本發明涉及巖土工程的基礎處理技術領域，具體涉及一種在粉細砂地層進行微生物固化的裝置及施工方法。
背景技術：
由于我國城市化進程不斷加快，對各類基礎設施建設需求旺盛，建筑工程領域整體活躍，在各類工程建設中都會遇到不能直接滿足工程要求的不良土體，其中粉細砂層最為常見。
所謂粉細砂是指粒徑大于0.075mm的顆粒超過全部質量的50％，粒徑小于0.25mm的顆粒，其含量超過全部質量的50％的砂土。其工程性質介于砂性土與粘性土之間，在天然狀態下，結構松散，密度也較低，在自重的作用下即可壓密，粉細砂的工程性質包括：(1)粉細砂的粒徑分布均勻，且粒徑范圍很小，結構松散，在外界荷載作用下，容易變形；(2)粉細砂體主要靠取決于粒間法向壓力的粒間摩擦力維持本身穩定和承載能力，受剪力的作用下土體容易失穩；(3)在被水飽和情況下，粉細砂在荷載作用下的變形速率加大，按變形控制的承載力較低；(4)粉細砂滲透系數一般為l0-3cm/s左右，屬于中等透水性，抗滲透能力較差，容易產生流土、管涌等滲透破壞；(5)飽和粉細砂在往復剪切作用下，容易產生液化現象。粉細砂層在水頭壓力作用下易產生滲漏，且強度較低，對各類建筑物的安全構成潛在危害，因此對粉細砂層進行有效的防滲加固是很多地下工程必須要解決的技術難題。
灌漿技術是粉細砂層防滲加固的重要手段之一。傳統的粉細砂層防滲加固處理技術大多是利用大型機械將膠凝材料注入粉細砂層孔隙中達到防滲加固效果。工程中常見的注漿材料有：水泥類漿液（水泥漿、水泥-水玻璃漿等）、水玻璃-氯化鈣漿液、水玻璃-鋁酸鈉漿液、樹脂類漿液和丙酸酰胺類漿液、木胺類漿液等。粉細砂層結構致密，一般的顆粒性注漿材料，如水泥類材料很難注進，效果差，且石灰、粉煤灰等材料生產時需要大量礦石燃料的燃燒，產生大量溫室氣體，能耗高、環境污染嚴重；水玻璃-氯化鈣和水玻璃-鋁酸鈉漿液注漿工藝復雜，可操作性差，且漿液原材料來源困難，工程采用率低；樹脂類漿液和丙酸酰胺類漿液成本較高，不適合工程大規模使用；木胺類漿液有毒性，使用后環境污染嚴重，也不適合工程使用。水玻璃和以水玻璃為主劑的漿液使用比較早，可分為堿性水玻璃漿液和酸性水玻璃漿液，堿性水玻璃固沙強度很低且伴有堿析出，容易造成環境中的堿性污染；酸性水玻璃雖然固沙性能稍高，穩定性較好，但是注漿后凝聚過快，擴散性能極差，而且水玻璃類的灌漿材料其耐久性差，不適合于永久工程中使用。
近20年來，學科上的交叉在處理這些基礎問題上展現出來極大的優勢，利用微生物進行土體改性，從理論到技術都有了較大的發展，利用微生物對生態環境和可持續發展有著深遠的意義。地基土中存在著永久生物，在靠近地表部分，每公斤土中至少含有1012的微生物，在地基處理的典型深度范圍內（如2～30m），每公斤土中微生物種群數量沿深度會下降到1011～106，將土視為一種活生態系統，長期以來其對巖土工程特性的影響被忽略了。土層中存在的生物活動和生化反應使利用自然和自發的方法進行土層加固成為可能，Mitchell &Santamarina在2005年第一次明確討論了生物過程在巖土工程中作用；美國國家研究委員會（NRC）在2006年把這一問題列入了21世紀重要研究課題；2007年第一屆國際生物巖土工程研討會對這個新興領域進行了跨學科交流；2011年9月第二屆生物土壤工程及相會作用研討會在劍橋大學舉行；其他國際和各國相應研討會的舉辦，使得該領域的研究進展很快。
利用微生物的新陳代謝功能或其在土層中活動過程對土層進行加固，在特定的環境以及營養條件下，巖土中存在的某些微生物通過新陳代謝或降解作用能快速析出多種礦物結晶，如碳酸鹽、磷酸鹽、氧化物、硫化物、硅華以及胞外聚合物等。微生物誘導碳酸鈣沉積技術（MICP）利用尿素水解、硫酸鹽還原、脂肪酸發酵、反硝化作用等微生物生化過程對土層進行防滲加固處理。根據已有研究，尿素水解過程所誘導出的碳酸鈣數量最多，加固效果最好，其基本過程為：微生物新陳代謝產生脲酶，如周圍環境中存在尿素和鈣鹽、營養液，則脲酶水解尿素生成氨氣和二氧化碳，細菌細胞膜界面處帶負電荷的有機質不斷吸附帶正電荷的鈣離子，與水解尿素生成的碳酸根離子礦化沉積出碳酸鈣，其中微生物生命周期過程中新陳代謝的有機產物與無機礦物之間有著復雜的生物礦化作用，無機相的結晶嚴格受生物分泌有機質的控制。然而，將微生物漿液灌入深厚粉細砂層起到加固作用的報道并不多見。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種造價低廉、環保無毒且施工效果可靠的對深厚粉細砂地層進行微生物固化的裝置及施工方法。
本發明一方面提供一種在粉細砂地層進行微生物固化的裝置，包括菌液培養罐12、微生物漿液攪拌機10、混合鈣源槽11，微生物漿液攪拌機10通過輸送管路13分別與菌液培養罐12、混合鈣源槽11相連，
鉆機利用跟管護壁成孔方式鉆進至待處理地層的底部，鉆孔孔徑應滿足灌漿的直徑要求，一般不宜小于108mm；
在護壁套管4的底部下高壓射漿管6；
通過在高壓射漿管6出漿段灌漿封堵模袋2阻塞的方式封閉護壁套管4與高壓射漿管6之間的空隙；
高壓化學灌漿泵9將微生物漿液通過高壓灌漿管7和高壓射漿管6采用純壓式灌注施工。
進一步，所述菌液培養罐12容積不小于1m3。
進一步，所述微生物漿液攪拌機10容量不小于500L，攪拌速度小于100r/min。
進一步，所述高壓射漿管6和高壓灌漿管7均采用高壓灌漿管件，管徑不大于50mm，最大承壓能力為10MPa。
進一步，所述高壓化學灌漿泵9，灌注微生物漿液時排量為0～50L/min，最大可達50L/min，最大泵口壓力為6MPa。
本發明的另一方面還提供利用上述裝置進行微生物固化的施工方法，包括如下步驟：
步驟1）鉆機鉆進粉細砂地層3，利用跟管護壁鉆進至待處理地層的底部后上拔0～10cm，并在護壁套管4的底部下高壓射漿管6；利用模袋灌漿進行孔內封閉，將高壓射漿管6和護壁套管4之間的空隙封閉，解決了微生物漿液在孔內上串導致的高壓灌漿管7上拔的難題和大大減少了孔內、管內占漿；
步驟2）配制微生物漿液；
步驟3）用高壓化學灌漿泵9將所述步驟2）中微生物漿液通過高壓射漿管6泵入選定的灌漿段，在高壓化學灌漿泵9壓力作用下，微生物漿液逐步擴散，灌漿壓力也逐步提高達到設定的灌漿壓力，漿液的注入率將逐步降低，直至達到設定的注入率，本段即可結束；
其中灌漿壓力為3MPa，控制漿液的注入率為2～10L/min，結束時的注入率一般可設為0.5L/min；
步驟4）將護壁套管4連同高壓射漿管6采用拔管機5上拔，根據注入率的情況，緩慢上拔5～50cm至上一灌漿段；
重復步驟3）~4），直至所有待處理的粉細砂地層3灌漿段都完成微生物漿液灌漿；
步驟5）待處理的灌漿段全部結束后，沖洗高壓射漿管6后卸下，再對攪拌機、泵、管路進行清洗。移至下一孔進行灌注。待凝7~14d后本孔即可達到齡期要求。
進一步，所述步驟2）包括：
步驟a，配制微生物菌液，所述微生物菌液是由巴氏芽孢桿菌菌液和培養液組成，其中，每1L培養液含有酵母提取物15～25g，（NH4）2SO4 8～12g，0.13mol的Tris，以及混合鈣液，調節菌液pH值為6.24,以適應巴氏芽孢桿菌生長；其中，混合鈣液由尿素、硝酸鈣和氯化鈣組成，摩爾比為2:1:1；
步驟b，將巴氏芽孢桿菌在培養液中培養24h；
步驟c，將步驟b中的微生物混合液在微生物漿液攪拌機10中混合攪拌2～3min。
進一步，所述步驟a中混合鈣液體積與巴氏芽孢桿菌菌液體積比為1.5～2:1。
進一步，所述巴氏芽孢桿菌菌液的接種比例為10%，培養溫度28℃～35℃。
進一步，所述在粉細砂地層3進行微生物固化的方法采用自下而上、逐步分段的灌漿施工方法，可對粉細砂地層3有針對性地分段滲透和擴散；最大灌漿段長不超過0.5m，拔管時根據吃漿情況，上拔長度為5cm~50cm，自由選擇不同的灌漿段長。
進一步，微生物漿液表觀粘度一般小于5mPa.s，密度略大于1.0g/cm3；7d固砂體無側限抗壓強度大于3MPa；28d固砂體無側限抗壓強度大于5MPa，固砂體滲透系數小于5.0×10-5cm/s。
進一步，灌漿過程采用灌漿壓力和漿液注入率的雙限控制技術，即可保證微生物漿液的滲透效果和擴散范圍，也可防止產生過大的漿液浪費。具體的雙限控制值應通過地質情況、設計要求和施工要求來確定。
進一步，根據工程要求、地層情況和灌注情況等因素進行綜合分析，以一定的孔間距進行鉆孔，依照上述步驟完成單一灌漿孔的微生物灌注，可形成完整的防滲帷幕或加固區域，從而實現對需處理的粉細砂地層的防滲加固。
本發明的有益效果體現在：
本發明一種在粉細砂地層進行微生物固化的裝置及施工方法可以進一步推動綠色灌漿技術的發展，采用的微生物漿液是完全的溶液漿材，配比合理，在粉細砂地層中滲透性好，擴散均勻，固結效果明顯，是環境友好型能源節約型工藝。施工工藝簡單，操作性強，低能耗，擾動小，效果可靠，成本節約，可廣泛應用于巖土工程領域的各種水下建筑物及基礎、隧道、橋樁以及圍堰等粉細砂地層的防滲堵漏工程中，土體在微生物固化作用下強度提高和滲透性下降，本發明為微生物生化機理的灌漿技術處理地基提供新的方向。
本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的主要目的和其它優點可通過在說明書、權利要求書中所特別指出的方案來實現和獲得。
附圖說明
下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
圖1為在粉細砂地層進行微生物固化的施工方法示意圖。
附圖標記：1-灌漿孔、2-封堵模袋、3-粉細砂地層、4-護壁套管、5-拔管機、6-高壓射漿管、7-高壓灌漿管、8-回漿管、9-高壓化學灌漿泵、10-微生物漿液攪拌機、11-混合鈣源槽、12-菌液培養罐、13-輸送管路、14-菌液輸送泵、15-鈣源輸送泵、16-灌漿斗。
具體實施方式
在本發明中，利用微生物灌漿對粉細砂地層進行防滲加固的工作原理是通過微生物代謝中間產物碳酸鈣來實現的，微生物分解出一種尿素酶，尿素酶可以水解尿素產生碳酸根離子，同時微生物細菌細胞膜界面處帶負電荷的有機質不斷吸附帶正電荷的鈣離子，碳酸根離子同鈣離子沉積出碳酸鈣，最終通過碳酸鈣達到加固效果。微生物誘導碳酸鈣，菌液濃度、菌液活性、菌液單體活性均是評價固化效果的影響因素，活性越高的微生物菌液，其誘導碳酸鈣能力越強，進而加固砂效果也越理想。
微生物漿液為溶液型漿液，其表觀粘度一般小于5mPa.s，根據溶液型牛頓流體灌漿的滲透和擴散機理，讓微生物漿液在粉細砂層中進行滲透、擴散，達到足夠遠的擴散距離和充分均勻地充填粉細砂層空隙，并在自身微生物新陳代謝作用下產生碳酸鈣，充填粉細砂層間的空隙，然后膠結在一起，形成具有一定強度的固砂體，從而達到防滲加固的目的，一般加固后其固砂體28d抗壓強度可到5MPa以上，滲透系數小于5.0×10-5cm/s以下。
典型微生物漿液灌漿施工過程如下：
（1）采用風動鉆機鉆進粉細砂地層3，利用跟管護壁4鉆進至待處理地層的底部，挪開鉆機，灌漿孔1可放孔待灌;
（2）將合適的微生物菌種（如巴氏芽孢桿菌，編號ATCC11859）在適應條件（接種比例、溫度和pH環境）下培養成微生物菌液，待用；
（3）與尿素、硝酸鈣及氯化鈣的混合鈣液在微生物漿液攪拌機10中混合、攪拌后形成微生物灌漿漿液；
（4）將待灌鉆孔中的護壁套管4上拔0～10cm，在護壁套管4的底部下高壓射漿管6；利用模袋灌漿進行孔內封閉，將高壓射漿管6和護壁套管4的空隙封閉；
（5）用高壓化學灌漿泵9將微生物灌漿漿液通過高壓射漿管6泵入選定的灌漿段，微生物灌漿漿液是完全的溶液漿材，在粉細砂地層中可以進行滲透、擴散。在高壓化學灌漿泵9壓力作用下，微生物漿液逐步擴散，灌漿壓力也逐步提高達到設定的灌漿壓力，漿液的注入率將逐步降低，直至達到設定的注入率，本段即可結束；
（6）將護壁套管4連同高壓射漿管6采用拔管機5上拔，根據注入率的情況，緩慢上拔5~50cm至上一灌漿段，重復以上的過程，直至所有待處理的粉細砂灌漿段都完成微生物漿液灌漿；
（7）待處理的灌漿段全部結束后，對攪拌機、泵（高壓化學灌漿泵9、菌液輸送泵14、鈣源輸送泵15）、管路等進行清洗。移至下一孔進行灌注。待凝7~14d后本孔即可達到齡期要求;
（8）根據工程要求、地層情況和灌注情況等因素進行綜合分析，以一定的孔間距（一般為2~3m）進行鉆孔施工，依照上述步驟（1）~（7）完成單一灌漿孔的微生物灌注，可形成完整的防滲帷幕或加固區域，從而實現對需處理的粉細砂地層的防滲加固。具體的施工參數可以參照水泥灌漿的要求選取。
下面結合實施例和附圖闡釋本發明的原理。實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均為常規材料。
實施例1
（1）采用MD-50鉆機鉆進至設計深度，為防止塌孔，采用護壁套管4跟進護壁方式；孔徑108m，孔深15m；根據地質勘探資料和實際鉆孔過程分析，本孔在孔6.5~14.5m為粉細砂地層。成灌漿孔1后移開鉆機，進行孔口保護，待灌。
（2）往兩個或多個菌液培養罐12（>1000L）加入微生物菌種和配好的培養液，混合均勻后調至最優條件養護24h，待用。
微生物菌液是由巴氏芽孢桿菌菌液和培養液組成，其中，每1L培養液含有酵母提取物15～25g，（NH4）2SO4 8～12g，0.13mol的Tris，以及混合鈣液，調節菌液pH值為6.24,培養溫度30℃、接種比例為10%作為微生物的最佳培養環境，以鈣液體積（鈣離子摩爾濃度為2.4mol/L）為菌液體積(菌液OD600值介于1.5-2)的1.5倍為宜。為達到足夠的加固效果，要求微生物產生的碳酸鈣數量足夠多且分布均勻。
（3）往混合鈣源槽11（>500L）按預定的比例加入尿素、硝酸鈣及氯化鈣等溶液，混合均勻后養護待用。
（4）將拔管機5套在待灌鉆孔中的護壁套管4上，將護壁套管4利用拔管機5上拔5cm，在高壓射漿管6底部纏上封堵模袋2阻塞，下高壓射漿管6到護壁套管4的底部；預留的高壓灌漿管7灌入水灰比2:1的水泥稀漿，直至灌漿壓力達到0.2MPa，延續3min結束，利用模袋透水不透漿性質模袋膨脹、結石，將高壓射漿管6和護壁套管4之間的空隙封閉，防止漿液沿套管上串。
（5）將菌液培養罐12養護好的微生物菌液通過輸送管路13注入微生物漿液攪拌機10中，同時將混合鈣源也從混合鈣源槽11中通過輸送管路13按1.5:1的比例注入微生物漿液攪拌機10中，低速攪拌2~3min后打開閘閥，讓漿液進入高壓化學灌漿泵9上的灌漿斗16中。
（6）保持回漿管8處于開啟狀態后，開啟高壓化學灌漿泵9，讓微生物漿液通過高壓灌漿管7、高壓射漿管6進入地層中，同時微生物漿液也通過回漿管8回到灌漿斗16中。采用高壓化灌泵通過高壓灌漿管7和高壓射漿管6直接純壓式灌注微生物漿液，其較穩定的灌漿壓力和排量保證了微生物漿液在粉細砂地層3擴散比較均勻，充填飽滿。
（7）緩慢關閉回漿管8，通過調整回漿管8的開度，控制漿液的注入率為2～10L/min，以流量控制為主，在達到一定的注入量后，灌漿壓力將逐步上升，達到設定的設計灌漿壓力（如3MPa）后，此時應通過調整回漿管8的開度保持灌漿壓力不變，漿液的注入率將逐步降低，直至微生物漿液的注入率達到設定的結束標準（如：0.5L/min），即可結束此段灌注。
（8）若攪拌機中的微生物漿液量不多，不能滿足灌注要求，可停止灌注，根據步驟5過程制取微生物漿液后并按6、7步驟進行灌注。原則上不應在灌注某一灌漿段時出現菌液培養罐12或/和混合鈣源槽11中漿液不足的情況，若出現，應中斷灌注。為防止此現象出現，灌注前應做好漿液的準備工作，必要時進行水泥漿灌注以盡量填充粉細砂的空隙減少微生物漿液的注入量。
（9)本段結束灌漿后，關閉高壓化學灌漿泵9，將護壁套管4連同高壓射漿管6采用拔管機5上拔，根據上一段的注入率和注入量的情況，緩慢上拔5~50cm至上一灌漿段。
（10）重復5～8的過程，完成本段灌漿。若完成一節護壁套管，約1.5m的長度灌注后，需要利用拔管機5將已拔出的護壁套管4卸下。
（11）重復上述過程，直至所有包含粉細砂地層3的灌漿段全部完成微生物漿液灌注。
（12）可以方便地更換水泥等其他漿液對剩余的灌漿段進行常規灌注，其工藝參數和過程參照其他漿液灌漿要求，直至本鉆孔全部灌完。
（13）待處理的灌漿段全部結束后，沖洗高壓射漿管6后卸下，對攪拌機、泵、管路進行清洗。待凝7~14d后本孔即可達到齡期要求。移至下一孔進行灌注。根據工程要求、地層情況和灌注情況等因素進行綜合分析，灌漿孔間距控制在2~3m。
基于上述實施例，本發明提供了一種造價低廉、環保無毒且施工效果可靠的對粉細砂地層進行微生物固化的裝置及施工方法。與現有技術相比，本發明的優點突出，對環境的污染小，對土體的擾動小，微生物灌漿滲透性好，擴散均勻，固結效果明顯，土體在微生物固化作用下，無側限抗壓強度顯著提高。與傳統灌漿材料環氧樹脂、丙烯酸鹽相比，在防滲加固性能滿足要求的情況下，對周圍環境的影響幾乎為0，而且施工成本可降低40％以上。微生物灌漿防滲加固技術的出現，有力推動綠色灌漿技術的發展，也為環保要求高、效果可靠的基礎粉細砂層防滲加固和混凝土缺陷修補工程提供一種新的手段，可廣泛應用在水源工程、水庫、引（輸）水等工程中。
以上所述僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內所想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。