微生物注漿加固技術(shù)在地下水封洞庫(kù)不良圍巖段的應(yīng)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(xiàng)目施工和運(yùn)營(yíng)階段的特點(diǎn)決定了對(duì)巖體強(qiáng)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(zhì)、裂隙、組成成分復(fù)雜等特點(diǎn)。其中巖石的裂隙特征主要包括裂隙寬度、形狀、長(zhǎng)度和密度。裂隙寬度是影響裂隙封堵最重要的因素。研究學(xué)者針對(duì)巖體裂隙做了大量的研究并運(yùn)用注漿的方法對(duì)裂隙進(jìn)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(chǎn)過(guò)程存在污染，存在高耗能、高污染的缺點(diǎn)，且水泥的顆粒粒徑較大，在修復(fù)時(shí)很難進(jìn)入裂隙內(nèi)部，不適合裂隙寬度較小、深度較深的情況。而有機(jī)化學(xué)材料粘結(jié)性較差，用于修復(fù)水泥混凝土、巖體等材料時(shí)，互相之間相容性較差，對(duì)裂縫界面條件的要求比較嚴(yán)格，而且容易老化，具有揮發(fā)性，同樣化學(xué)材料絕大多數(shù)帶有毒性，會(huì)對(duì)地下環(huán)境和人體造成不良影響。

針對(duì)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(dǎo)碳酸鈣技術(shù)進(jìn)行裂縫自修復(fù)，通過(guò)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(jié)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(nèi)部，對(duì)裂隙進(jìn)行填充與封堵。

微生物誘導(dǎo)礦化（Microbial Induced Mineralization，簡(jiǎn)稱(chēng)為MICP）是一種新型巖體加固技術(shù)，其以產(chǎn)脲酶微生物作為主要調(diào)節(jié)對(duì)象，通過(guò)微生物代謝分解尿素形成碳酸根離子并與代謝環(huán)境中鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣礦物結(jié)晶，大量碳酸鈣結(jié)晶顆粒連接，起到加固巖體的作用。微生物誘導(dǎo)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(jià)鐵還原[7-8]和硫酸鹽還原，其中尿素水解應(yīng)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(guò)程中產(chǎn)生脲酶，脲酶加速尿素的水解，當(dāng)水解產(chǎn)物與營(yíng)養(yǎng)液中的Ca2+相遇時(shí)生成碳酸鈣沉淀，反應(yīng)方程式如下，圖1為細(xì)菌反應(yīng)過(guò)程，圖（A）為細(xì)菌吸收尿素（UREA）產(chǎn)生NH4+（AMM）和CO32-（DIC），圖（B）為細(xì)菌周?chē)腃a2+濃度過(guò)高時(shí)，便會(huì)有碳酸鈣沉淀產(chǎn)生，圖（C）為堿性環(huán)境下碳酸鈣的溶解度較小，碳酸鈣不斷析出將細(xì)菌包裹形成碳酸鈣沉淀顆粒。

圖1 細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣產(chǎn)生過(guò)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(xì)菌的直徑大約在0.5～3μm，細(xì)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(wú)法深入的裂縫中，可以在土體孔隙中活動(dòng)。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，由于其具有漿液流動(dòng)性好、注漿壓力低、適用范圍廣、環(huán)境友好以及綠色環(huán)保的特點(diǎn)，日益成為修復(fù)加固材料的研究重點(diǎn)，這一技術(shù)利用的是綠色無(wú)污染的微生物資源，改變建筑材料的微觀結(jié)構(gòu)與組成，進(jìn)而提高其工程力學(xué)性質(zhì)，包括強(qiáng)度、剛度和滲透性等。目前利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀主要在巖土工程中應(yīng)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(yíng)養(yǎng)液在土體孔隙中流動(dòng)，碳酸鈣沉淀填充土體孔隙，增加了土體的密實(shí)度、強(qiáng)度和滲透性均有所改善，通過(guò)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(jié)在一起，達(dá)到加固土體及增強(qiáng)土體防滲的效果。

目前國(guó)內(nèi)外的研究成果主要是在巖土體中運(yùn)用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積修復(fù)技術(shù)，而對(duì)地下巖體裂隙的封堵加固研究較少。本文通過(guò)在巖體裂隙內(nèi)成功誘導(dǎo)出碳酸鈣沉淀結(jié)晶，填充巖石結(jié)構(gòu)面間的裂解，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石裂隙的封堵和巖體的加固，通過(guò)電鏡觀測(cè)結(jié)晶形態(tài)與特征，從而研究MICP技術(shù)封堵巖石裂隙的效果。

1.試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)試樣制備

本試驗(yàn)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(nèi)的巖樣裝入試驗(yàn)裝置中，設(shè)置3個(gè)平行組，試樣編號(hào)為1、2和3。

(2)菌種

本試驗(yàn)所用巴斯德芽孢桿菌（Sporosarcinapasteurii，又名芽孢八疊球菌）。本細(xì)菌是一種高產(chǎn)脲酶的巴氏芽孢桿菌，它是一種土壤中富含的嗜堿性細(xì)菌，并且在酸堿、高鹽度等惡劣環(huán)境都能保持較強(qiáng)的生物活性，能以尿素為能源，通過(guò)新陳代謝活動(dòng)產(chǎn)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(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，其表面一般帶有大量負(fù)離子基團(tuán)從而吸附溶液中的Ca2+，微生物通過(guò)自身生命活動(dòng)將CO32-運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞表面與Ca2+結(jié)合形成碳酸鈣晶體。

(3)營(yíng)養(yǎng)液

本試驗(yàn)為微生物尿素酶的分解提供原料的營(yíng)養(yǎng)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(yàn)過(guò)程

采用蠕動(dòng)泵進(jìn)行注漿，將菌液和營(yíng)養(yǎng)物液均從試樣下端注入，從上端流出。每個(gè)試樣每次注入菌液100mL，6h后注入營(yíng)養(yǎng)液，經(jīng)過(guò)12h后再次注入營(yíng)養(yǎng)液，此為一輪注漿，時(shí)間為24h。直至注漿口被封堵住，無(wú)法繼續(xù)注入溶液，然后停止注漿進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3.試驗(yàn)結(jié)果

(1)抗剪強(qiáng)度測(cè)試

試樣養(yǎng)護(hù)7天后，用WDW3100微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)得注漿試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖2所示。可以從圖中看出來(lái)，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)試樣達(dá)到某一應(yīng)力值（即最大應(yīng)力值）時(shí)，應(yīng)力數(shù)據(jù)瞬間降為0，說(shuō)明此時(shí)試樣突然破壞，表現(xiàn)出脆性破壞的特點(diǎn)。將試樣最大應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。三組注漿試樣的抗剪強(qiáng)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(dòng)泵注漿時(shí)施加一定的壓強(qiáng)對(duì)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(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖3 注漿試樣最大應(yīng)力值

(2)裂隙測(cè)試分析

為了研究微生物封堵巖石裂隙后的兩個(gè)結(jié)構(gòu)面之間的膠結(jié)狀態(tài)，采用日本日立公司生產(chǎn)的S-4800型高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)巖石結(jié)構(gòu)面上的所取生成物進(jìn)行表面形貌及微觀結(jié)構(gòu)研究。為了清楚了解到生成物在裂隙中的存在形態(tài)與膠結(jié)結(jié)構(gòu)面原理，對(duì)試樣進(jìn)行沿膠結(jié)面的直剪破壞，用小刀沿著巖石裂隙結(jié)構(gòu)面輕輕刮下生成物，采用烘干法對(duì)樣本進(jìn)行干燥處理，緊貼結(jié)構(gòu)面的一側(cè)與破壞面一側(cè)分別制作一個(gè)樣本。最后將試樣置于噴鍍儀中進(jìn)行噴金處理，隨后通過(guò)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)得到樣本合適的電鏡掃描圖。

件裂隙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面較為平整，基本無(wú)孔隙且無(wú)細(xì)小裂隙，生成物的生成形態(tài)附和了結(jié)構(gòu)面平整的形態(tài)特點(diǎn)，礦物晶粒之間膠結(jié)填充程度好、結(jié)晶程度高，并沒(méi)有出現(xiàn)大的孔隙且與結(jié)構(gòu)面緊緊地粘結(jié)在一起。可見(jiàn)，裂隙處結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)是由于生成物的晶體顆粒之間的相互粘結(jié)與包裹，使原本分離的兩個(gè)結(jié)構(gòu)面之間產(chǎn)生以晶體顆粒為骨架的物理作用鍵。

圖4 裂隙結(jié)構(gòu)面SEM成像圖[9]

4.總結(jié)

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明：利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)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(jié)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(qiáng)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(cè)的生成物使原本分離的兩個(gè)結(jié)構(gòu)面之間產(chǎn)生以晶體顆粒為骨架的物理作用鍵，使裂隙兩側(cè)的結(jié)構(gòu)面緊緊地粘結(jié)在一起。

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

5.MICP技術(shù)的應(yīng)用及展望

對(duì)不良圍巖段的裂隙封堵加固處理，傳統(tǒng)技術(shù)存在許多的不足之處，如破碎裂隙加固效果差、經(jīng)濟(jì)成本高、施工難度大、對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響等不足。于是利用MICP技術(shù)封堵加固不良圍巖段的裂隙就應(yīng)運(yùn)而生，巖石裂隙由于微生物誘導(dǎo)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(xué)性能和滲透性均得到提高。

國(guó)外的Boquet.E、Boronat A等人早在1973年就發(fā)現(xiàn)了微生物具有修復(fù)、加固巖石裂縫的作用，經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的CaCO3結(jié)晶在微生物死亡后仍繼續(xù)承擔(dān)封堵加固的作用。在2005年James K等人第一次將MICP技術(shù)用于油氣田鉆探工程的封堵加固研究中。

國(guó)內(nèi)的談葉飛等人在安徽滁州大洼水庫(kù)黏性土堤防3個(gè)區(qū)段利用MICP技術(shù)對(duì)巖土體進(jìn)行防滲加固，通過(guò)誘導(dǎo)生成碳酸鈣沉積封堵加固了壩體內(nèi)部的孔隙/裂隙[10]。鄧紅衛(wèi)等人在2019年利用MICP技術(shù)開(kāi)展了裂隙黃砂巖的修復(fù)加固試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)研究表明：經(jīng)過(guò)42天的修復(fù)，巴氏芽孢桿菌代謝產(chǎn)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(qiáng)度均有較大改善[11]。

隨著對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)不斷深入的研究，實(shí)際工程方面的應(yīng)用也逐漸增多。早在2004年鹿特丹港口部分區(qū)域的裂隙封堵就運(yùn)用了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)，大大提高了砂土地基的抗?jié)B系數(shù)，加固效果良好且維持時(shí)間較長(zhǎng)。利用微生物技術(shù)加固砂礫土層，將微生物菌液利用灌漿方式灌注到現(xiàn)場(chǎng)地下砂土層中，加固后土層強(qiáng)度較高且能夠保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生塌陷，加固效果良好；實(shí)際的石油開(kāi)采工程中運(yùn)用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)，對(duì)砂土層進(jìn)行封堵，能夠大大降低砂土層的滲透性。

微生物加固技術(shù)的不斷研究，有利于土木工程的綠色發(fā)展，這一技術(shù)利用的是綠色無(wú)污染的微生物資源，改變建筑材料的微觀結(jié)構(gòu)與組成，進(jìn)而提高其工程力學(xué)性質(zhì)，包括強(qiáng)度、剛度和滲透性等。目前利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀應(yīng)用于土石磚類(lèi)建筑修復(fù)、混凝土裂縫修復(fù)、智能自修復(fù)混凝土、巖土體加固、大壩及土中構(gòu)筑物防滲堵漏、砂土液化防治等多領(lǐng)域已進(jìn)行了眾多研究并取得了極大進(jìn)展。根據(jù)MICP的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)巖體裂縫的填充、加固的研究，探索出一種新型的可應(yīng)用地下水封洞庫(kù)不良圍巖段處理的加固手段[11]。