微生物加固技术修复岩体的潜力与挑战

刘相润

摘  要：我国地质灾害频发，对危岩体进行加固修复是地灾防护的重要组成部分。近几年，自然界微生物生化过程的成矿产物对岩土体表现出良好的胶结性能，因此利用微生物加固技术对裂隙岩体进行加固，将能降低危岩崩塌、脱离母岩的风险，提高危岩的稳定性，同时也为地灾防治提供了一种新的思路。在回顾微生物加固技术的机理基础上，重点阐述了微生物加固技术的缺陷与不足，这将是今后需要重点解决的问题。

关  键  词：微生物加固技术；MICP；巴氏芽孢杆菌；碳酸钙

1 引言

在地质构造、风化、降水、地震、人类活动等单个因素或多个因素耦合作用下，岩石中节理、裂隙越来越发育从而形成了连续的破断面，造成岩体发生较大变形，对节理、裂隙岩质边坡的稳定性造成极大的影响，不利于工程的正常施工或安全运营。近年来的研究发现，自然界微生物生化过程的成矿产物对试样表现出良好的胶结性能。因此，基于微生物成矿作用的新型岩土体加固技术为地质灾害的防治提供了一种新的思路[1]。与注浆等传统的岩土体加固方法相比，该技术具有粘性低、流动性好、对微细小裂隙处理效果更佳等优点，可以更好的渗透到岩石的节理裂隙中，并且对环境的污染小，是一种生态环保的绿色加固技术[2]。

2微生物加固技术

微生物固化常见的反应有脲酶水解尿素、铁还原、反硝化、硫酸盐还原等反应，其中又以MICP（Microbially Induced Carbonate Precipitation，基于脲酶水解尿素的微生物诱导碳酸钙沉积）技术研究最多，应用最广[3]。而巴氏芽孢杆菌（Sporosarcinapasteurii）由于其自身无毒无害；对环境的适应性强；在恶劣的环境下（酸性、碱性、高盐性）也能保持较高的细胞活性等优点，成为了MICP技术相关研究中最为热门的细菌之一[4-5]。

图1巴氏芽孢杆菌菌种

2.1MICP技术加固原理

将巴氏芽孢杆菌注入岩土体后，巴氏芽孢杆菌吸附到岩土体颗粒的表面，利用自身的新陈代谢活动为之后的反应提供脲酶条件[6]。而后随着钙源与尿素的注入，由巴氏芽孢杆菌产生的脲酶首先将尿素分解成和，又由于巴氏芽孢杆菌细胞表面带负电能够吸附环境与溶液中的阳离子，Ca2+便以巴氏芽孢杆菌为成核位点吸附被脲酶水解后的碳酸根离子从而形成碳酸钙包裹在巴氏芽孢杆菌的细胞表面。随着生成的碳酸钙越来越多，巴氏芽孢杆菌因碳酸钙的包裹逐渐失活、死亡。当岩土颗粒之间通过碳酸钙“桥接”起来，此时岩土体得到了有效胶结，岩土体中的孔隙、裂隙减小，岩土体强度得到了提高，岩土体的渗透性也得到了有效的降低。

2.2面临的一些问题

利用微生物加固技术对裂隙岩体进行加固，提高危岩的稳定性，降低危岩崩塌、脱离母体的风险，将为地灾防治提供新的思路。但该技术的研究主要集中于室内与小规模现场试验，应用该技术进行地灾防治的报道鲜有阐述，因为该技术仍有一些缺陷与不足：

（1）施工用量、浓度问题

对于裂隙节理岩体采用微生物加固技术进行加固作业时，微生物菌液、胶结液的浓度及用量将是一个较大问题。一味的增大在裂隙中生成的碳酸钙含量并不能取得最好加固的效果，确定适合实际工程的菌液、胶结液最佳浓度以及用量是微生物固化技术运用到实际工程中的关键。

（2）加固均匀性问题

目前主流的研究对象都是针对砂土，因为MICP技术对此类土体能有较好的加固改良效果。如果岩体中的裂隙较窄，在岩土体中的孔喉尺寸较小的位置处将导致碳酸钙在该位置沉积下来，导致岩土体整体加固效果较差。

（3）岩体修复后的评价问题

在实验室内，MICP技术取得了不错的加固效果。但当该技术应用到实际裂隙岩体的加固时，对岩体的加固效果该如何进行评价，该技术对裂隙岩体的加固效果到底如何，现在并没有研究可以给出答案。

（4）温度问题

我国幅员辽阔，各个地方的环境、气候、温度等均有差异。巴氏芽孢杆菌最佳的生存温度在20-40℃，温度降低，巴氏芽孢杆菌的活性也随之降低。若将该技术应用到我国高原地区，对岩体的加固效果并不能取得像实验室内的一样。虽然可以从当地环境筛选出能够水解尿素的脲酶生物并进行培养使用，但这样使得MICP技术变得更为复杂，所耗费的时间成本也更高，对于稳定较差、立即需要治理的危岩并不是一个好的选择。

（5）加固针对性问题

由于岩体内部裂隙节理发育具有随机性，存在注入流动性好的微生物浆液在重力或者地下水的作用下去到了治理区域以外的问题，对需要整治的危岩无任何加固效果，定点加固将是微生物加固技术应用到危岩整治的重点探讨对象。

（6）微生物的培养及成本问题

对于工程人员来说，微生物的接种以及培养将是一个比较大的麻烦，具有一定的问题。购买一株微生物的成本较高，并且在微生物在培养过程中要求较高，降低原材料成本问题亟待解决。

（7）加固的耐久性问题

岩体中较宽的裂隙经MICP技术处理后碳酸钙很快就会被冲刷掉，影响加固后的耐久性。并且随着时间的发展和当前的气候条件（全球变暖、雨水成酸化）影响下，碳酸钙沉积将难以长期稳定的存在。

（8）污染问题

人为引入过量的诱导碳酸钙沉积的微生物或是对当地微生物进行改性，将会使当地土壤中微生物种群的平衡以及多样性发生破坏；MICP技术在诱导碳酸钙沉淀的过程中会产生氨气，这会对人体健康产生危害。并且在微生物固化过程中产生氯化铵也会对环境、地下水造成极大的污染。

（9）需要多次灌浆问题

目前实验室内对岩土体的裂隙修复都进行了多次灌浆，若要取得同水泥浆液相同的加固效果单次微生物灌浆无法达到。多次注浆将会延长整个工程的施工周期，进行一次微生物注浆就能达到较好的加固效果这将是微生物加固技术迫切需要解决的问题。

3结论

微生物加固技术作为一种生态环保的技术，将为裂隙岩体的加固处理提供一种新的方法。本文在回顾巴氏芽孢杆菌（Sporosarcinapasteurii）加固原理的基础上，重点说明了MICP技术应用到工程实际中将遇到的一些问题，如施工用量、浓度、加固针对性等问题，这将是今后需重点研究、解决的方面。

参考文献

[1]唐朝生, 泮晓华, 吕超, 等. 微生物地质工程技术及其应用[J].高校地质学报, 2021, 27(6): 625－654.

[2]E Portugal C R M, Fonyo C, Machado C C, et al.Microbiologicallyinduced calcite precipitation biocementation, green alternativefor roads-is this the breakthrough? A critical review[J].Journal ofCleaner Production, 2020, 262: 121372.

[3] Yu T,Souli H, Pechaud Y, et al.Optimizing protocols for microbialinduced calcite precipitation (MICP) for soil improvement-a review[J]. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2022, 26(6): 2218－2233.

[4]裴迪,刘志明, 胡碧茹, 等.巴氏芽孢杆菌矿化作用机理及应用研究进展[J]. 生物化学与生物物理进展, 2020, 47(6): 467－482.

[5]刘汉龙,肖鹏, 肖杨, 等.微生物岩土技术及其应用研究新进展[J]. 土木与环境工程学报(中英文), 2019, 41(1): 1－14.

[6]李多.微生物诱导碳酸钙沉淀固化沙漠风积砂的研究[D]. 杨凌:西北农林科技大学, 2018.