基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法

技术领域

本发明涉及岩体修复技术，具体涉及一种基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法。

背景技术

裂隙广泛分布于岩体当中，虽有不同的成因，例如风化作用、成岩作用和构造作用，但在形态上具有一个共同特点，那就是尺度的多样性，往往从临空面到岩体内部呈厘米-毫米-微米式渐变，分布上的随机性，交错成复杂网络状。多尺度复杂裂隙的修复加固是岩石力学与工程领域近些年的一个研究热点，因为其若得不到修复，大量地下洞室、矿山、边坡等工程开挖面岩体在应力卸荷或者风化过程中发生渐进失稳破坏，加速地质遗迹、石质文化遗产发生风化病害，地下核废料、能源等储库易发生泄露污染环境等等。由此可见，岩体裂隙修复对岩体工程稳定性、地质遗迹和石质文化遗产保护以及岩体工程环境保护等方面具有十分重要的理论意义和实际工程应用价值。

多尺度复杂裂隙的高效和有效修复加固是一个难点，在工程建设领域，水泥浆喷/灌浆是岩体弱风化带和开挖卸荷裂隙常用加固方法；在石质文化遗产保护领域，加固材料按材料的主要成分可分为无机材料和有机材料。无机材料像石灰水、氢氧化钡、碱性硅酸盐以及高模数硅酸钾等自十九世纪以来就被尝试用来填充文化遗产浅表风化裂隙从而期望达到防水和加固的目的。有机材料用于文化遗产的加固已有四十余年，主要有环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅类等类型。上述方法在一定程度上实现了岩体裂隙修复加固降渗的目的，但这些技术均存在一定的局限性，当裂隙为微米-毫米-厘米多尺度复杂裂隙时，其均只能针对某一单一尺度的裂隙实现有效的修复加固。水泥浆浆液由于颗粒较大，渗透性较差，只能填充修复厘米级及以上尺度的大裂隙，对微米、毫米级的微裂隙无能为力。无机材料虽渗透性比较好，能入渗并填充微裂隙，但无机材料与裂隙两侧的岩石矿物普遍存在粘结性、兼容性差等不足，在遇到较大的渗透压时由于没有粘结强度易发生冲蚀失效，也不能提高岩体的强度，且由于与原岩矿物膨胀系数的不同在热胀冷缩过程中易对裂隙造成二次伤害。有机材料粘稠性大、渗透性差，难入渗微裂隙且材料耐久性差，裂隙修复效果持久性差。

针对现有问题，迫切需要研发一种能高效、精准修复加固岩体微米-毫米-厘米多尺度复杂裂隙的技术，且修复材料应与岩体的兼容性好以及材料自身具有强耐候性。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法。本发明的基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法能够高压、高效、高修复率修复多尺度裂隙，且具有修复材料获取方便、兼容性与耐候性好的优点。

本发明的第一个技术方案为：

基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法，包括如下步骤：

①置入注浆管

需要修复的岩体表面往往存在多条裂隙，其中主裂隙与大部分的分支裂隙相连通；确定独立注浆区域，每一独立注浆区域至少有一条主裂隙，主裂隙的最小宽度为毫米级或者厘米级，在岩体表面主裂隙中置入注浆管，所述注浆管的前端置入在主裂隙的中部或下部；

②表面裂隙封护

利用注浆设备将混合浆A均匀注入裂隙直至填封表面所有裂隙；所述混合浆A通过将以重量份计的原位岩砂50-90份，菱镁矿粉5-30份，以及脲酶溶液1-10份相混合搅拌均匀获得；所述原位岩砂由相同或者相近岩性的岩块磨成粉、砂状得到；所述尿素溶液的浓度为1-10mol/L；所述脲酶溶液浓度为1-50g/L；所述混合浆A初始pH为3.0-6.0；

③注入混合浆B

利用注浆管将混合浆B注入，直至岩砂堆积在注浆管处无法再注入岩体深部；所述混合浆B通过将以重量份计的原位岩砂30-50份，石灰石粉10-30份，尿素溶液5-30份，以及相对于尿素溶液体积1-5倍的菌液混合搅拌均匀获得；所述尿素溶液的浓度为0.1-3mol/L；所述菌液为巴氏芽孢杆菌菌液，细菌浓度OD600值范围为0.5-2.5，菌液的活性值范围为1-20μmol/mL/min尿素水解量，菌液的初始pH为4.0-6.0；

④注入微生物混合液

改用微生物混合液通过注浆管进一步持续进行注浆，一直注入直至无法通过注浆管继续注入为止；所述微生物混合液通过将以按重量份计的石灰石粉10-30份，尿素溶液5-30份，以及相对于尿素溶液体积1-5倍的菌液混合搅拌均匀过滤获得；所述尿素溶液的浓度为0.1-3mol/L；所述菌液为巴氏芽孢杆菌菌液，细菌浓度OD600值范围为0.5-2.5，菌液的活性值范围为1-20μmol/mL/min尿素水解量，菌液的初始pH为4.0-6.0。

与现有技术相比，前述本发明的基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法包括置入注浆管、表面裂隙封护、注入混合浆B、注入微生物混合液四个主要步骤，具有以下显著的进步：

第一，采用相同或者相近岩性的岩块获得原位岩砂，使得凝固之后的混合浆与岩体的兼容性好、颜色保持一致或者相近，能够满足石质文物等无色差修复的高要求，同时，所有使用材料均具有高耐候性，从而使得修复部位也具有高耐候性；

第二，表面裂隙封护步骤中的脲酶矿化菱镁矿方法为首次提出，结合原位岩砂能够对岩体表面厘米-毫米级裂隙进行快速的封护，保证内部裂隙的进一步注浆过程能够形成有效的高注浆压力，保证低粘性浆液充分进入微米级裂隙和裂隙具有高修复率；

第三，相比于混合浆A，混合浆B中原位岩砂的含量得到了减少，混合浆B具有更好的流动性，使得混合浆B能够在毫米级别的裂隙中充分流动，进一步对毫米级别的裂隙进行快速填充、固定；

第四，微生物混合液的流动性又好于前面两种混合浆，使得微生物混合液在一定的注浆压力下能够在混合浆液B固化体中的孔隙中和微米级别的裂隙中流动，有效地对混合浆液B固化体和微米级别的裂隙进行修复；

第五，混合浆A、混合浆B、微生物混合液三者的联合使用，能够高压、高效和高修复率修复厘米-毫米-微米级的多尺度裂隙，克服了已有修复方法只能进行单一尺度高效修复的不足；

第六，如果岩体后续再次萌生裂隙，由于注入的浆液中含有巴氏芽孢杆菌，少量的巴氏芽孢杆菌会形成孢子，在裂隙重新产生以后，孢子接触空气和水分重新生长成具有分解尿素能力的巴氏芽孢杆菌，通过微生物的新陈代谢，能够将环境中的钙离子矿化沉积为碳酸钙，碳酸钙与岩体具有良好的相容性并能够对这些裂隙进行修复，微生物的矿化作用使得岩体具有了裂隙自修复功能。

作为优化，前述的基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法中，所述注浆管的注入压强能够使浆液顺利注入且不在表面溢出，注入压强的范围为0.1MPa-10MPa。表面裂隙封护步骤使得表面无色差修复和压力注浆成为了可能，通过高压注入的方式，使得浆液渗透的深度得到提升，从而能够对裂隙尤其微米级微裂隙进行更加充分的修复，提高裂隙修复率和修复效果。

作为优化，前述的基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法中，所述原位岩砂的粒径范围为0.075-0.60mm。原位岩砂的粒径范围控制在0.075-0.60mm，既保证了混合浆B凝固之前在毫米级裂隙中的流动性，又能够保证微生物混合浆液在混合浆B固化体中的通过性，从而微生物混合浆液能够达到更深处的微米级裂隙处。

作为优化，前述的基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法中，所述混合浆A搅拌后的流动性的程度为不会在重力作用下发生塌落。当混合浆A在重力作用下不会塌落时，代表着混合浆A既有好的可施工性又有好的封护性。

作为优化，前述的基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法中，所述主裂隙在注浆完成后，在潮湿的环境中养护28天以上。在潮湿的环境中，有利于保持酶的活性并能加速菱镁矿粉的完全碳化过程，同时也能减小混合浆A固化后的干缩开裂，从而达到主裂隙的完全封护效果。

本发明的第二个技术方案：

基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法，该方法是将前述本发明第一个技术方案的基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法中所述的混合浆A中的菱镁矿粉用氧化镁代替。相比于菱镁矿粉，氧化镁能够进一步加快混合浆的凝结，从而对岩体表面厘米-毫米级裂隙进行快速的封护。

本发明的第三个技术方案：

基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法，该方法是将前述本发明第一个技术方案的基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法中所述的石灰石粉用氯化钙代替。石灰石粉由氯化钙代替后，也能为微生物的矿化作用提供沉积所需的钙离子。

本发明的第四个技术方案：

基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法，该方法是将前述本发明第一个技术方案的基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法中所述的混合浆A用水泥浆代替。在对注浆后岩体表面外观要求不高和要求注浆材料具有高经济性的岩体工程中，水泥浆具有廉价易得的优点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式包括实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

对需要高效精准修复的多尺度裂隙，且对修复材料兼容性与耐候性要求高的岩体修复工程中，可以采用本申请的技术方案一、二和三进行修复。

实施例1

作为本申请技术方案一的一个具体实施例，基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法，包括如下步骤：

①置入注浆管

确定独立注浆区域，每一独立注浆区域至少有一条主裂隙，主裂隙的最小宽度为毫米级或者厘米级，在主裂隙中置入注浆管，注浆管的前端置入在主裂隙的中部或下部；

②表面裂隙封护

a、选取相同或者相近岩性的岩块，将岩块磨成粉状砂，得到原位岩砂，原位岩砂的粒径为0.20mm；

b、原位岩砂70份，菱镁矿粉10份，尿素溶液18份，尿素溶液的浓度为6mol/L，以及浓度为30g/L的脲酶溶液2份，各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀得到混合浆A，混合浆A搅拌后的流动性以混合浆不会在重力作用下塌落为宜；

c、利用注浆设备将混合浆A均匀注入裂隙直至填封表面所有裂隙；

③注入混合浆B

a、将巴氏芽孢杆菌在液体培养基中进行培养，得到的菌液的细菌浓度OD600值为1.5，菌液的活性值为10μmol/mL/min尿素水解量，调节菌液pH值为5.0；

b、原位岩砂40份，石灰石粉20份，尿素溶液20份，尿素溶液浓度为1mol/L，以及菌液，其中菌液与尿素溶液体积比为1:1，各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀得到混合浆B；

c、利用注浆管将混合物一直注入，直至岩砂堆积在注浆管处无法再注入岩体深部，注浆管的注入压强的为2.0MPa；

④注入微生物混合液

a、石灰石粉25份，尿素溶液25份，以及菌液，其中菌液与尿素溶液体积比为2:1；尿素溶液浓度为1mol/L，菌液为巴氏芽孢杆菌，菌液的细菌浓度OD600值为1.5，菌液的活性值为10μmol/mL/min尿素水解量，调节菌液pH值为5.0；各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀过滤获得微生物混合液；

b、改用微生物混合液通过注浆管进一步持续进行注浆，一直注入直至无法有效地通过注浆管继续注入，注浆管的注入压强的为2.0MPa。

实施例2

作为申请技术方案二的一个具体实施例，基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法，包括如下步骤：

①置入注浆管

确定独立注浆区域，每一独立注浆区域至少有一条主裂隙，主裂隙的最小宽度为毫米级或者厘米级，在主裂隙中置入注浆管，注浆管的前端置入在主裂隙的中部或下部；

②表面裂隙封护

a、选取相同或者相近岩性的岩块，将岩块磨成粉状砂，得到原位岩砂，原位岩砂的粒径为0.20mm；

b、原位岩砂70份，氧化镁10份，尿素溶液18份，尿素溶液的浓度为6mol/L，以及浓度为30g/L的脲酶溶液2份，各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀得到混合浆A，混合浆A搅拌后的流动性以混合浆不会在重力作用下塌落为宜；

c、利用注浆设备将混合浆A均匀注入裂隙直至填封表面所有裂隙；

③注入混合浆B

a、将巴氏芽孢杆菌在液体培养基中进行培养，得到的菌液的细菌浓度OD600值为1.5，菌液的活性值为10μmol/mL/min尿素水解量，调节菌液pH值为5.0；

b、原位岩砂40份，石灰石粉20份，尿素溶液20份，尿素溶液浓度为1mol/L，以及菌液，其中菌液与尿素溶液体积比为1:1，各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀得到混合浆B；

c、利用注浆管将混合物一直注入，直至岩砂堆积在注浆管处无法再注入岩体深部，注浆管的注入压强的为2.0MPa；

④注入微生物混合液

a、石灰石粉25份，尿素溶液25份，以及菌液，其中菌液与尿素溶液体积比为2:1；尿素溶液浓度为1mol/L，菌液为巴氏芽孢杆菌，菌液的细菌浓度OD600值为1.5，菌液的活性值为10μmol/mL/min尿素水解量，调节菌液pH值为5.0；各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀过滤获得微生物混合液；

b、改用微生物混合液通过注浆管进一步持续进行注浆，一直注入直至无法有效地通过注浆管继续注入，注浆管的注入压强的为2.0MPa。

实施例3

作为申请技术方案三的一个具体实施例，基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法，包括如下步骤：

①置入注浆管

确定独立注浆区域，每一独立注浆区域至少有一条主裂隙，主裂隙的最小宽度为毫米级或者厘米级，在主裂隙中置入注浆管，注浆管的前端置入在主裂隙的中部或下部；

②表面裂隙封护

a、选取相同或者相近岩性的岩块，将岩块磨成粉状砂，得到原位岩砂，原位岩砂的粒径为0.20mm；

b、原位岩砂70份，菱镁矿粉10份，尿素溶液18份，尿素溶液的浓度为6mol/L，以及浓度为30g/L的脲酶溶液2份，各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀得到混合浆A，混合浆A搅拌后的流动性以混合浆不会在重力作用下塌落为宜；

c、利用注浆设备将混合浆A均匀注入裂隙直至填封表面所有裂隙；

③注入混合浆B

a、将巴氏芽孢杆菌在液体培养基中进行培养，得到的菌液的细菌浓度OD600值为1.5，菌液的活性值为10μmol/mL/min尿素水解量，调节菌液pH值为5.0；

b、原位岩砂40份，氯化钙20份，尿素溶液20份，尿素溶液浓度为1mol/L，以及菌液，其中菌液与尿素溶液体积比为1:1，各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀得到混合浆B；

c、利用注浆管将混合物一直注入，直至岩砂堆积在注浆管处无法再注入岩体深部，注浆管的注入压强的为2.0MPa；

④注入微生物混合液

a、氯化钙25份，尿素溶液25份，以及菌液，其中菌液与尿素溶液体积比为2:1；尿素溶液浓度为1mol/L，菌液为巴氏芽孢杆菌，菌液的细菌浓度OD600值为1.5，菌液的活性值为10μmol/mL/min尿素水解量，调节菌液pH值为5.0；各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀过滤获得微生物混合液；

b、改用微生物混合液通过注浆管进一步持续进行注浆，一直注入直至无法有效地通过注浆管继续注入，注浆管的注入压强的为2.0MPa。

实施例1-3是对需要高效精准修复的多尺度裂隙进行修复，且对修复材料兼容性与耐候性要求高，混合浆A、混合浆B、微生物混合液三者的联合使用，能够高压、高效和高修复率修复厘米-毫米-微米级的多尺度裂隙，修复后，如果岩体后续再次萌生裂隙，通过微生物的新陈代谢，能够将环境中的钙离子矿化沉积为碳酸钙，碳酸钙与岩体具有良好的相容性并能够对这些裂隙进行修复，微生物的矿化作用使得岩体具有了裂隙自修复功能。

对注浆后岩体表面外观要求不高且要求注浆材料具有高经济性的岩体工程中，可以采用本申请技术方案四进行修复。

实施例4

作为申请技术方案四的一个具体实施例，基于微生物矿化作用的岩体多尺度裂隙的联合修复方法，包括如下步骤：

①置入注浆管

确定独立注浆区域，每一独立注浆区域至少有一条主裂隙，主裂隙的最小宽度为毫米级或者厘米级，在主裂隙中置入注浆管，注浆管的前端置入在主裂隙的中部或下部；

②注入水泥浆

调配好水泥浆，利用设备将水泥浆均匀喷射在岩体表面直至填封表面所有裂隙；

③注入混合浆B

a、将巴氏芽孢杆菌在液体培养基中进行培养，得到的菌液的细菌浓度OD600值为1.5，菌液的活性值为10μmol/mL/min尿素水解量，调节菌液pH值为5.0；

b、原位岩砂40份，石灰石粉20份，尿素溶液20份，尿素溶液浓度为1mol/L，以及菌液，其中菌液与尿素溶液体积比为1:1，各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀得到混合浆B；

c、利用注浆管将混合物一直注入，直至岩砂堆积在注浆管处无法再注入岩体深部，注浆管的注入压强的为2.0MPa；

④注入微生物混合液

a、石灰石粉25份，尿素溶液25份，以及菌液，其中菌液与尿素溶液体积比为2:1；尿素溶液浓度为1mol/L，菌液为巴氏芽孢杆菌，菌液的细菌浓度OD600值为1.5，菌液的活性值为10μmol/mL/min尿素水解量，调节菌液pH值为5.0；各种材料按一定顺序通过搅拌混合均匀过滤获得微生物混合液；

b、改用微生物混合液通过注浆管进一步持续进行注浆，一直注入直至无法有效地通过注浆管继续注入，注浆管的注入压强的为2.0MPa。

实施例4是对注浆后岩体表面外观要求不高且要求注浆材料具有高经济性的多尺寸裂隙进行修复，水泥浆、混合浆B、微生物混合液三者的联合使用，能够高压、高效和高经济性修复厘米-毫米-微米级的多尺度裂隙，修复后，如果岩体后续再次萌生裂隙，通过微生物的新陈代谢，能够将环境中的钙离子矿化沉积为碳酸钙，碳酸钙与岩体具有良好的相容性并能够对这些裂隙进行修复，微生物的矿化作用使得岩体具有了裂隙自修复功能。

需要指出的是，本申请并不限于上述四个具体实施例，在不违背本申请技术方案的基础上形成的其它实施例，也可以实现本发明的目的，在此不一一罗列。

上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。