我中心在岩体失稳灾害低碳防治-岩石长裂隙高桥接率MICP修复方法方面取得新进展

岩体失稳是人类生产活动、工程建设和自然界中常见的一类地质灾害，发生的普遍性和高频发性表明其防治工作目前仍是急需解决的难题。学界和工程界普遍认为裂隙是岩体稳定性的一类主控因素且浅表小张开度裂隙修复防止裂隙进一步扩展是岩体失稳灾害主动防治的一种有效的、经济的措施（图1）。

图1 岩体失稳灾害主要类型示意图

为此，我中心泮晓华副教授团队以微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial Induced Calcium Carbonate Precipitation， MICP）技术为突破口，提出了一种基于“三阶段”注射策略的MICP（TS-MICP）高桥接率修复方法，以实现岩体失稳灾害防治耐久性的提升，因为只有均匀的碳酸钙分布和高桥接率，才能保证裂隙修复体具有优异的物理力学性能，防止修复裂隙再次劣化开裂。

 TS-MICP高桥接率修复长裂隙的关键在于引入了“三阶段”注射策略（重力沉淀阶段、浓缩菌阶段、加固阶段）并协同利用了各阶段的优势。（1）重力沉淀阶段，利用有机物质的氢键絮凝作用和重力作用，将菌液和胶结液混合液中的絮状碳酸钙快速、均匀沉积至裂隙底部，产生碳酸钙、有机物互层混合体。在后续重力沉底步的多轮处理和后续浓缩菌步、加固步的进一步处理下，底部形成致密、高桥接率、高强度的碳酸钙胶结体。同时，裂隙侧壁中部和顶部由于细菌吸附作用，形成“台阶状”侧壁碳酸钙沉淀，这些“台阶”将为第二阶段即浓缩菌阶段的碳酸钙沉积提供停留场所同时也保证碳酸高在中部、顶部分布更加均匀（图2a）。（2）浓缩菌阶段，利用浓缩后的菌液遇到胶结液后能够更加快速的产生絮状碳酸钙的特性，在“台阶”截留作用下，这些絮状碳酸钙均匀分布于裂隙的中部和顶部（图2b）。（3）加固阶段，对重力沉淀阶段、浓缩菌阶段形成的大孔隙碳酸钙沉积物在晶间进一步产生MICP矿化胶结作用，直至大部分孔隙被充填，进一步提高桥接率和胶结强度（图2c）。最终，实现了桥接率提升2.8（32.1-89.5%，图2）、力学胶结性能提升7.4（0.138-1.023 MPa）和均匀性提升334.4%，材料利用率提升1.72。

图2岩石裂隙TS-MICP高桥接率修复方法示意图：（a）重力沉淀阶段、（b）浓缩菌阶段和（c）加固阶段

图3 米级岩石裂隙模型的沉淀高程和桥接面积（灰色斜线区域）：（a）传统两相注浆策略模型M1；（b）TS-MICP注浆策略模型M2

上述研究成果近期以“A bio-healing method for underground long rock fractures with high bridging rate”为题，发表于岩土工程领域期刊Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering。论文工作的创新性得到了杂志主编和审稿专家的高度肯定。我中心硕士研究生戴启辰为论文第一作者，泮晓华副教授为论文的通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的联合资助。

论文信息：Dai, Q. C., Pan, X. H^*., Tang, C. S., & Shi, B. (2025). A bio-healing method for underground long rock fractures with high bridging rate. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2025.03.021