本发明涉及岩土工程的基础处理技术领域，具体涉及一种在粉细砂地层进行微生物固化的装置及施工方法。
背景技术：
由于我国城市化进程不断加快，对各类基础设施建设需求旺盛，建筑工程领域整体活跃，在各类工程建设中都会遇到不能直接满足工程要求的不良土体，其中粉细砂层最为常见。
所谓粉细砂是指粒径大于0.075mm的颗粒超过全部质量的50％，粒径小于0.25mm的颗粒，其含量超过全部质量的50％的砂土。其工程性质介于砂性土与粘性土之间，在天然状态下，结构松散，密度也较低，在自重的作用下即可压密，粉细砂的工程性质包括：(1)粉细砂的粒径分布均匀，且粒径范围很小，结构松散，在外界荷载作用下，容易变形；(2)粉细砂体主要靠取决于粒间法向压力的粒间摩擦力维持本身稳定和承载能力，受剪力的作用下土体容易失稳；(3)在被水饱和情况下，粉细砂在荷载作用下的变形速率加大，按变形控制的承载力较低；(4)粉细砂渗透系数一般为l0-3cm/s左右，属于中等透水性，抗渗透能力较差，容易产生流土、管涌等渗透破坏；(5)饱和粉细砂在往复剪切作用下，容易产生液化现象。粉细砂层在水头压力作用下易产生渗漏，且强度较低，对各类建筑物的安全构成潜在危害，因此对粉细砂层进行有效的防渗加固是很多地下工程必须要解决的技术难题。
灌浆技术是粉细砂层防渗加固的重要手段之一。传统的粉细砂层防渗加固处理技术大多是利用大型机械将胶凝材料注入粉细砂层孔隙中达到防渗加固效果。工程中常见的注浆材料有：水泥类浆液（水泥浆、水泥-水玻璃浆等）、水玻璃-氯化钙浆液、水玻璃-铝酸钠浆液、树脂类浆液和丙酸酰胺类浆液、木胺类浆液等。粉细砂层结构致密，一般的颗粒性注浆材料，如水泥类材料很难注进，效果差，且石灰、粉煤灰等材料生产时需要大量矿石燃料的燃烧，产生大量温室气体，能耗高、环境污染严重；水玻璃-氯化钙和水玻璃-铝酸钠浆液注浆工艺复杂，可操作性差，且浆液原材料来源困难，工程采用率低；树脂类浆液和丙酸酰胺类浆液成本较高，不适合工程大规模使用；木胺类浆液有毒性，使用后环境污染严重，也不适合工程使用。水玻璃和以水玻璃为主剂的浆液使用比较早，可分为碱性水玻璃浆液和酸性水玻璃浆液，碱性水玻璃固沙强度很低且伴有碱析出，容易造成环境中的碱性污染；酸性水玻璃虽然固沙性能稍高，稳定性较好，但是注浆后凝聚过快，扩散性能极差，而且水玻璃类的灌浆材料其耐久性差，不适合于永久工程中使用。
近20年来，学科上的交叉在处理这些基础问题上展现出来极大的优势，利用微生物进行土体改性，从理论到技术都有了较大的发展，利用微生物对生态环境和可持续发展有着深远的意义。地基土中存在着永久生物，在靠近地表部分，每公斤土中至少含有1012的微生物，在地基处理的典型深度范围内（如2～30m），每公斤土中微生物种群数量沿深度会下降到1011～106，将土视为一种活生态系统，长期以来其对岩土工程特性的影响被忽略了。土层中存在的生物活动和生化反应使利用自然和自发的方法进行土层加固成为可能，Mitchell &Santamarina在2005年第一次明确讨论了生物过程在岩土工程中作用；美国国家研究委员会（NRC）在2006年把这一问题列入了21世纪重要研究课题；2007年第一届国际生物岩土工程研讨会对这个新兴领域进行了跨学科交流；2011年9月第二届生物土壤工程及相会作用研讨会在剑桥大学举行；其他国际和各国相应研讨会的举办，使得该领域的研究进展很快。
利用微生物的新陈代谢功能或其在土层中活动过程对土层进行加固，在特定的环境以及营养条件下，岩土中存在的某些微生物通过新陈代谢或降解作用能快速析出多种矿物结晶，如碳酸盐、磷酸盐、氧化物、硫化物、硅华以及胞外聚合物等。微生物诱导碳酸钙沉积技术（MICP）利用尿素水解、硫酸盐还原、脂肪酸发酵、反硝化作用等微生物生化过程对土层进行防渗加固处理。根据已有研究，尿素水解过程所诱导出的碳酸钙数量最多，加固效果最好，其基本过程为：微生物新陈代谢产生脲酶，如周围环境中存在尿素和钙盐、营养液，则脲酶水解尿素生成氨气和二氧化碳，细菌细胞膜界面处带负电荷的有机质不断吸附带正电荷的钙离子，与水解尿素生成的碳酸根离子矿化沉积出碳酸钙，其中微生物生命周期过程中新陈代谢的有机产物与无机矿物之间有着复杂的生物矿化作用，无机相的结晶严格受生物分泌有机质的控制。然而，将微生物浆液灌入深厚粉细砂层起到加固作用的报道并不多见。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种造价低廉、环保无毒且施工效果可靠的对深厚粉细砂地层进行微生物固化的装置及施工方法。
本发明一方面提供一种在粉细砂地层进行微生物固化的装置，包括菌液培养罐12、微生物浆液搅拌机10、混合钙源槽11，微生物浆液搅拌机10通过输送管路13分别与菌液培养罐12、混合钙源槽11相连，
钻机利用跟管护壁成孔方式钻进至待处理地层的底部，钻孔孔径应满足灌浆的直径要求，一般不宜小于108mm；
在护壁套管4的底部下高压射浆管6；
通过在高压射浆管6出浆段灌浆封堵模袋2阻塞的方式封闭护壁套管4与高压射浆管6之间的空隙；
高压化学灌浆泵9将微生物浆液通过高压灌浆管7和高压射浆管6采用纯压式灌注施工。
进一步，所述菌液培养罐12容积不小于1m3。
进一步，所述微生物浆液搅拌机10容量不小于500L，搅拌速度小于100r/min。
进一步，所述高压射浆管6和高压灌浆管7均采用高压灌浆管件，管径不大于50mm，最大承压能力为10MPa。
进一步，所述高压化学灌浆泵9，灌注微生物浆液时排量为0～50L/min，最大可达50L/min，最大泵口压力为6MPa。
本发明的另一方面还提供利用上述装置进行微生物固化的施工方法，包括如下步骤：
步骤1）钻机钻进粉细砂地层3，利用跟管护壁钻进至待处理地层的底部后上拔0～10cm，并在护壁套管4的底部下高压射浆管6；利用模袋灌浆进行孔内封闭，将高压射浆管6和护壁套管4之间的空隙封闭，解决了微生物浆液在孔内上串导致的高压灌浆管7上拔的难题和大大减少了孔内、管内占浆；
步骤2）配制微生物浆液；
步骤3）用高压化学灌浆泵9将所述步骤2）中微生物浆液通过高压射浆管6泵入选定的灌浆段，在高压化学灌浆泵9压力作用下，微生物浆液逐步扩散，灌浆压力也逐步提高达到设定的灌浆压力，浆液的注入率将逐步降低，直至达到设定的注入率，本段即可结束；
其中灌浆压力为3MPa，控制浆液的注入率为2～10L/min，结束时的注入率一般可设为0.5L/min；
步骤4）将护壁套管4连同高压射浆管6采用拔管机5上拔，根据注入率的情况，缓慢上拔5～50cm至上一灌浆段；
重复步骤3）~4），直至所有待处理的粉细砂地层3灌浆段都完成微生物浆液灌浆；
步骤5）待处理的灌浆段全部结束后，冲洗高压射浆管6后卸下，再对搅拌机、泵、管路进行清洗。移至下一孔进行灌注。待凝7~14d后本孔即可达到龄期要求。
进一步，所述步骤2）包括：
步骤a，配制微生物菌液，所述微生物菌液是由巴氏芽孢杆菌菌液和培养液组成，其中，每1L培养液含有酵母提取物15～25g，（NH4）2SO4 8～12g，0.13mol的Tris，以及混合钙液，调节菌液pH值为6.24,以适应巴氏芽孢杆菌生长；其中，混合钙液由尿素、硝酸钙和氯化钙组成，摩尔比为2:1:1；
步骤b，将巴氏芽孢杆菌在培养液中培养24h；
步骤c，将步骤b中的微生物混合液在微生物浆液搅拌机10中混合搅拌2～3min。
进一步，所述步骤a中混合钙液体积与巴氏芽孢杆菌菌液体积比为1.5～2:1。
进一步，所述巴氏芽孢杆菌菌液的接种比例为10%，培养温度28℃～35℃。
进一步，所述在粉细砂地层3进行微生物固化的方法采用自下而上、逐步分段的灌浆施工方法，可对粉细砂地层3有针对性地分段渗透和扩散；最大灌浆段长不超过0.5m，拔管时根据吃浆情况，上拔长度为5cm~50cm，自由选择不同的灌浆段长。
进一步，微生物浆液表观粘度一般小于5mPa.s，密度略大于1.0g/cm3；7d固砂体无侧限抗压强度大于3MPa；28d固砂体无侧限抗压强度大于5MPa，固砂体渗透系数小于5.0×10-5cm/s。
进一步，灌浆过程采用灌浆压力和浆液注入率的双限控制技术，即可保证微生物浆液的渗透效果和扩散范围，也可防止产生过大的浆液浪费。具体的双限控制值应通过地质情况、设计要求和施工要求来确定。
进一步，根据工程要求、地层情况和灌注情况等因素进行综合分析，以一定的孔间距进行钻孔，依照上述步骤完成单一灌浆孔的微生物灌注，可形成完整的防渗帷幕或加固区域，从而实现对需处理的粉细砂地层的防渗加固。
本发明的有益效果体现在：
本发明一种在粉细砂地层进行微生物固化的装置及施工方法可以进一步推动绿色灌浆技术的发展，采用的微生物浆液是完全的溶液浆材，配比合理，在粉细砂地层中渗透性好，扩散均匀，固结效果明显，是环境友好型能源节约型工艺。施工工艺简单，操作性强，低能耗，扰动小，效果可靠，成本节约，可广泛应用于岩土工程领域的各种水下建筑物及基础、隧道、桥桩以及围堰等粉细砂地层的防渗堵漏工程中，土体在微生物固化作用下强度提高和渗透性下降，本发明为微生物生化机理的灌浆技术处理地基提供新的方向。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为在粉细砂地层进行微生物固化的施工方法示意图。
附图标记：1-灌浆孔、2-封堵模袋、3-粉细砂地层、4-护壁套管、5-拔管机、6-高压射浆管、7-高压灌浆管、8-回浆管、9-高压化学灌浆泵、10-微生物浆液搅拌机、11-混合钙源槽、12-菌液培养罐、13-输送管路、14-菌液输送泵、15-钙源输送泵、16-灌浆斗。
具体实施方式
在本发明中，利用微生物灌浆对粉细砂地层进行防渗加固的工作原理是通过微生物代谢中间产物碳酸钙来实现的，微生物分解出一种尿素酶，尿素酶可以水解尿素产生碳酸根离子，同时微生物细菌细胞膜界面处带负电荷的有机质不断吸附带正电荷的钙离子，碳酸根离子同钙离子沉积出碳酸钙，最终通过碳酸钙达到加固效果。微生物诱导碳酸钙，菌液浓度、菌液活性、菌液单体活性均是评价固化效果的影响因素，活性越高的微生物菌液，其诱导碳酸钙能力越强，进而加固砂效果也越理想。
微生物浆液为溶液型浆液，其表观粘度一般小于5mPa.s，根据溶液型牛顿流体灌浆的渗透和扩散机理，让微生物浆液在粉细砂层中进行渗透、扩散，达到足够远的扩散距离和充分均匀地充填粉细砂层空隙，并在自身微生物新陈代谢作用下产生碳酸钙，充填粉细砂层间的空隙，然后胶结在一起，形成具有一定强度的固砂体，从而达到防渗加固的目的，一般加固后其固砂体28d抗压强度可到5MPa以上，渗透系数小于5.0×10-5cm/s以下。
典型微生物浆液灌浆施工过程如下：
（1）采用风动钻机钻进粉细砂地层3，利用跟管护壁4钻进至待处理地层的底部，挪开钻机，灌浆孔1可放孔待灌;
（2）将合适的微生物菌种（如巴氏芽孢杆菌，编号ATCC11859）在适应条件（接种比例、温度和pH环境）下培养成微生物菌液，待用；
（3）与尿素、硝酸钙及氯化钙的混合钙液在微生物浆液搅拌机10中混合、搅拌后形成微生物灌浆浆液；
（4）将待灌钻孔中的护壁套管4上拔0～10cm，在护壁套管4的底部下高压射浆管6；利用模袋灌浆进行孔内封闭，将高压射浆管6和护壁套管4的空隙封闭；
（5）用高压化学灌浆泵9将微生物灌浆浆液通过高压射浆管6泵入选定的灌浆段，微生物灌浆浆液是完全的溶液浆材，在粉细砂地层中可以进行渗透、扩散。在高压化学灌浆泵9压力作用下，微生物浆液逐步扩散，灌浆压力也逐步提高达到设定的灌浆压力，浆液的注入率将逐步降低，直至达到设定的注入率，本段即可结束；
（6）将护壁套管4连同高压射浆管6采用拔管机5上拔，根据注入率的情况，缓慢上拔5~50cm至上一灌浆段，重复以上的过程，直至所有待处理的粉细砂灌浆段都完成微生物浆液灌浆；
（7）待处理的灌浆段全部结束后，对搅拌机、泵（高压化学灌浆泵9、菌液输送泵14、钙源输送泵15）、管路等进行清洗。移至下一孔进行灌注。待凝7~14d后本孔即可达到龄期要求;
（8）根据工程要求、地层情况和灌注情况等因素进行综合分析，以一定的孔间距（一般为2~3m）进行钻孔施工，依照上述步骤（1）~（7）完成单一灌浆孔的微生物灌注，可形成完整的防渗帷幕或加固区域，从而实现对需处理的粉细砂地层的防渗加固。具体的施工参数可以参照水泥灌浆的要求选取。
下面结合实施例和附图阐释本发明的原理。实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均为常规材料。
实施例1
（1）采用MD-50钻机钻进至设计深度，为防止塌孔，采用护壁套管4跟进护壁方式；孔径108m，孔深15m；根据地质勘探资料和实际钻孔过程分析，本孔在孔6.5~14.5m为粉细砂地层。成灌浆孔1后移开钻机，进行孔口保护，待灌。
（2）往两个或多个菌液培养罐12（>1000L）加入微生物菌种和配好的培养液，混合均匀后调至最优条件养护24h，待用。
微生物菌液是由巴氏芽孢杆菌菌液和培养液组成，其中，每1L培养液含有酵母提取物15～25g，（NH4）2SO4 8～12g，0.13mol的Tris，以及混合钙液，调节菌液pH值为6.24,培养温度30℃、接种比例为10%作为微生物的最佳培养环境，以钙液体积（钙离子摩尔浓度为2.4mol/L）为菌液体积(菌液OD600值介于1.5-2)的1.5倍为宜。为达到足够的加固效果，要求微生物产生的碳酸钙数量足够多且分布均匀。
（3）往混合钙源槽11（>500L）按预定的比例加入尿素、硝酸钙及氯化钙等溶液，混合均匀后养护待用。
（4）将拔管机5套在待灌钻孔中的护壁套管4上，将护壁套管4利用拔管机5上拔5cm，在高压射浆管6底部缠上封堵模袋2阻塞，下高压射浆管6到护壁套管4的底部；预留的高压灌浆管7灌入水灰比2:1的水泥稀浆，直至灌浆压力达到0.2MPa，延续3min结束，利用模袋透水不透浆性质模袋膨胀、结石，将高压射浆管6和护壁套管4之间的空隙封闭，防止浆液沿套管上串。
（5）将菌液培养罐12养护好的微生物菌液通过输送管路13注入微生物浆液搅拌机10中，同时将混合钙源也从混合钙源槽11中通过输送管路13按1.5:1的比例注入微生物浆液搅拌机10中，低速搅拌2~3min后打开闸阀，让浆液进入高压化学灌浆泵9上的灌浆斗16中。
（6）保持回浆管8处于开启状态后，开启高压化学灌浆泵9，让微生物浆液通过高压灌浆管7、高压射浆管6进入地层中，同时微生物浆液也通过回浆管8回到灌浆斗16中。采用高压化灌泵通过高压灌浆管7和高压射浆管6直接纯压式灌注微生物浆液，其较稳定的灌浆压力和排量保证了微生物浆液在粉细砂地层3扩散比较均匀，充填饱满。
（7）缓慢关闭回浆管8，通过调整回浆管8的开度，控制浆液的注入率为2～10L/min，以流量控制为主，在达到一定的注入量后，灌浆压力将逐步上升，达到设定的设计灌浆压力（如3MPa）后，此时应通过调整回浆管8的开度保持灌浆压力不变，浆液的注入率将逐步降低，直至微生物浆液的注入率达到设定的结束标准（如：0.5L/min），即可结束此段灌注。
（8）若搅拌机中的微生物浆液量不多，不能满足灌注要求，可停止灌注，根据步骤5过程制取微生物浆液后并按6、7步骤进行灌注。原则上不应在灌注某一灌浆段时出现菌液培养罐12或/和混合钙源槽11中浆液不足的情况，若出现，应中断灌注。为防止此现象出现，灌注前应做好浆液的准备工作，必要时进行水泥浆灌注以尽量填充粉细砂的空隙减少微生物浆液的注入量。
（9)本段结束灌浆后，关闭高压化学灌浆泵9，将护壁套管4连同高压射浆管6采用拔管机5上拔，根据上一段的注入率和注入量的情况，缓慢上拔5~50cm至上一灌浆段。
（10）重复5～8的过程，完成本段灌浆。若完成一节护壁套管，约1.5m的长度灌注后，需要利用拔管机5将已拔出的护壁套管4卸下。
（11）重复上述过程，直至所有包含粉细砂地层3的灌浆段全部完成微生物浆液灌注。
（12）可以方便地更换水泥等其他浆液对剩余的灌浆段进行常规灌注，其工艺参数和过程参照其他浆液灌浆要求，直至本钻孔全部灌完。
（13）待处理的灌浆段全部结束后，冲洗高压射浆管6后卸下，对搅拌机、泵、管路进行清洗。待凝7~14d后本孔即可达到龄期要求。移至下一孔进行灌注。根据工程要求、地层情况和灌注情况等因素进行综合分析，灌浆孔间距控制在2~3m。
基于上述实施例，本发明提供了一种造价低廉、环保无毒且施工效果可靠的对粉细砂地层进行微生物固化的装置及施工方法。与现有技术相比，本发明的优点突出，对环境的污染小，对土体的扰动小，微生物灌浆渗透性好，扩散均匀，固结效果明显，土体在微生物固化作用下，无侧限抗压强度显著提高。与传统灌浆材料环氧树脂、丙烯酸盐相比，在防渗加固性能满足要求的情况下，对周围环境的影响几乎为0，而且施工成本可降低40％以上。微生物灌浆防渗加固技术的出现，有力推动绿色灌浆技术的发展，也为环保要求高、效果可靠的基础粉细砂层防渗加固和混凝土缺陷修补工程提供一种新的手段，可广泛应用在水源工程、水库、引（输）水等工程中。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。