微生物注浆加固技术在地下水封洞库不良围岩段的应用

＊王晓晶 宋庆明

（中海油石化工程有限公司 山东 266061）

引言

地下工程项目施工和运营阶段的特点决定了对岩体强度以及防渗性能均有较高的要求。而决定地下工程成败的岩石又广泛存在不均质、裂隙、组成成分复杂等特点。其中岩石的裂隙特征主要包括裂隙宽度、形状、长度和密度。裂隙宽度是影响裂隙封堵最重要的因素。研究学者针对岩体裂隙做了大量的研究并运用注浆的方法对裂隙进行封堵加固，常用的注浆材料有水泥浆液和水泥-水玻璃浆液[1]。但水泥使用寿命短，水泥生产过程存在污染，存在高耗能、高污染的缺点，且水泥的颗粒粒径较大，在修复时很难进入裂隙内部，不适合裂隙宽度较小、深度较深的情况。而有机化学材料粘结性较差，用于修复水泥混凝土、岩体等材料时，互相之间相容性较差，对裂缝界面条件的要求比较严格，而且容易老化，具有挥发性，同样化学材料绝大多数带有毒性，会对地下环境和人体造成不良影响。

针对这些注浆材料所存在的不足之处，研究人员提出了基于微生物诱导碳酸钙技术进行裂缝自修复，通过微生物分泌的脲酶水解尿素生成铵根和碳酸根与外部供给的钙离子结合生成碳酸钙沉淀。生成的碳酸钙沉淀可以附着在岩石裂隙内部，对裂隙进行填充与封堵。

微生物诱导矿化（Microbial Induced Mineralization，简称为MICP）是一种新型岩体加固技术，其以产脲酶微生物作为主要调节对象，通过微生物代谢分解尿素形成碳酸根离子并与代谢环境中钙离子结合形成碳酸钙矿物结晶，大量碳酸钙结晶颗粒连接，起到加固岩体的作用。微生物诱导碳酸钙沉淀主要有4种方式，分别为尿素水解[2-5]、反硝化作用[6-7]、三价铁还原[7-8]和硫酸盐还原，其中尿素水解应用较为广泛。以巴斯德芽孢杆菌为例，为其提供充足的尿素，巴斯德芽孢杆菌在代谢过程中产生脲酶，脲酶加速尿素的水解，当水解产物与营养液中的Ca2+相遇时生成碳酸钙沉淀，反应方程式如下，图1为细菌反应过程，图（A）为细菌吸收尿素（UREA）产生NH4+（AMM）和CO32-（DIC），图（B）为细菌周围的Ca2+浓度过高时，便会有碳酸钙沉淀产生，图（C）为碱性环境下碳酸钙的溶解度较小，碳酸钙不断析出将细菌包裹形成碳酸钙沉淀颗粒。

图1 细菌诱导碳酸钙产生过程[8]

微生物的直径比水泥小，常用的水泥粒径一般在50～60μm之间，细菌的直径大约在0.5～3μm，细菌的孢子直径可以小至0.2μm，常用的巴氏芽孢杆菌的直径在0.25～0.6μm，可以深入水泥无法深入的裂缝中，可以在土体孔隙中活动。

微生物诱导碳酸钙沉淀，由于其具有浆液流动性好、注浆压力低、适用范围广、环境友好以及绿色环保的特点，日益成为修复加固材料的研究重点，这一技术利用的是绿色无污染的微生物资源，改变建筑材料的微观结构与组成，进而提高其工程力学性质，包括强度、刚度和渗透性等。目前利用微生物诱导碳酸钙沉淀主要在岩土工程中应用较多，利用注浆的方式将微生物浆液输送至土体中，微生物和营养液在土体孔隙中流动，碳酸钙沉淀填充土体孔隙，增加了土体的密实度、强度和渗透性均有所改善，通过微生物菌液处理后的电镜扫描图，可以看到生成了大量碳酸钙沉淀，互相胶结在一起，达到加固土体及增强土体防渗的效果。

目前国内外的研究成果主要是在岩土体中运用微生物诱导碳酸钙沉积修复技术，而对地下岩体裂隙的封堵加固研究较少。本文通过在岩体裂隙内成功诱导出碳酸钙沉淀结晶，填充岩石结构面间的裂解，实现对岩石裂隙的封堵和岩体的加固，通过电镜观测结晶形态与特征，从而研究MICP技术封堵岩石裂隙的效果。

1.试验准备

(1)试样制备

本试验采用大理石岩样直径50mm、高度100mm，岩样中间垂直贯通裂缝宽度约为2mm。将包裹在橡胶套内的岩样装入试验装置中，设置3个平行组，试样编号为1、2和3。

(2)菌种

本试验所用巴斯德芽孢杆菌（Sporosarcinapasteurii，又名芽孢八叠球菌）。本细菌是一种高产脲酶的巴氏芽孢杆菌，它是一种土壤中富含的嗜碱性细菌，并且在酸碱、高盐度等恶劣环境都能保持较强的生物活性，能以尿素为能源，通过新陈代谢活动产生大量的高活性脲酶，将尿素水解生成NH4+和CO32-，此后再向土壤中灌注钙盐溶液提供钙离子，由于微生物特殊的细胞壁结构，其表面一般带有大量负离子基团从而吸附溶液中的Ca2+，微生物通过自身生命活动将CO32-运输到细胞表面与Ca2+结合形成碳酸钙晶体。

(3)营养液

本试验为微生物尿素酶的分解提供原料的营养盐是尿素（CN2H4O）溶液，选用了氯化钙（CaCl2）溶液作为钙源溶液，两种溶液溶度均为0.5mol/L。

2.试验过程

采用蠕动泵进行注浆，将菌液和营养物液均从试样下端注入，从上端流出。每个试样每次注入菌液100mL，6h后注入营养液，经过12h后再次注入营养液，此为一轮注浆，时间为24h。直至注浆口被封堵住，无法继续注入溶液，然后停止注浆进行养护。

3.试验结果

(1)抗剪强度测试

试样养护7天后，用WDW3100微控电子万能试验机进行抗剪强度测试。试验测得注浆试样应力-应变曲线图如图2所示。可以从图中看出来，随着应变的增加，应力逐渐增大，当试样达到某一应力值（即最大应力值）时，应力数据瞬间降为0，说明此时试样突然破坏，表现出脆性破坏的特点。将试样最大应力值进行统计，如图3所示。三组注浆试样的抗剪强度最大值为0.22MPa。试样的裂缝模拟的是贯通裂缝，在贯通裂缝中，采用蠕动泵注浆时施加一定的压强对岩石裂隙的冲刷作用增加了碳酸钙沉淀附着的难度，裂隙面上附着的碳酸钙沉淀较少。

图2 注浆试样应力-应变曲线图

图3 注浆试样最大应力值

(2)裂隙测试分析

为了研究微生物封堵岩石裂隙后的两个结构面之间的胶结状态，采用日本日立公司生产的S-4800型高分辨场发射扫描电镜对岩石结构面上的所取生成物进行表面形貌及微观结构研究。为了清楚了解到生成物在裂隙中的存在形态与胶结结构面原理，对试样进行沿胶结面的直剪破坏，用小刀沿着岩石裂隙结构面轻轻刮下生成物，采用烘干法对样本进行干燥处理，紧贴结构面的一侧与破坏面一侧分别制作一个样本。最后将试样置于喷镀仪中进行喷金处理，随后通过调节放大倍数得到样本合适的电镜扫描图。

件裂隙结构面的生成物表面形貌如图4所示，从SEM成像图中可看到生成物微观结构表面较为平整，基本无孔隙且无细小裂隙，生成物的生成形态附和了结构面平整的形态特点，矿物晶粒之间胶结填充程度好、结晶程度高，并没有出现大的孔隙且与结构面紧紧地粘结在一起。可见，裂隙处结构面的胶结是由于生成物的晶体颗粒之间的相互粘结与包裹，使原本分离的两个结构面之间产生以晶体颗粒为骨架的物理作用键。

图4 裂隙结构面SEM成像图[9]

4.总结

（1）试验结果表明：利用微生物诱导碳酸钙沉淀技术能够封堵岩石裂隙，生成物不断在试样裂隙中沉积，生成物的晶体颗粒之间相互粘结与包裹，从而填充了裂隙，加固了试样。3组注浆试样的抗剪强度最大值为0.22MPa，与注浆前相比较，试样加固效果明显。

（2）沿裂隙面破坏一侧的生成物使原本分离的两个结构面之间产生以晶体颗粒为骨架的物理作用键，使裂隙两侧的结构面紧紧地粘结在一起。

（3）微生物诱导碳酸钙沉淀技术修复的岩石裂缝的抗剪强度高于未填充的试样，该技术用于封堵、加固地下水封洞库中不良围岩段的岩石裂缝是可行的。

5.MICP技术的应用及展望

对不良围岩段的裂隙封堵加固处理，传统技术存在许多的不足之处，如破碎裂隙加固效果差、经济成本高、施工难度大、对环境有负面影响等不足。于是利用MICP技术封堵加固不良围岩段的裂隙就应运而生，岩石裂隙由于微生物诱导的碳酸钙晶体得到了有效的封堵加固，使得岩体的整体性、力学性能和渗透性均得到提高。

国外的Boquet.E、Boronat A等人早在1973年就发现了微生物具有修复、加固岩石裂缝的作用，经诱导产生的CaCO3结晶在微生物死亡后仍继续承担封堵加固的作用。在2005年James K等人第一次将MICP技术用于油气田钻探工程的封堵加固研究中。

国内的谈叶飞等人在安徽滁州大洼水库黏性土堤防3个区段利用MICP技术对岩土体进行防渗加固，通过诱导生成碳酸钙沉积封堵加固了坝体内部的孔隙/裂隙[10]。邓红卫等人在2019年利用MICP技术开展了裂隙黄砂岩的修复加固试验，根据试验研究表明：经过42天的修复，巴氏芽孢杆菌代谢产生的碳酸钙沉淀使得裂隙黄砂岩孔隙率、防渗性能和抗压强度均有较大改善[11]。

随着对微生物诱导碳酸钙沉淀技术不断深入的研究，实际工程方面的应用也逐渐增多。早在2004年鹿特丹港口部分区域的裂隙封堵就运用了微生物诱导碳酸钙沉淀技术，大大提高了砂土地基的抗渗系数，加固效果良好且维持时间较长。利用微生物技术加固砂砾土层，将微生物菌液利用灌浆方式灌注到现场地下砂土层中，加固后土层强度较高且能够保持稳定，不会发生塌陷，加固效果良好；实际的石油开采工程中运用微生物诱导碳酸钙沉淀技术，对砂土层进行封堵，能够大大降低砂土层的渗透性。

微生物加固技术的不断研究，有利于土木工程的绿色发展，这一技术利用的是绿色无污染的微生物资源，改变建筑材料的微观结构与组成，进而提高其工程力学性质，包括强度、刚度和渗透性等。目前利用微生物诱导碳酸钙沉淀应用于土石砖类建筑修复、混凝土裂缝修复、智能自修复混凝土、岩土体加固、大坝及土中构筑物防渗堵漏、砂土液化防治等多领域已进行了众多研究并取得了极大进展。根据MICP的实验室内对岩体裂缝的填充、加固的研究，探索出一种新型的可应用地下水封洞库不良围岩段处理的加固手段[11]。