一种超深基坑中水平减渗帷幕形成用装置及其应用

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种超深基坑中水平减渗帷幕形成用装置及其应用。

背景技术

伴随着城市发展对地下空间需求的不断升级，工程建设所涉及的基坑也不断从浅基坑向深基坑发展。基坑工程出现的问题很多都是由于地下水渗流问题所引起的，造成大量经济损失。

目前的支挡隔渗单通过竖向帷幕难以实现，通过立体帷幕体系来实现超深基坑工程中的降水控制。传统的水平帷幕形成方法多采用搅拌桩、地下连续墙和高压喷射注浆技术施工，其最大施工深度在50m左右，难以在埋深较深的含水层中形成水平帷幕，同时，其施工过程会破坏承压含水层土体的原有结构。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够实现超深基坑的水平减渗帷幕的形成，对于目前技术无法施作水平帷幕的超深基坑实现良好隔水效果有重大意义的超深基坑中水平减渗帷幕形成用装置及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超深基坑中水平减渗帷幕形成用装置，该装置包括：

至少一个回灌井水驱机构，用于将水灌入基坑底部土层，并形成驱动渗流场，以驱动后续浆液的定向扩散运移；

多个回灌井注入机构，用于向土层中灌入浆液；

帷幕形成机构，用于向回灌井注入机构中提供浆液；

所述的回灌井水驱机构包括内圈回灌井，所述的回灌井注入机构包括注入回灌井和中心回灌井，所述的注入回灌井分布在内圈回灌井的外圈，所述的中心回灌井位于内圈回灌井内圈。

进一步地，所述的回灌井水驱机构还包括：

抽水泵，用于将外界提供的水抽进内圈回灌井，抽水泵是具备一进一出的抽水排水的仪器；

进水管，用于传输水体；

所述的进水管一端与抽水泵相连，另一端插入内圈回灌井中。

进一步地，所述的回灌井水驱机构还包括：

增压泵，用于增大进水管中流体的水压，可使回灌效率更高；

封闭井盖，用于使增压泵增加的水压不消散；

所述的增压泵设置在进水管上，所述的封闭井盖位于内圈回灌井的顶部，并开设有供进水管插入的进水口。

回灌井水驱机构形成的一定水压的水灌入基坑底部土层，与周围地下水水位之间形成水头差，从而形成以内圈回灌井为锥顶的倒置漏斗状的驱动渗流场驱动后续浆液的定向扩散运移。

进一步地，所述的回灌井注入机构还包括：

浆液储罐，用于存储微生物诱导碳酸钙沉淀浆液；

注射器，用于将浆液储罐中的浆液加到注入回灌井；

进液管，用于传输浆液，进液管是一种特制软胶管，管壁光滑不易残留浆液形成沉淀；

所述的进液管一端与注射器相连，另一端插进注入回灌井中。

回灌井注入机构向土层中灌入微生物诱导碳酸钙沉淀技术用到的浆液，并在内圈回灌井形成的渗流场下扩散运移。

进一步地，所述的帷幕形成机构包括：

巴氏芽孢杆菌菌液储罐，用于存储可催化尿素水解产生脲酶的巴氏芽孢杆菌菌液；

CaCl

尿素溶液储罐，用于存储可改善土体的性质，如渗透性降低和强度的提高，的尿素溶液；

所述的巴氏芽孢杆菌菌液储罐、CaCl

巴氏芽孢杆菌菌液是一种环境友好型的优选菌种，用于产生催化尿素水解的脲酶；CaCl

进一步地，所述的注入回灌井可以设有多层，并逐级分布在内圈回灌井的外圈。

进一步地，所述的回灌井注入机构外还设有多个抽水井，用于对浆液的迁移起到牵引作用。

一种如上所述的超深基坑中水平减渗帷幕形成用装置的应用，该装置应用于水平帷幕的形成，具体包括以下步骤：

(1)利用增压泵向内圈回灌井进行回灌，形成渗流场；当地下水渗流量与回灌井的注入量保持平衡时，回灌水位将不会再继续上升达到稳定，这时候在内圈回灌井周围形成的水位上升锥形状与抽水时形成的下降漏斗相似，方向相反，内圈回灌井形成的渗流场就是一个由内圈回灌井向四周渗流的渗流场；

(2)通过注射器向注入回灌井灌入浆液；为了防止注浆时在注入回灌井管口处聚集大量由MICP反应过程生成碳酸钙，造成回灌井注入回灌井堵塞，内圈回灌井继续保持灌水，利用内圈回灌井形成的渗流场不断向外驱动由外圈层注入回灌井注入的浆液，让注入的MICP技术的浆液不在注入回灌井长时间停滞；为了消除注入回灌井的堵塞，灌浆一定时间后，也可以对注入回灌井进行间断性反冲洗；

(2-1)先灌入巴氏芽孢杆菌菌液；

(2-2)再灌入CaCl

(2-3)最后灌入胶结液，按照上述步骤不断一圈一圈向内进行，最终在整个基坑范围内形成水平帷幕；

(3)向中心回灌井依次灌入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液，充填最后区域。

进一步地，所述的巴氏芽孢杆菌菌液的浓度约为3000-5000mg/L，OD

进一步地，所述的内圈回灌井的灌水率为1000-2000m

与现有技术相比，本发明用于基坑工程，运用回灌井水驱系统、回灌井注入系统、帷幕形成系统，通过稳定渗流场驱动、MICP浆液注入、菌液固化土体等步骤能够实现超深基坑的水平减渗帷幕的形成，对于目前技术无法施作水平帷幕的超深基坑实现良好隔水效果有重大意义。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图中标号所示：抽水泵11、进水管12、增压泵13、封闭井盖14、内圈回灌井15、注射器21、进液管22、注入回灌井23、浆液储罐24、巴氏芽孢杆菌菌液储罐31、CaCl

图2为本发明回灌井分圈层布置图；

图3为本发明内圈回灌井形成稳定渗流场示意图；

图4为实施例1-5中回灌井布置图；

图5为实施例1中回灌后坑内上升水位与时间关系曲线；

图6为实施例1中不同时间段巴氏芽孢杆菌水平迁移图；

图7为实施例1中不同时间段巴氏芽孢杆菌垂向迁移图；

图8为实施例1中细菌覆盖面积随时间变化曲线；

图9为实施例2中回灌后坑内上升水位与时间关系曲线；

图10为实施例2中不同时间段巴氏芽孢杆菌水平迁移图；

图11为实施例2中不同时间段巴氏芽孢杆菌垂向迁移图；

图12为实施例3中不同时间段巴氏芽孢杆菌水平迁移图；

图13为实施例3中不同时间段巴氏芽孢杆菌垂向迁移图；

图14为实施例2-5中不同菌液灌入率灌入1天细菌水平迁移图；

图15为实施例2-5中不同菌液灌入率灌入1天细菌垂向迁移图；

图16为实施例2-5中细菌覆盖面积随时间变化曲线；

图17为实施例2-5中细菌覆盖面积随灌入率变化曲线；

图18为实施例5中灌入菌液4天后细菌迁移图；

图19为实施例6-10中回灌井布置图；

图20为实施例6中不同时间段巴氏芽孢杆菌水平迁移图；

图21为实施例6中不同时间段巴氏芽孢杆菌垂向迁移图；

图22为实施例7中巴氏芽孢杆菌迁移图；

图23为实施例8中巴氏芽孢杆菌迁移图；

图24为实施例8中停止灌入菌液后内圈渗流场驱动巴氏芽孢杆菌迁移图；

图25为实施例9中固定液迁移图；

图26为实施例10中胶结液迁移图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种超深基坑中水平减渗帷幕形成用装置，如图1，该装置包括：至少一个回灌井水驱机构，用于将水灌入基坑底部土层，并形成驱动渗流场，以驱动后续浆液的定向扩散运移；多个回灌井注入机构，用于向土层中灌入浆液；帷幕形成机构，用于向回灌井注入机构中提供浆液；回灌井水驱机构包括内圈回灌井15，回灌井注入机构包括注入回灌井23和中心回灌井，注入回灌井23分布在内圈回灌井15的外圈，中心回灌井位于内圈回灌井15内圈。注入回灌井23设有多层，并逐级分布在内圈回灌井15的外圈，如图2。

回灌井水驱机构还包括：抽水泵11，用于将外界提供的水抽进内圈回灌井15，抽水泵11是具备一进一出的抽水排水的仪器；进水管12，用于传输水体；进水管12一端与抽水泵11相连，另一端插入内圈回灌井15中。还包括：增压泵13，用于增大进水管12中流体的水压，可使回灌效率更高；封闭井盖14，用于使增压泵13增加的水压不消散；增压泵13设置在进水管12上，封闭井盖14位于内圈回灌井15的顶部，并开设有供进水管12插入的进水口。回灌井水驱机构形成的一定水压的水灌入基坑底部土层，与周围地下水水位之间形成水头差，从而形成以内圈回灌井15为锥顶的倒置漏斗状的驱动渗流场驱动后续浆液的定向扩散运移。还包括：浆液储罐24，用于存储微生物诱导碳酸钙沉淀浆液；注射器21，用于将浆液储罐24中的浆液加到注入回灌井23；进液管22，用于传输浆液，进液管22是一种特制软胶管，管壁光滑不易残留浆液形成沉淀；进液管22一端与注射器21相连，另一端插进注入回灌井23中。回灌井注入机构向土层中灌入微生物诱导碳酸钙沉淀技术用到的浆液，并在内圈回灌井15形成的渗流场下扩散运移。

帷幕形成机构包括：巴氏芽孢杆菌菌液储罐31，用于存储可催化尿素水解产生脲酶的巴氏芽孢杆菌菌液；CaCl

在深基坑工程的降水过程中，随着地下水位的降低，原地下水位以下的土体的有效应力增加，土体发生固结，进而导致基坑周围地面发生沉降。回灌井往常是用来向承压含水层中回灌地下水，控制地下水位，已达到消除或降低因为深基坑降水而引起的周围环境的地面沉降的目的。本发明所用回灌井的主要目的不是在于基坑降水时控制周围环境的地面沉降，而是在基坑降水之前利用回灌井将MICP技术所用到的浆液灌入地下含水层中形成水平帷幕，当然水平帷幕形成以后，在后期的基坑降水过程中也可利用已有的回灌井控制周围地面沉降。

将水通过回灌井灌入地下含水层时，回灌井周围的地下水位就会不断上升，上升后的水位称为回灌水位，这时回灌井形成的回灌水位就会与周围的地下水水位之间形成一个水头差，由回灌井注入的水就会在含水层中发生渗流，形成渗流场。本发明就是利用这种由回灌井形成的渗流场来驱动MICP技术所用的溶液形成水平帷幕，具体包括以下步骤：

(1)利用增压泵13向内圈回灌井15进行回灌，形成渗流场，如图3；当地下水渗流量与回灌井的注入量保持平衡时，回灌水位将不会再继续上升达到稳定，这时候在内圈回灌井15周围形成的水位上升锥形状与抽水时形成的下降漏斗相似，方向相反，内圈回灌井15形成的渗流场就是一个由内圈回灌井15向四周渗流的渗流场；其中，内圈回灌井15的灌水率为1000-2000m

(2)通过注射器21向注入回灌井23灌入浆液；为了防止注浆时在注入回灌井23管口处聚集大量由MICP反应过程生成碳酸钙，造成回灌井注入回灌井23堵塞，内圈回灌井15继续保持灌水，利用内圈回灌井15形成的渗流场不断向外驱动由外圈层注入回灌井23注入的浆液，让注入的MICP技术的浆液不在注入回灌井23长时间停滞；为了消除注入回灌井23的堵塞，灌浆一定时间后，也可以对注入回灌井23进行间断性反冲洗；注入回灌井23的浆料灌入率为100-400m

(2-1)先灌入巴氏芽孢杆菌菌液；其中，巴氏芽孢杆菌菌液的浓度约为3000-5000mg/L，OD

(2-2)再灌入CaCl

(2-3)最后灌入胶结液，按照上述步骤不断一圈一圈向内进行，最终在整个基坑范围内形成水平帷幕；其中，胶结液浓度为1-2mol/L，包括摩尔比为1:(0.8-1.2)的尿素和CaCl

(3)向中心回灌井依次灌入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液，充填最后区域。

最后，采用MT3DMS对各溶液溶质的迁移情况进行数值模拟，研究水平减渗帷幕的形成过程；在基坑范围内分区域分阶段采用三步灌浆法形成水平帷幕，通过合理地控制回灌井的位置和深度、滤管埋深和长度、回灌率等，在指定的位置形成指定厚度和设计要求渗透系数的水平帷幕的方案；利用MICP灌浆技术形成水平帷幕数值模拟的结果从理论上证明利用MICP灌浆技术形成水平帷幕的可行性。

模拟时，回灌井结构信息如表1所示，弥散度参数如表2所示，灌入的场所为上海第II承压含水层中的上海⑨层粉细砂，溶质迁移方程如公式1所示。

表1回灌井结构信息表

表2弥散度参数表

MT3DMS是基于经典的对流-弥散概念模型，MICP技术所用巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液在上海第II承压含水层的溶质对流-弥散、吸附、迁移的方程如下公式1所示：

式中：

θ-孔隙度，无量纲

C-溶质浓度(M·L

t-时间(T)

x

D

v

q

C

∑R

实施例1

本实施例中内圈回灌井15设有至少4个，分别位于图4中的2-1(995,1005.5)、2-2(1005,1005.5)、2-3(995,994.5)、2-4(1005,945.5)，其中横向间隔10m，纵向11m。注入回灌井23设有至少12个，分别位于图4中的1-1(985,1016.5)、1-2(995,1016.5)、1-3(1005,1016.5)、1-4(1015,1016.5)、1-5(985,1005.5)、1-6(1015,1005.5)、1-7(985,994.5)、1-8(1015,994.5)、1-9(985,983.5)、1-10(995,983.5)、1-11(1005,983.5)、1-12(1015,983.5)。中心回灌井位于图4中的3(1000,1000)。

步骤(1)运行时，向内圈回灌井15中灌水，灌水率为1000m

步骤(2)运行时，向注入回灌井23按照三步注浆法注入：即先灌入巴氏芽孢杆菌菌液，再灌入0.5mol/L的CaCl

步骤(3)运行时，向中心回灌井灌入巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液的灌入率均为100m

表3溶质迁移参数表

由于尿素在上海⑨层粉细砂中的吸附量极低，直接以Ca

一般而言，内圈回灌井15先以1000m

在形成稳定渗流场以后，注入回灌井23以100m

由图8可知，细菌迁移后的覆盖面积随着持续灌入菌液时间的增加而增加，但是若灌注持续时间过长，灌入的菌液会绕过竖向帷幕流入基坑外的地下水中(图6d、图7d)，对坑外环境造成影响。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中的灌水率变为2000m

如图9所示，渗流场在5天以后达到稳定，此时外圈注入回灌井23开始灌入菌液，得到细菌迁移情况如图10-11所示。

不过，由图10-11与实施例1的图6-7对比可知，增大内圈回灌井15的回灌率不但没有增加有效高浓度菌液的迁移覆盖面积，反而加快了菌液外漏，减小了有效浓度覆盖面积。因此，增大形成渗流场的内圈回灌井15的回灌率作用不大。

实施例3

与实施例1的不同之处在于，步骤(2)中巴氏芽孢杆菌菌液的灌入率变为200m

由实施例3计算结果得到的图12-13与实施例1的图6-7对比可知，增大外圈注入回灌井23的菌液灌入率明显增大了有效菌液浓度的覆盖面积。将回灌井灌入的菌液迁移的平面覆盖范围概化为椭圆，计算出实施例1和实施例3有效菌液浓度的覆盖面积，发现在第4天有效菌液浓度的覆盖面积由实施例1的62.1m

实施例4

与实施例1的不同之处在于，步骤(2)中巴氏芽孢杆菌菌液的灌入率变为300m

实施例5

与实施例1的不同之处在于，步骤(2)中巴氏芽孢杆菌菌液的灌入率变为400m

将实施例4-5的计算结果与实施例1-3对比分析，讨论不同的菌液灌入率对巴氏芽孢杆菌迁移的影响，结果如图14-17。

由图14可知，随着菌液灌入率的增加，细菌覆盖的面积也随之增加，为了定量评价菌液灌入量与覆盖面积之间的关系，将单口回灌井灌入的菌液迁移的平面覆盖范围概化为椭圆，计算出实施例1、3、4、5不同时间段的细菌覆盖面积，如图16-17所示。

由图16可知，在同一巴氏芽孢杆菌菌液灌入率条件下，随着持续灌入菌液时间的增加，细菌的覆盖面积随之增加，但是曲线斜率随时间增加而变小，覆盖面积增长率减小，即随着灌入时间的增加，持续灌入菌液所能达到的效果在逐渐降低，尤其是3d以后，各灌入率对应的有效覆盖面积的增长极低。从菌液活性的角度来考虑，持续灌入菌液的时间越长，前期灌入的菌液的活性已经随着时间增加而开始慢慢降低。

由图17可知，在持续灌入菌液时间相同的条件下，菌液灌入率越高，细菌迁移覆盖的面积就越大，且并没有出现随着时间的增长而导致覆盖面积增加效果降低的现象。若要达到设计的细菌覆盖面积，灌入菌液应当在尽量短时间内灌注完成，不可长时间灌注。由图17可知，400m

实施例6

与实施例5的不同之处在于，注入回灌井23设有至少24个，如图19，将400m

由图20-21可知，增加外圈灌入菌液的注入回灌井23的数量可以有效增加菌液的覆盖面积，填补实施例5所不能覆盖的空白区域。当持续灌入菌液2天后，增加的覆盖面积已经不再明显，第3天时基本已经实现了覆盖设计要求的全部区域，菌液开始向竖向帷幕外渗流，因此注入菌液的持续时间不宜超过3天。

因此，在灌入总量不变的情况下，将一口回灌井的灌入量拆分为两口井进行灌入，能够达到更好的效果。

但持续灌入时间过长，前期灌入的菌液的活性会降低，为了保证菌液的活性，应当在尽量短的时间内灌注完成。根据实施例6的分析结果，每口井以200m

实施例7

与实施例6的不同之处在于，将每个注入回灌井23菌液灌入率增加至400m

由图22可知，以400m

实施例8

与实施例7的不同之处在于，回灌井注入机构外，在竖向帷幕四个角落还设有抽水井，用于对浆液的迁移起到牵引作用，计算结果如图23所示。

由图23可知，在四个角落增设抽水井以后能够对细菌的迁移起到牵引作用，使细菌到达竖向帷幕的角落。由图23与图22对比可知，由于抽水井的牵引作用，流出竖向帷幕外的菌液量有所减小。

为了避免菌液再回灌井井口处聚集，后期MICP反应生成碳酸钙堵塞回灌井口，可以采用冲洗灌入菌液的注入回灌井23的方法，也可以采用在停止灌入菌液后内圈回灌井继续灌入水驱动注入回灌井23口处菌液向外迁移的方法。图24为在停止灌注菌液后，内圈注入回灌井23继续灌水0.5d的情况，由图24可知，已经灌入的菌液会在渗流场的驱动下离开注入回灌井23，避免MICP反应生成的碳酸钙堵塞注入回灌井23。

实施例9

为了提高砂土内生成的碳酸钙的均匀性，在灌入菌液后待细菌附着在土颗粒表面后，再灌入0.05mol/L的CaCl

与实施例8的不同之处在于，步骤(2)中CaCl

实施例10

在确定巴氏芽孢杆菌菌液的灌入方案后，在此方案的基础上将灌入的菌液换为1.5mol/L的胶结液。胶结液由CaCl

与实施例9的不同之处在于，步骤(2)中胶结液的灌入率变为400m

传统的水平帷幕形成方法所用的材料如水泥、石灰胶凝材料等会对地下水的生态环境造成不良影响。传统的灌浆材料也难以进入上海⑨层粉细砂层这种孔隙较小的砂层中，利用传统技术形成水平帷幕势必会破坏含水砂层的结构。本发明选用的MICP技术所用的浆液为巴氏芽孢杆菌菌液、CaCl

根据以上实施例的记载，MICP技术所用溶液的溶质在上海⑨层粉细砂层中吸附性小，阻滞效应弱，利用回灌井形成的渗流场来驱动各溶液在上海⑨层粉细砂层中的基坑范围内实现迁移，覆盖基坑底部范围是可行的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。