微生物注漿加固技術在地下水封洞庫不良圍巖段的應用

＊王曉晶 宋慶明

（中海油石化工程有限公司 山東 266061）

引言

地下工程項目施工和運營階段的特點決定了對巖體強度以及防滲性能均有較高的要求。而決定地下工程成敗的巖石又廣泛存在不均質、裂隙、組成成分復雜等特點。其中巖石的裂隙特征主要包括裂隙寬度、形狀、長度和密度。裂隙寬度是影響裂隙封堵最重要的因素。研究學者針對巖體裂隙做了大量的研究并運用注漿的方法對裂隙進行封堵加固，常用的注漿材料有水泥漿液和水泥-水玻璃漿液[1]。但水泥使用壽命短，水泥生產過程存在污染，存在高耗能、高污染的缺點，且水泥的顆粒粒徑較大，在修復時很難進入裂隙內部，不適合裂隙寬度較小、深度較深的情況。而有機化學材料粘結性較差，用于修復水泥混凝土、巖體等材料時，互相之間相容性較差，對裂縫界面條件的要求比較嚴格，而且容易老化，具有揮發性，同樣化學材料絕大多數帶有毒性，會對地下環境和人體造成不良影響。

針對這些注漿材料所存在的不足之處，研究人員提出了基于微生物誘導碳酸鈣技術進行裂縫自修復，通過微生物分泌的脲酶水解尿素生成銨根和碳酸根與外部供給的鈣離子結合生成碳酸鈣沉淀。生成的碳酸鈣沉淀可以附著在巖石裂隙內部，對裂隙進行填充與封堵。

微生物誘導礦化（Microbial Induced Mineralization，簡稱為MICP）是一種新型巖體加固技術，其以產脲酶微生物作為主要調節對象，通過微生物代謝分解尿素形成碳酸根離子并與代謝環境中鈣離子結合形成碳酸鈣礦物結晶，大量碳酸鈣結晶顆粒連接，起到加固巖體的作用。微生物誘導碳酸鈣沉淀主要有4種方式，分別為尿素水解[2-5]、反硝化作用[6-7]、三價鐵還原[7-8]和硫酸鹽還原，其中尿素水解應用較為廣泛。以巴斯德芽孢桿菌為例，為其提供充足的尿素，巴斯德芽孢桿菌在代謝過程中產生脲酶，脲酶加速尿素的水解，當水解產物與營養液中的Ca2+相遇時生成碳酸鈣沉淀，反應方程式如下，圖1為細菌反應過程，圖（A）為細菌吸收尿素（UREA）產生NH4+（AMM）和CO32-（DIC），圖（B）為細菌周圍的Ca2+濃度過高時，便會有碳酸鈣沉淀產生，圖（C）為堿性環境下碳酸鈣的溶解度較小，碳酸鈣不斷析出將細菌包裹形成碳酸鈣沉淀顆粒。

圖1 細菌誘導碳酸鈣產生過程[8]

微生物的直徑比水泥小，常用的水泥粒徑一般在50～60μm之間，細菌的直徑大約在0.5～3μm，細菌的孢子直徑可以小至0.2μm，常用的巴氏芽孢桿菌的直徑在0.25～0.6μm，可以深入水泥無法深入的裂縫中，可以在土體孔隙中活動。

微生物誘導碳酸鈣沉淀，由于其具有漿液流動性好、注漿壓力低、適用范圍廣、環境友好以及綠色環保的特點，日益成為修復加固材料的研究重點，這一技術利用的是綠色無污染的微生物資源，改變建筑材料的微觀結構與組成，進而提高其工程力學性質，包括強度、剛度和滲透性等。目前利用微生物誘導碳酸鈣沉淀主要在巖土工程中應用較多，利用注漿的方式將微生物漿液輸送至土體中，微生物和營養液在土體孔隙中流動，碳酸鈣沉淀填充土體孔隙，增加了土體的密實度、強度和滲透性均有所改善，通過微生物菌液處理后的電鏡掃描圖，可以看到生成了大量碳酸鈣沉淀，互相膠結在一起，達到加固土體及增強土體防滲的效果。

目前國內外的研究成果主要是在巖土體中運用微生物誘導碳酸鈣沉積修復技術，而對地下巖體裂隙的封堵加固研究較少。本文通過在巖體裂隙內成功誘導出碳酸鈣沉淀結晶，填充巖石結構面間的裂解，實現對巖石裂隙的封堵和巖體的加固，通過電鏡觀測結晶形態與特征，從而研究MICP技術封堵巖石裂隙的效果。

1.試驗準備

(1)試樣制備

本試驗采用大理石巖樣直徑50mm、高度100mm，巖樣中間垂直貫通裂縫寬度約為2mm。將包裹在橡膠套內的巖樣裝入試驗裝置中，設置3個平行組，試樣編號為1、2和3。

(2)菌種

本試驗所用巴斯德芽孢桿菌（Sporosarcinapasteurii，又名芽孢八疊球菌）。本細菌是一種高產脲酶的巴氏芽孢桿菌，它是一種土壤中富含的嗜堿性細菌，并且在酸堿、高鹽度等惡劣環境都能保持較強的生物活性，能以尿素為能源，通過新陳代謝活動產生大量的高活性脲酶，將尿素水解生成NH4+和CO32-，此后再向土壤中灌注鈣鹽溶液提供鈣離子，由于微生物特殊的細胞壁結構，其表面一般帶有大量負離子基團從而吸附溶液中的Ca2+，微生物通過自身生命活動將CO32-運輸到細胞表面與Ca2+結合形成碳酸鈣晶體。

(3)營養液

本試驗為微生物尿素酶的分解提供原料的營養鹽是尿素（CN2H4O）溶液，選用了氯化鈣（CaCl2）溶液作為鈣源溶液，兩種溶液溶度均為0.5mol/L。

2.試驗過程

采用蠕動泵進行注漿，將菌液和營養物液均從試樣下端注入，從上端流出。每個試樣每次注入菌液100mL，6h后注入營養液，經過12h后再次注入營養液，此為一輪注漿，時間為24h。直至注漿口被封堵住，無法繼續注入溶液，然后停止注漿進行養護。

3.試驗結果

(1)抗剪強度測試

試樣養護7天后，用WDW3100微控電子萬能試驗機進行抗剪強度測試。試驗測得注漿試樣應力-應變曲線圖如圖2所示。可以從圖中看出來，隨著應變的增加，應力逐漸增大，當試樣達到某一應力值（即最大應力值）時，應力數據瞬間降為0，說明此時試樣突然破壞，表現出脆性破壞的特點。將試樣最大應力值進行統計，如圖3所示。三組注漿試樣的抗剪強度最大值為0.22MPa。試樣的裂縫模擬的是貫通裂縫，在貫通裂縫中，采用蠕動泵注漿時施加一定的壓強對巖石裂隙的沖刷作用增加了碳酸鈣沉淀附著的難度，裂隙面上附著的碳酸鈣沉淀較少。

圖2 注漿試樣應力-應變曲線圖

圖3 注漿試樣最大應力值

(2)裂隙測試分析

為了研究微生物封堵巖石裂隙后的兩個結構面之間的膠結狀態，采用日本日立公司生產的S-4800型高分辨場發射掃描電鏡對巖石結構面上的所取生成物進行表面形貌及微觀結構研究。為了清楚了解到生成物在裂隙中的存在形態與膠結結構面原理，對試樣進行沿膠結面的直剪破壞，用小刀沿著巖石裂隙結構面輕輕刮下生成物，采用烘干法對樣本進行干燥處理，緊貼結構面的一側與破壞面一側分別制作一個樣本。最后將試樣置于噴鍍儀中進行噴金處理，隨后通過調節放大倍數得到樣本合適的電鏡掃描圖。

件裂隙結構面的生成物表面形貌如圖4所示，從SEM成像圖中可看到生成物微觀結構表面較為平整，基本無孔隙且無細小裂隙，生成物的生成形態附和了結構面平整的形態特點，礦物晶粒之間膠結填充程度好、結晶程度高，并沒有出現大的孔隙且與結構面緊緊地粘結在一起。可見，裂隙處結構面的膠結是由于生成物的晶體顆粒之間的相互粘結與包裹，使原本分離的兩個結構面之間產生以晶體顆粒為骨架的物理作用鍵。

圖4 裂隙結構面SEM成像圖[9]

4.總結

（1）試驗結果表明：利用微生物誘導碳酸鈣沉淀技術能夠封堵巖石裂隙，生成物不斷在試樣裂隙中沉積，生成物的晶體顆粒之間相互粘結與包裹，從而填充了裂隙，加固了試樣。3組注漿試樣的抗剪強度最大值為0.22MPa，與注漿前相比較，試樣加固效果明顯。

（2）沿裂隙面破壞一側的生成物使原本分離的兩個結構面之間產生以晶體顆粒為骨架的物理作用鍵，使裂隙兩側的結構面緊緊地粘結在一起。

（3）微生物誘導碳酸鈣沉淀技術修復的巖石裂縫的抗剪強度高于未填充的試樣，該技術用于封堵、加固地下水封洞庫中不良圍巖段的巖石裂縫是可行的。

5.MICP技術的應用及展望

對不良圍巖段的裂隙封堵加固處理，傳統技術存在許多的不足之處，如破碎裂隙加固效果差、經濟成本高、施工難度大、對環境有負面影響等不足。于是利用MICP技術封堵加固不良圍巖段的裂隙就應運而生，巖石裂隙由于微生物誘導的碳酸鈣晶體得到了有效的封堵加固，使得巖體的整體性、力學性能和滲透性均得到提高。

國外的Boquet.E、Boronat A等人早在1973年就發現了微生物具有修復、加固巖石裂縫的作用，經誘導產生的CaCO3結晶在微生物死亡后仍繼續承擔封堵加固的作用。在2005年James K等人第一次將MICP技術用于油氣田鉆探工程的封堵加固研究中。

國內的談葉飛等人在安徽滁州大洼水庫黏性土堤防3個區段利用MICP技術對巖土體進行防滲加固，通過誘導生成碳酸鈣沉積封堵加固了壩體內部的孔隙/裂隙[10]。鄧紅衛等人在2019年利用MICP技術開展了裂隙黃砂巖的修復加固試驗，根據試驗研究表明：經過42天的修復，巴氏芽孢桿菌代謝產生的碳酸鈣沉淀使得裂隙黃砂巖孔隙率、防滲性能和抗壓強度均有較大改善[11]。

隨著對微生物誘導碳酸鈣沉淀技術不斷深入的研究，實際工程方面的應用也逐漸增多。早在2004年鹿特丹港口部分區域的裂隙封堵就運用了微生物誘導碳酸鈣沉淀技術，大大提高了砂土地基的抗滲系數，加固效果良好且維持時間較長。利用微生物技術加固砂礫土層，將微生物菌液利用灌漿方式灌注到現場地下砂土層中，加固后土層強度較高且能夠保持穩定，不會發生塌陷，加固效果良好；實際的石油開采工程中運用微生物誘導碳酸鈣沉淀技術，對砂土層進行封堵，能夠大大降低砂土層的滲透性。

微生物加固技術的不斷研究，有利于土木工程的綠色發展，這一技術利用的是綠色無污染的微生物資源，改變建筑材料的微觀結構與組成，進而提高其工程力學性質，包括強度、剛度和滲透性等。目前利用微生物誘導碳酸鈣沉淀應用于土石磚類建筑修復、混凝土裂縫修復、智能自修復混凝土、巖土體加固、大壩及土中構筑物防滲堵漏、砂土液化防治等多領域已進行了眾多研究并取得了極大進展。根據MICP的實驗室內對巖體裂縫的填充、加固的研究，探索出一種新型的可應用地下水封洞庫不良圍巖段處理的加固手段[11]。