大，且施工成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種用于砂土地基中頂管施工的土 體加固裝置及加固方法，該加固方法操作方便，對于周圍環(huán)境的影響較小，且成本較低。
[0004] 技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例采用如下的技術(shù)方案： 一種用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，該加固裝置包括注水池、注水栗、一級 注水導(dǎo)管、注水通管、二級注水導(dǎo)管、注水井、抽水井、二級抽水集水導(dǎo)管、抽水集水通管、一 級抽水集水導(dǎo)管、抽水栗和貯水池;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;注水池的出水口通過管路與注水栗的進(jìn)水口連接，注水栗的出水口通過注水管道 組件與注水井的進(jìn)水口連接，抽水井的出水口通過抽水管道組件與抽水栗的進(jìn)水口連接， 抽水栗的出水口通過管路與貯水池的進(jìn)水口連接。
[0005] 作為優(yōu)選例，所述的注水井和抽水井分別呈排設(shè)置，且每排注水井和每排抽水井 交替布設(shè)。
[0006] 作為優(yōu)選例，所述的每排注水井中，相鄰兩個注水井的間距為4一5米;所述的每排 抽水井中，相鄰兩個抽水井的間距為4一5米;相鄰抽水井和抽水井的間距為4一5米。
[0007] 作為優(yōu)選例，所述的注水井底部和抽水井底部距砂土地基底部的距離為0.2-0.3 m〇
[0008] 作為優(yōu)選例，所述的注水管道組件由注水管道單元組成，注水管道單元的數(shù)量與 注水井的排數(shù)相等;每個注水管道單元包括一級注水導(dǎo)管、注水通管以及二級注水導(dǎo)管，一 級注水導(dǎo)管的一端與注水栗的出水口連接，一級注水導(dǎo)管的另一端與注水通管的一端連 接;注水通管相互平行，且位于注水井上方;二級注水導(dǎo)管位于注水通管的下方，二級注水 導(dǎo)管的一端與注水通管連通，另一端位于注水井中。
[0009] 作為優(yōu)選例，所述的抽水管道組件由抽水管道單元組成，抽水管道單元的數(shù)量與 抽水井的數(shù)量相等;每個抽水管道單元包括二級抽水集水導(dǎo)管、抽水集水通管和一級抽水 集水導(dǎo)管，一級抽水集水導(dǎo)管的一端與抽水栗的進(jìn)水口連接，一級抽水集水導(dǎo)管的另一端 與抽水集水通管的一端連接;抽水集水通管相互平行，且位于抽水井上方;二級抽水集水導(dǎo) 管位于抽水集水通管的下方，二級抽水集水導(dǎo)管的一端與抽水集水通管連通，另一端位于 抽水井中。
[0010] 作為優(yōu)選例，所述的微生物加固液以水為溶媒并含有反硝化細(xì)菌、鈣離子、硝酸根 離子、有機(jī)物和供細(xì)菌生長的營養(yǎng)物質(zhì)；其中，反硝化細(xì)菌的濃度為1〇 9-1〇1()個/L，鈣離子 和硝酸根離子的數(shù)量比為〇. 9-2.2:1，有機(jī)物的質(zhì)量濃度為2-5 g/L，供細(xì)菌生長的營養(yǎng) 物質(zhì)的質(zhì)量濃度為5-10 g/L，且加固液的PH值為7-7.5。
[0011] 一種用于砂土地基中頂管施工的土體加固方法，該方法包括以下步驟:先將微生 物加固液加入注水池中，然后同時開啟注水栗和抽水栗，產(chǎn)生水頭差壓力，使得微生物加固 液通過管路流入注水井中，并進(jìn)入砂土地基內(nèi)部進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)，同時將含有反應(yīng)副產(chǎn) 物的地下水從抽水井中抽離并排出；在砂土地基加固結(jié)束后，用現(xiàn)場施工開挖出來的砂土 將注水井和抽水井填平。
[0012] 作為優(yōu)選例，所述的微生物加固液的體積用量為砂土地基中的孔隙體積的2-4 倍。
[0013] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例的用于砂土地基中頂管施工的土體加 固裝置及加固方法，利用微生物加固液中的反硝化細(xì)菌的反硝化作用，在砂土地基內(nèi)部產(chǎn) 生碳酸鈣結(jié)晶沉淀，對頂管施工的砂土地基進(jìn)行預(yù)先加固處理，使得頂管施工中鉆孔強(qiáng)度 的穩(wěn)定性得到提升，而不易發(fā)生坍塌。砂土地基中天然地含有大量的細(xì)菌微生物，本發(fā)明采 用將反硝化細(xì)菌注入土體中的加固方法，不會像水泥土攪拌法以及水泥土粉煤灰碎石粧法 那樣釋放大量的二氧化碳造成二次污染，而是一種天然的生物化學(xué)加固方法。本發(fā)明實施 例的加固裝置，安裝方法簡單、便利、施工周期短，相對于換填墊層法和振沖法等傳統(tǒng)的地 基加固方法，對于周圍環(huán)境的影響較小，效率高，且成本較低。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)平面示意圖； 圖2是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0015] 圖中有:注水池1、注水栗2、一級注水導(dǎo)管3、注水通管4、二級注水導(dǎo)管5、注水井6、 抽水井7、二級抽水集水導(dǎo)管8、抽水集水通管9、一級抽水集水導(dǎo)管10、抽水栗11、貯水池12、 砂土地基13。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0017] 本發(fā)明中所提及的注水井6和抽水井7應(yīng)分別按照《QSY161-2007注水井作業(yè)施工 規(guī)范》和《GJJ10-86供水管井設(shè)計施工及驗收規(guī)范》進(jìn)行施工作業(yè)。本發(fā)明中所提及的注水 栗和抽水栗能提供的氣壓至少在0.5 MPa以上。
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的一種用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，包括 注水池1、注水栗2、一級注水導(dǎo)管3、注水通管4、二級注水導(dǎo)管5、注水井6、抽水井7、二級抽 水集水導(dǎo)管8、抽水集水通管9、一級抽水集水導(dǎo)管10、抽水栗11和貯水池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的出水口通過管路與注水栗 2的進(jìn)水口連接，注水栗2的出水口通過注水管道組件與注水井6的進(jìn)水口連接，抽水井7的 出水口通過抽水管道組件與抽水栗11的進(jìn)水口連接，抽水栗11的出水口通過管路與1C水池 12的進(jìn)水口連接。
[0019] 作為優(yōu)選例，所述的注水井6和抽水井7分別呈排設(shè)置，且每排注水井6和每排抽水 井7交替布設(shè)。這樣有利于從注水井6進(jìn)入砂土地基13內(nèi)部的微生物加固溶液在發(fā)生反應(yīng) 后，從抽水井7中排出。
[0020] 作為優(yōu)選例，所述的每排注水井6中，相鄰兩個注水井6的間距為4一5米;所述的每 排抽水井7中，相鄰兩個抽水井7的間距為4一5米;相鄰抽水井6和抽水井7的間距為4一5米。 每個抽水井和注水井的工作半徑為4一5米，可以滿足整個砂土地基范圍內(nèi)的加固需要。如 果間距太大，則不能夠有效地加固砂土地基;如果間距太小，會增加施工成本。
[0021] 作為優(yōu)選例，所述的注水井6底部和抽水井7底部距砂土地基13底部的距離為 0.2-0.3 m。加固液從注水井底部進(jìn)入砂土地基后，其滲流路徑可以到達(dá)距地基底部0.2- 0.3 m處的位置，可以滿足砂土底部范圍內(nèi)的加固要求。如果此距離太大，則不能夠有效地 加固砂土地基底部;如果距離太小，會增加施工成本。作為優(yōu)選，所述的注水井6和抽水井7 的直徑均為0.3-0.4 m。當(dāng)然，在工程中，可以按照實際情況劃定注水井6和排水井7的間距 和直徑。
[0022] 在上述實施例中，所述的注水管道組件由注水管道單元組成，注水管道單元的數(shù) 量與注水井6的排數(shù)相等。每個注水管道單元包括一級注水導(dǎo)管3、注水通管4以及二級注水 導(dǎo)管5,一級注水導(dǎo)管3的一端與注水栗2的出水口連接，一級注水導(dǎo)管3的另一端與注水通 管4的一端連接。注水通管4相互平行，且位于注水井6上方。二級注水導(dǎo)管5位于注水通管4 的下方，二級注水導(dǎo)管5的一端與注水通管4連通，另一端位于注水井6中。通過設(shè)置注水管 道單元，將位于注水池1中的微生物加固液引流到注水井6中。
[0023] 在上述實施例中，所述的抽水管道組件由抽水管道單元組成，抽水管道單元的數(shù) 量與抽水井7的數(shù)量相等;每個抽水管道單元包括二級抽水集水導(dǎo)管8、抽水集水通管9和一 級抽水集水導(dǎo)管10，一級抽水集水導(dǎo)管10的一端與抽水栗11的進(jìn)水口連接，一級抽水集水 導(dǎo)管10的另一端與抽水集水通管9的一端連接;抽水集水通管9相互平行，且位于抽水井7上 方;二級抽水集水導(dǎo)管8位于抽水集水通管9的下方，二級抽水集水導(dǎo)管8的一端與抽水集水 通管9連通，另一端位于抽水井7中。通過設(shè)置抽水管道單元，將含有微生物加固液在砂土中 反應(yīng)后產(chǎn)生的反應(yīng)副產(chǎn)物的地下水，從抽水井7中抽離并排出。
[0024] 在上述實施例中，所述的微生物加固液以水為溶媒并含有反硝化細(xì)菌、鈣離子、硝 酸根離子、有機(jī)物和供細(xì)菌生長的營養(yǎng)物質(zhì);其中，反硝化細(xì)菌的濃度為1〇 9-101°個/L，鈣 離子和硝酸根離子的數(shù)量比為0.9-2.2:1，有機(jī)物的質(zhì)量濃度為2-5 g/L，供細(xì)菌生長的 營養(yǎng)物質(zhì)的質(zhì)量濃度為5-10 g/L，且加固液的PH值為7-7.5。作為優(yōu)選，反硝化細(xì)菌為反 硝化桿菌、斯氏桿菌或者螢氣極毛桿菌。鈣離子和硝酸根離子均來自可溶性鈣鹽硝酸鈣。有 機(jī)物為乙醇、醋酸鹽或者葡萄糖。供細(xì)菌生長的營養(yǎng)物質(zhì)選自牛肉浸膏3-6 g/L、蛋白胨4-8 g/L或者5-10 g/L酵母膏的一種或幾種。
[0025] 利用上述的加固裝置對土體進(jìn)行加固的方法，包括以下步驟:先將微生物加固液 加入注水池1中，然后同時開啟注水栗2和抽水栗11，產(chǎn)生水頭差壓力，使得微生物加固液通 過管路流入注水井6中，并進(jìn)入砂土地基13內(nèi)部進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)，同時將含有反應(yīng)副產(chǎn)物 的地下水從抽水井7中抽離并排出；在砂土地基13加固結(jié)束后，用現(xiàn)場施工開挖出來的砂土 將注水井6和抽水井7填平。
[0026] 在上述加固方法進(jìn)行之前，先制備微生物加固液。具體包括:先將反硝化細(xì)菌按常 規(guī)方法培養(yǎng)后備用;然后在每升去離子水中加入1.2 mol的硝酸鈣、3 g的乙醇以及2 g的牛 肉浸膏，溶解均勻，形成混合溶液;最后將反硝化細(xì)菌按照濃度為1〇9_1〇1()個/L加入混合溶 液中，得到微生物加固液。
[0027] 反硝化細(xì)菌按常規(guī)方法培養(yǎng)，具體包括：先制備培養(yǎng)基，基礎(chǔ)培養(yǎng)基的制作方法 為：向1000 mL去離子水中加入NaN03 2 g，葡萄糖1.2 g和KH2P〇4 0.5g，再用堿性緩沖液調(diào) 節(jié)pH在7.0-7.5,溫度為25°C;然后進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)，取1000 mL活性污泥和1000 mL的培養(yǎng)基 加入到2.5 L的培養(yǎng)容器中，用移液槍加入250 mL的菌種。將培養(yǎng)容器放置于磁力攪拌器 上，在厭氧條件下，控制溫度25°C，pH在7.0-7.5范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速500r /min，進(jìn)行培養(yǎng)。每2天將 活性污泥靜置12h后棄去500 mL上清液，500 mL去離子水，并補(bǔ)加葡萄糖和硝酸鈉。
[0028]在上述方法中，所述的微生物加固液的體積用量為砂土地基13中的孔隙體積的 2-4倍。微生物加固液的體積用量過多時，造成加固成本的上升。微生物加固液的體積用量 過少時，不能滿足砂土地基的加固要求。本優(yōu)選例中，微生物加固液的體積用量為砂土地基 13中的孔隙體積的2-4倍。這樣，微生物加固液在砂土中反應(yīng)后，能夠較好的填充砂土地基 13中的孔隙，同時能夠控制微生物加固溶液的使用量，進(jìn)而控制成本。
[0029] 在上述方法中，將微生物加固溶液加入到注入池1中，然后利用注水栗2使得加固 溶液通過一級注水導(dǎo)管3、注水通管4和二級注水導(dǎo)管5進(jìn)入注水井6中。微生物加固溶液通 過注水井6進(jìn)入砂土地基13的孔隙中，與孔隙通道的內(nèi)壁接觸并發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生碳 酸鈣結(jié)晶沉降，在土顆粒之間形成搭橋，從而對土體顆粒形成了膠結(jié)和孔隙填充的作用。加 固機(jī)理為：
在抽水栗11的作用下，含有反應(yīng)副產(chǎn)物的砂土地基13中的地下水從抽水井7中排出，依 次通過二級抽水集水導(dǎo)管8、抽水集水通管9、一級抽水集水導(dǎo)管10,最后匯集到貯水池12 中，并同時檢測抽取出的地下水的電導(dǎo)率和銨離子濃度。如果這兩個指標(biāo)的數(shù)值均恢復(fù)到 了加固處理砂土地基13之前的水平，則抽水停止。
[0030] 上述加固方法的一具體實例： 第一步:平整場地;對待加固的砂土地基13表面進(jìn)行場地平整，去除施工范圍內(nèi)的植 物、碎石以及廢物垃圾。
[0031] 第二步：在砂土地基的表面，預(yù)先標(biāo)記注水井6和抽水井7施工位置，然后按照 《QSY161-2007注水井作業(yè)施工規(guī)范》和《GJJ10-86供水管井設(shè)計施工及驗收規(guī)范》對注水井 6和抽水井7分別進(jìn)行施工作業(yè)。
[0032] 第三步:將注水井6通過二級注水導(dǎo)管5、注水通管4以及一級注水導(dǎo)管3與注水栗2 連接;將抽水井7通過二級抽水集水導(dǎo)管8、抽水集水通管9和一級抽水集水導(dǎo)管10與空栗11 連接。
[0033]第四步:將注水栗2連接在注水池 1與一級注水導(dǎo)管3之間，將抽水栗11連接在貯水 池12與一級抽水集水導(dǎo)管10之間；向注水池1中加入微生物加固液，然后同時開啟注水栗2 和抽水栗11，使得加固液進(jìn)入砂土地基13內(nèi)部。
[0034]第五布:在砂土地基13加固結(jié)束后，將地表上的加固設(shè)備拆除，并用現(xiàn)場施工開挖 出來的砂土將注水井和抽水井填平。
[0035]通過上述對砂土地基的加固方法，對頂管施工的砂土地基預(yù)先進(jìn)行微生物原位抽 注加固處理，使得頂管施工中的鉆孔強(qiáng)度穩(wěn)定性提高，而不易發(fā)生坍塌。
[0036]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該 了解，本發(fā)明不受上述具體實施例的限制，上述具體實施例和說明書中的描述只是為了進(jìn) 一步說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和 改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)的范圍由權(quán)利要 求書及其等效物界定。
【主權(quán)項】
1. 一種用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，其特征在于，該加固裝置包括注水 池（1)、注水栗(2 )、一級注水導(dǎo)管(3 )、注水通管(4)、二級注水導(dǎo)管(5 )、注水井(6 )、抽水井 (7)、二級抽水集水導(dǎo)管(8)、抽水集水通管(9)、一級抽水集水導(dǎo)管（10)、抽水栗（11)和貯水 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)的出水口通過管路與注水栗（2 )的進(jìn)水口連接，注水栗（2 )的出水口通過注 水管道組件與注水井(6)的進(jìn)水口連接，抽水井（7)的出水口通過抽水管道組件與抽水栗 (11)的進(jìn)水口連接，抽水栗(11)的出水口通過管路與貯水池(12 )的進(jìn)水口連接。2. 按照權(quán)利要求1所述的用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，其特征在于，所述 的注水井(6)和抽水井(7)分別呈排設(shè)置，且每排注水井(6)和每排抽水井(7)交替布設(shè)。3. 按照權(quán)利要求2所述的用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，其特征在于，所述 的每排注水井(6)中，相鄰兩個注水井(6)的間距為4一5米;所述的每排抽水井(7)中，相鄰 兩個抽水井(7)的間距為4一5米;相鄰抽水井(6)和抽水井(7)的間距為4一5米。4. 按照權(quán)利要求3所述的用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，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)底部的距離為0.2-0.3 m。5. 按照權(quán)利要求2所述的用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，其特征在于，所述 的注水管道組件由注水管道單元組成，注水管道單元的數(shù)量與注水井(6)的排數(shù)相等;每個 注水管道單元包括一級注水導(dǎo)管（3)、注水通管（4)以及二級注水導(dǎo)管（5)，一級注水導(dǎo)管 (3)的一端與注水栗(2)的出水口連接，一級注水導(dǎo)管(3)的另一端與注水通管(4)的一端連 接;注水通管(4)相互平行，且位于注水井(6)上方;二級注水導(dǎo)管(5)位于注水通管(4)的下 方，二級注水導(dǎo)管(5)的一端與注水通管(4)連通，另一端位于注水井(6)中。6. 按照權(quán)利要求5所述的用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，其特征在于，所述 的抽水管道組件由抽水管道單元組成，抽水管道單元的數(shù)量與抽水井(7)的數(shù)量相等;每個 抽水管道單元包括二級抽水集水導(dǎo)管(8)、抽水集水通管(9)和一級抽水集水導(dǎo)管（10)，一 級抽水集水導(dǎo)管（10 )的一端與抽水栗（11)的進(jìn)水口連接，一級抽水集水導(dǎo)管（10 )的另一端 與抽水集水通管(9)的一端連接;抽水集水通管(9)相互平行，且位于抽水井(7)上方;二級 抽水集水導(dǎo)管(8)位于抽水集水通管(9)的下方，二級抽水集水導(dǎo)管(8)的一端與抽水集水 通管(9)連通，另一端位于抽水井(7)中。7. 按照權(quán)利要求1所述的用于砂土地基中頂管施工的土體加固裝置，其特征在于，所述 的微生物加固液以水為溶媒并含有反硝化細(xì)菌、鈣離子、硝酸根離子、有機(jī)物和供細(xì)菌生長 的營養(yǎng)物質(zhì)；其中，反硝化細(xì)菌的濃度為IO 9-1〇1()個/L，鈣離子和硝酸根離子的數(shù)量比為 0.9-2.2 :1，有機(jī)物的質(zhì)量濃度為2-5 g/L，供細(xì)菌生長的營養(yǎng)物質(zhì)的質(zhì)量濃度為5-10 g/L，且加固液的PH值為7-7.5。8. -種用于砂土地基中頂管施工的土體加固方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 先將微生物加固液加入注水池（1)中，然后同時開啟注水栗(2)和抽水栗（11)，產(chǎn)生水頭差 壓力，使得微生物加固液通過管路流入注水井(6)中，并進(jìn)入砂土地基（13)內(nèi)部進(jìn)行生物化 學(xué)反應(yīng)，同時將含有反應(yīng)副產(chǎn)物的地下水從抽水井(7)中抽離并排出；在砂土地基（13)加固 結(jié)束后，用現(xiàn)場施工開挖出來的砂土將注水井(6 )和抽水井(7 )填平。9. 按照權(quán)利要求8所述的用于砂土地基中頂管施工的土體加固方法，其特征在于，所述 的微生物加固液的體積用量為砂土地基(13)中的孔隙體積的2-4倍。
【文檔編號】E02D3/10GK105951708SQ201610385198
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】杜延軍, 周敏, 蔣寧俊
【申請人】東南大學(xué)