薄浆注入方法

专利名称:薄浆注入方法
本发明是关于一种薄浆注入方法，更具体地说，是注入两种成分的可固化薄浆，例如用水玻璃和碳酸溶液或二氧化碳气组成的混合薄浆注入土壤中的方法以稳固地面。
在早期薄浆注入方法中，采用单一液态薄浆。之后，对此方法提出了多方面的改进。例如采用两种彼此反应时可固化的液体作为薄浆(两种成分可固化薄浆)在这一方法中，使液体在装在注入管底部的一个“Y”形管中混合。近来，还有更大的改进，有一种方法成了重要的方法，其中将两种液体在注入管中混合並将所生成的薄浆注入土壤中。
尽管已有多种类型的两种成分可固化薄浆，而目前最为广泛采用的是一种含有水玻璃(硅酸钠)的薄浆，因为它不污染土壤。水玻璃可以与诸如酸类或盐酸的反应物一起采用。
可以选用水玻璃与反应物碳酸溶液组成的薄浆把它灌入土壤以稳固地面。例如，已公开于日本Kokai 53-74709。
二氧化碳气具有价格便宜和无害等优点。然而，用水吸收二氧化碳气制备碳酸溶液並用所生成的碳酸溶液和水玻璃作为薄浆，这里有一个下面将要述及的问题需要解决。因为这一原因，故在此以前尚未实际采用过这种薄浆。
给出反应式
于是，当碳酸溶液和水玻璃经混合之后注入土壤中，在土壤中产生硅和碳酸钠，使土壤的脆弱部分变硬，而稳固土壤。
采用两种成分可固化薄浆的传统薄浆注入中，基本上认为被混合的两种液体是在相等压力下按相同数量供给的。实际上，这种形式的传统灌浆方法是通过把等压作用下的，等量的两种液体混合而实现的。
然而，当予先制备的碳酸溶液供给注入管时，如果管状物内的压力不够高，则碳酸溶液很容易分解成为水和二氧化碳气，而不能充分地与水玻璃起反应。另一方面，若要在一个制作场所制备碳酸溶液时，水和二氧化碳气必须要在一高压，密闭容器中接触以获得高浓度的碳酸溶液。因此，碳酸溶液不可避免地要在高压下引导进入注入管。另外，制备碳酸溶液的溶解容器中的压力应当提高，以缩短薄浆的胶凝时间，如图10中所示。
倘若碳酸溶液是在高压作用下供给注入管的，而水玻璃则是在低压作用下供给的，那么碳酸溶液在棒状物中占了优势，而使两种液体不能充分地起反应。
已经知道在两种液体混合之后安装一个阀。然而，液体混合之后的阀是一个止回阀，用来防止薄浆注入土壤之后土壤回流到注入管，而不是保持混合段压力的阀。在传统技术中，混合段的上游是不装阀的。
因此，本发明的目的是提供一种薄浆注入方法，它可以使用固化薄浆的成分彼此充分地接触，混合和反应，所制备的薄浆确实能够发展为具有足够的强度。
本发明的另一目的是提供一种薄浆注入方法，它可以使材料充分地混合，当一种材料是以比另一种材料较高的压力供给时;在这一情况下碳酸溶液或二氧化碳气和水玻璃被用作两种成分可固化薄浆的组成部分。
以薄浆注入方法作为本发明的特色，其中采用一根注入管，将分别地供给的不同种类的材料在管中接触，混合，制成薄浆，通过装在管子顶端的注入口将制成的薄浆注入土壤中，此方法的特征在于第一压力保持阀装在用较高压力供给的一种材料的高压通道中，一个混合段装在所述第一压力保持阀的下游其邻近处，为了要让所述一种材料与低压下供应的另一种材料接触和混合，以及第二压力保持阀装在混合部分的下游;所述一种材料流过第一压力保持阀，使所述一种材料的压力降低，然后与在混合段的另一种材料接触和混合;接触和混合是在超过一个大气压力的，並由第二压力保持阀所限定的压力下实现的;由所述接触和混合而生成的薄浆流过第二压力保持阀並通过管子的注入口注入土壤中。
本发明者曾经进行过用水玻璃和碳酸溶液或二氧化碳气得到一种薄浆注入方法的各种实验室试验和小规模试验，从而发现存在一些有待于解决的问题。其中的一个问题是，被注入土壤的碳酸溶液和水玻璃可能没有被充分地起反应，而降低土壤的稳固效果，虽然它们保持在高压下並有充分的时间发生反应。更具体地说，除非将液体充分地混合和起反应，不然碳酸溶液和水玻璃是分离地注入土壤中。而且，碳酸溶液还会分离成水和二氧化碳气。已经发现，不经过充分的混合和反应得不到所想要的薄浆，而二氧化碳气泡会从管子注入口冒出。
这种现象可以解释如下当一种液体，例如，在高压条件下供给的碳酸溶液和另一液体例如在较低压力条件下供给的水玻璃，如果不安装适用的阀来控制压力和流动速率，那么高压下的碳酸溶液将成为液流中的主要成分，不经过与水玻璃充分地接触，混合和反应，就从管子注入口喷出。碳酸溶液还分解成二氧化碳气和水，並喷出二氧化碳气体。
按照本发明，用安装在将高压液体引向混合段的通道中的第一压力保持阀，使第一压力保持阀之后的压力保持在低于阀的工作压力。在这一降低了的，基本上相等的压力下，使液体与较低压力作用下，以相等供给率供给的液体接触和混合。结果，两种液体彼此充分地和均匀地混合在一起。
用装在混合段和管子注入口之间的第二压力保持阀，使混合段的压力基本上保持与第二压力保持阀的工作压力相等。如果不装第二压力保持阀，混合段的压力基本上为大气压力。在这种条件下，薄浆的两种液体不能很好地混合。反过来，如果混合段的压力保持在表压1公斤/厘米2以上，最好是表压3公斤/厘米2以上，电表5公斤/厘米2以上则更好，这时，高压作用下混合段中的液体彼此接触和混合，它们被均匀地混合在一起。
为要得到高浓度的碳酸溶液或者凝固时间短的薄浆，如上所述，用以制备碳酸溶液的溶解容器(填料吸收器)中的操作压力必须很高。为此，可以安装用来保持填料反应塔中高压力的装置，而为了将碳酸溶液引向注入管，在通道中装一个降压阀。为了让碳酸溶液与水玻璃接触，混合段设置在远离降压阀的下游处。在此情况下，即使，在相等的压力下供给碳酸溶液和水玻璃並进行混合，也不可能得到均匀一致的薄浆。
相反，如果所设置的混合段离第一压力保持阀在2米之内，最好是1米之内，0.5米则就更好了，那么所予期的混合可以实现。其原因尚未清楚，但可推测，当碳酸溶液流过第一压力保持阀时，其压力急速下降，並打散到水玻璃液流中。
本发明者还发现，两种液体，碳酸溶液和水玻璃的仅靠接触是不足以在它们之间产生足够的反应的。这时，碳酸溶液和水玻璃将分离地注入土壤中。反之，如果液体在由第一压力保持阀和第二压力保持阀之间所限定的空间内，足够长的时间内保持压力，液体之间的充分的反应是可以实现的。为了改进接触和混合，或许可能延长接触和混合区段。然而，在使用注入管时是用许多个管状元件连接成为所要求的长度的。因此，注入管的端管元件的长度是有限制的不能按所要求的那样加长。
在本发明的优选实施例中，一个混合加速段可以设置在注入管中。在混合加速段中，碳酸溶液和水玻璃流过至少包括有一个往复流动段的通道，它首先通向顶部然后返回通向底部。因此，可以在有限长度的端管元件中实现延伸即延长通道的长度。这样，不延长端管元件却可获得充分的反应时间。这对于维修和清洁管子也是有好处的。
本发明之前，还没有过使液体混合物沿着管子的轴向往复流动的想法。
本发明适用于两种成分可固化薄浆的两种液体其供给压力不相等时，尤其是当高压液体与低压液体的供给压力之比为1.2或以上时最为适用。
第一压力保持阀的工作压力最好为0.5倍或更大和1.5倍或更小于流经阀体的液体供给压力。如果比例小于0.5，压力较高的液体流经第一压力保持阀后，就会相对将与之均匀混合的压力较低的液体占很大的优势。
当要求薄浆用等份的两种液体组成，则液体的供给速率必须基本相等。压力较高液体和压力较低液体之间的供给速率之比率，对于得到相等的均匀的混合物来说，以0.7～1.3为好，0.85～1.15为更好。当然，薄浆可以用不等份的液体组成，则供给量可能在上述所指定的范围以外。
本发明也可适用于其他已知的两种成分的反应系统中，例如二氧化碳气和水玻璃之间的反应;或者水泥和水玻璃之间的反应。
当所采用的薄浆其凝固时间较短，推荐最好将第一压力保持阀，混合段和第二压力保持阀装在注入管的端管元件中，以防止薄浆凝固时阻塞薄浆的液流通道。然而若所采用的薄浆其凝固时间较长，则阀和混合段可以装在棒状物的较上游部分，不必担忧薄浆因凝固而阻塞。
本发明中所采用的压力保持阀，可以是弹簧动作的阀，或是针阀，也可以用节流口。换言之，任何一种装置的采用，就其作用而论是保持压力较高的材料供给管道的压力，如第一压力保持阀即是保持混合段中的压力，或如第二压力保持阀起止回阀的作用。因此，在此所用“阀”这一名称必须从广义上来理解。
图1是本发明的一种注入管的端管元件的半剖面图。
图2是图1中所示注入管主要部分的半剖面图。
图3是本发明中所使用的加速混合装置的前视图。
图4是表示薄浆注入的整体系统方块图。
图5是另一种型式加速混合装置的透视图。
图6是本发明所使用的另一种型式注入管的端管元件的半剖面图。
图7、8和9是其他形式的压力保持阀的剖视图。
图10是制备碳酸溶液时，溶解容器中的压力和所生成的薄浆凝固时间之间的关系图。
现参照附图对本发明作如下说明
图4示出了稳固土壤的整体系统。
1是插入在土壤E中的一根注入管，插在那里是为了把薄浆G灌注到被地面包围着的部分中。注入管1与薄浆供给系统配合使用，供给系统主要包括，二氧化碳气体CO2源，例如一个二氧化碳气瓶2，填料吸收器3，水源4，水玻璃槽5和薄浆泵6。由气瓶2将二氧化碳气供给吸收器3，最好在吸收器3的下部通过一个汽化器7，以增强汽化，尤其是在冬季，和一个气流控制阀8。吸收器3中填有诸如马鞍形填料或腊希格填充瓷环之类的填充物9。吸收器3的上顶部还装有一个喷嘴10，用来喷洒由泵11通过流量控制阀12供给的水。
因此，二氧化碳气体和水彼此在吸收器3中进行接触生成碳酸溶液。此时，填充料9增强了气体与液体之间的接触。如此生成的碳酸溶液从吸收器3的底部吸出，用双动泵引向注入管1的内通道。
碳酸溶液的产量和用泵6供给的碳酸溶液(即消耗量)之间的平衡是十分关键的。因此，本实施例中，在吸收器3的下部设有上下限液面监测装置13U和13L，用液面控制器14操纵水流控制阀12以控制水流量，使碳酸溶液的液面保持在液面上下限之间。除了控制液面，还要控制溶解的碳酸溶液中的二氧化碳浓度，因为，它将影响碳酸溶液和水玻璃之间的反应率。为此，在吸收塔3中装了一个压力监测器15。采用压力控制器16操纵气流控制阀8来控制气流，以控制碳酸溶液的浓度。
另一方面，水玻璃用一液流供给泵17从槽5中吸出，並引入注入管的外通道。
再参照图1到图3，碳酸溶液CW和水玻璃MS，如图1所示经过一个回转接头(图中未示出)和一个已知的双管结构连接筒送入注入管的端管元件中。
端管元件由外管元件20A到20E组成，其中有下面所要述及的各种元件。
在端管元件的底端部分，导管元件30，中间元件31，连接元件32和尾部元件33彼此用螺纹连接起来，装在端管元件中。碳酸溶液首先进入导管元件30中间的第一通道a1，通过若干从第一通道a1的顶端沿半径方向斜着延伸的第二通道a2，通过导管元件30的外周和外管元件20A之间隙缝所确定的第三通道a3，再通过从第三通道a3的端部斜着向外管元件20A中心延伸的第四通道a4。然后，将碳酸溶液CW引入到在中间元件31中部的第五通道a5，再引入到尾部元件33内的第六通道a6，同时推动第一保压阀即压力保持阀41，它是用支靠在尾部元件33上的弹簧34来推动的。
水玻璃NS被引入由导管元件30的外围和外管元件20A之间的间隙所形成的第一通道b1，用压力使它通过形成在导管元件30内並沿其轴向延伸的若干个第二通道b2，到达导管元件30顶端部分中间的第三通道b3。然后，水玻璃通过中间元件31中的第四通道b4，在推动由支靠在中间元件31上的弹簧35所驱动的止回阀43的同时，通过中间元件31中其直径增大部分沿轴向延伸的若干个第五通道b5到达由中间元件31，连接元件32和尾部元件33的外围和外管元件20A和20B的内表面之间的间隙所形成的第六通道b6。
36是一个防松螺母，用作把尾部元件相对地固定在中间元件32上，通过旋拧尾部元件33调整弹簧34的压力之后，调定第一压力保持阀41的工作压力。31是弹簧35的导杆。
尾部元件33的端部放入一个与它适配的混合加速器50。第二个保压阀即压力保持阀42的阀座61紧接着装在混合加速器50的端部。用支靠在座63上的一个弹簧64将第二压力保持阀42推向阀座61，座63用一个定位螺母62相对地固定于外管元件20C。
混合加速器50密接地装在外管元件20B中。混合加速器50呈园柱形，例如，长约25公分。混合加速器50的外周上有一个槽，槽由一个成几个往复通道51组成，在本实施例中有51往复通道。各个往复通道是由从底端到顶端的向前通道和返回底端的向后通道所组成，且彼此相通。槽还包括一附加的向前通道用以最后直接通往注入管的顶端。因此，沿槽的流程总长约为275公分(25×5×2+25)。通常，混合加速通道的长度为至少0.5米，最好为至少1米。
如上文所述可知，碳酸溶液CW的通道系统a1到a6，和水玻璃的通道系统b1到b6，在尾部元件33的顶端以前，彼此是独立的。碳酸溶液CW和水玻璃NS首次相遇，是当它的流过尾部元件33的顶端之后，通过混合加速器50底端的一个凹进去的入口52A，进入混合加速通道51时。此后，由于液体流经很长的混合加速通道51，故被充分地混合同时有足够的时间起反应。该混合的薄浆生成物离开混合加速通道51，通过出口52B进入阀座61中，然后流过薄浆通道g1到g5，从注入管1端部的注入口70注入土壤E中。
应当注意，为了便于说明，图1和图2中所示混合加速器50的剖面中，仅示出两个往复通道和一个附加的向前通道。
如上所述，混合加速器50的往复通道与混合加速器50的长度相比之下，可提供予期的混合长度並延长反应时间。因此，两种液体，碳酸溶液和水玻璃，可以充分地混合从而避免液体在分离状态下注入。与这里所规定的不同的其他普通两种成分的可固化薄浆，可能在直接把两种成分混合之后可以使用。然而，碳酸溶液是不容易与水玻璃混合起来的。由于这一原因，本实施例中所采用的混合加速装置对于由碳酸溶液和水玻璃所组成的薄浆是十分有效的。
碳酸溶液和水玻璃是难以混合的，最理想的处理方法是延长反应时间，让它们在混合段(混合腔)内，在比较高的压力下混合，例如表压1公斤/厘米2以上，最好是表压3公斤/厘米2以上，表压5公斤/厘米2以上则更好。
为此，第一压力保持阀41和第二压力保持阀42，在本实施例中是安装在混合加速器50的前后。更准确地说，让混合加速通道51保持比较高的压力，供给第一压力保持阀41的碳酸溶液的压力，至少是表压5公斤/厘米2，最好是表压10公斤/厘米2以上，在表压15公斤/厘米2和40公斤/厘米2为更好。此外，将第二压力保持阀42的工作压力设定在表压1公斤/厘米2以上，最好是表压3公斤/厘米2以上，表压5公斤/厘米2以上为更好。以此装置，使混合段的压力与第二压力保持阀42的工作压力保持相适应的压力。关于水玻璃NS，装有止回阀43，当水玻璃的动压力作用于阀时，可以起作用。所供给的水玻璃的压力是表压1.5到10公斤/厘米2，最好是表压3到7公斤/厘米2。
在传统的注入管中，当施加动压力时，止回阀起作用，而在本实施例中，装有压力保持阀以使压力保持阀41和42之间的混合加速段保持所予定的高压，这点对于薄浆注入方法则是新颖的。
本实施例中的混合加速器50可以被具有螺旋搅拌加速通道51′的混合加速器50′所取代。在此情况中，螺旋通道是由交错设置的两个螺旋通道段所组成。这些螺旋通道段在转折点53′处彼此相通，其中一个通向顶端而另一个折回到底端，折回通道段还在其底端与一个中心通道54′相通，在其顶端55处开口。
用另一种方法使水玻璃和碳酸溶液彼此在混合加速器50的上游接触如图6所示。在这种情况下，水玻璃NS通过连接元件32管壁中的第七通道b7，並在邻近第一压力保持阀41下游的一个位置上与碳酸溶液CW接触。
关于这一点，值得注意的是若干个混合加速器可以沿管子的轴向连接起来。注入口可以设置在注入管1的顶端面的后面。注入管1可以有三通结构。在此情况下，两个通道可以用作供给薄浆，而另一通道在钻孔时用来供水。
虽然第一和第二压力保持阀和混合段是装在注入管内的但也可用另一种方法设置在管子的外部。如图7所示。在图7中，由一泵供给的水玻璃，流过软管在推动止回阀101的同时进入设在交叉处的混合腔102。另一方面，由一泵供给的碳酸溶液CW，流过软管，推动止回阀103，经过第一压力保持阀104的锥形体部分和阀座105之间的空间，进入混合腔102，在混合腔中碳酸溶液与水玻璃互相接触並随即混合。当碳酸溶液的供应压力变化时，可操作调节手柄106以改变第一压力保持阀104的锥形体部分与阀座105之间的间隙，以保持由第一压力保持阀所确定的压力。有一长的管道107的反应腔108与混合腔102相连接。当液体流过反应腔108时，使它的能充分地反应。第二压力保持阀109装在反应腔108的下游。薄浆通过第二压力保持阀109，送到供应软管111中，並通过出口110供给注入管1A。第二压力保持阀109的工作压力是用控制手柄112来调节的。
图8所示为另一种形式的压力保持阀系统，除了第一压力保持阀104A是用弹簧113推动外与图7是相同的，力是由控制手柄106来控制的。在这种情况下，使弹簧113的座104B产生位移。
图9所示仍为另一种形式的压力保持阀系统，其中第一压力保持阀115和止回阀116被安装在T形套管中。碳酸溶液CW流过第一压力保持阀115中的通孔115a，靠着弹簧117的作用推动第一压力保持阀115。然后碳酸溶液流过一个狭长通道118到混合腔119。水玻璃NS流过通孔116a推动止回阀116，然后与混合腔119中的碳酸溶液CW混合，然后混合液体被引导通过混合加速通道(未示出)到达第二压力保持阀(未示出)。
(续上页)文件名称 页 行 补正前 补正后说明书 2 15 棒状物 管3 18 液体 物料3 22 液体 物料3 23 液体 物料4 3 液体 物料4 6 液体(两处) 物料4 11 液体 物料4 13 液体 物料4 5 液体 物料4 17 反应塔 吸收器5 1 液体 物料5 3 液体 物料5 4 液体 物料5 14 液体 物料5 16 液体 物料5 20 液体 物料5 21 液体 物料5 22 液体 物料5 23 液体(两处) 物料5 24 液体(两处) 物料6 1 液体 物料6 8 棒状物 管9 17 液体 物料
(续上页)文件名称 页 行 补正前 补正后说明书 9 25 液 物10 1 体 料10 1 液体 物料权利要求
书 1 19 要比另一种材料 是另一种材料的1.2高1.2倍 倍
权利要求
1.一种薄浆注入法，采用一根注入管，使单独送入管中的不同种类材料接触和混合，制成薄浆，並通过管子顶端的注入口将薄浆注入地下，此方法的特征在于第一压力保持阀装在，较高压力下供应其中之一种材料的较高压力通道中，混合段设置在所述第一压力保持阀的下游，邻近第一压力保持阀，以使所述一种材料与另一种在较低压力下供给的材料接触和混合，以及安装在混合段下游的第二压力保持阀；所述其中之一种材料流过所述第一压力保持阀，使所述一种材料的压力降低，然后与另一种材料在混合段接触和混合；所述接触和混合是在超过一个大气压力，並由第二压力保持阀所确定的压力下实现的；並且，经所述接触和混合所生成的薄浆，流过第二压力保持阀，从注入口注入土壤。
2.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中所述第一压力保持阀，所述混合段和所述第二压力保持阀都装在注入管中。
3.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中所述第一压力保持阀，所述混合段和所述第二压力保持阀都装在注入管外部。
4.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中流过所述第一压力保持阀的材料供给压力至少要比另一种材料高1.2倍。
5.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中第一压力保持阀的工作压力为0.5倍到1.5倍于流过第一压力保持阀的材料的供给压力。
6.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中第二压力保持阀的工作压力为表压5公斤/厘米2或更高，因此混合段的压力至少要保持表压5公斤/厘米2。
7.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中所述材料中的一种是碳酸溶液，而所述另一种材料是水玻璃。
8.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中所述材料中的一种是二氧化碳气体，而所述另一种材料是水玻璃。
9.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中第一和第二压力保持阀的工作压力是由各自分别将阀推向注入管底端的弹簧所确定。
10.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中材料是在混合段彼此接触，迫使生成的混合物至少形成一股往复液流流向注入管的顶端，然后反之，並最终引导通过管口注入周围的土壤中。
11.权利要求
1中所述薄浆注入方法，其中混合加速装置装在注入管中，加速装置至少有一个往复通道，直接通向管子顶端，然后反之，所述往复通道是与注入管顶端的注入口相通的。
专利摘要
一种改进的薄浆注入法，采用一注入管，使分别供给的不同材料接触和混合后注入土壤。本方法中，第一压力保持阀装在以较高压力供给一种材料的压力较高通道中，混合段设在第一压力保持阀的下游靠近处，第二压力保持阀设在混合段下游。一种材料流过第一压力保持阀后其压力降低，然后在混合段，以超过一个大气压力和由第二压力保持阀所确定的压力下与另一种材料接触和混合，所生成的薄浆经过第二压力保持阀从注入口注入土壤。
文档编号E02D3/00GK87100030SQ87100030
公开日1987年9月16日 申请日期1987年1月6日
发明者田泽俊介, 武内健司, 堀场明良, 石田光治, 鹿岛昭一, 村田峰雄 申请人:日东化学工业株式会社, 日本土地工业株式会社, 山口机械工业株式会社, 日本综合防水株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan