隧道排水管材堵管機理探析

熊 帥

(內江師范學院 人工智能學院，四川 內江 641100)

1 引言

地上空間已不能滿足現代建筑的需要，特別是在一些發達地區，因此地下空間的開發和利用顯得尤為重要。隨著西部大開發、國家“一帶一路倡議”的開展，城市軌道交通發展迅猛。截至2020年末，我國大陸地區擁有地鐵城市45座，城市軌道交通運營線路244條，線路總長7969.7 km。2020年全國重點城市城市軌道交通數據如表1所示[1]。

表1 2020年全國重點城市城市軌道交通數據

可以看出表中所列的11座城市中軌道交通總里程均在200 km以上，上海的總里程和車站總數均居第一；北京次之，成都第三。為節約地上空間，軌道交通的建設，很多工程選擇利用地下空間。

現代的運營隧道表明[2～5]，在富含灰巖地帶，特別是在我國的西部地區云貴川等地，由于地下水富含Ca2+和Mg2+等微溶于水或不溶于水的碳酸鹽化合物，附著在隧道排水管壁內側，得不到及時排出，待到雨季水流將排水管周圍的泥沙、圍巖碎片、顆粒等雜物沖擊到管內相互作用形成堆積，如此往復，便造成了堵管現象的發生。一旦隧道排水管堵塞，便會引發隧道結構的一系列問題，輕則隧道內的降壓能力大大削弱，隧道外的水壓突增，引發隧道結構仰拱隆起、襯砌破損掉落、二襯結構開裂、圍巖周圍應力變化等病害；重則因橫縱隧道排水管堵塞，導致隧道內涌水的發生，影響行車、行人安全，威脅交通道路、人員生命財產安全。

要從根本上解決隧道排水管堵管問題，首要的應從隧道管材選材上著手。

2 隧道排水管堵塞機理

據統計[6，7]，排水管的堵塞受溶液溫度、周圍CO2濃度、水中溶質種類、酸堿度大小等許多因素的影響，其原因是在水溶液內存在著微溶于水或者不溶于水的碳酸鹽化合物，根據周卓[8]的研究取樣水質分析發現溶液中含有的微溶物質86%為CaCO3，主要是由溶液中的Ca2+和CO32-結合生成的，Ca2+在富含灰巖地區尤為多見，濃度也相對較高；而CO32-來源于CO2，CO2可存在于周圍環境、動植物呼吸、生物腐蝕等。劉士洋[9]等通過在大量工程現場調研和室內實驗證明了隧道灰巖地質環境中，水溶液富含HSO4-、HCO3-、Ca2+、Mg+等，根據化學電離平衡原理可知這些離子會生成碳酸鈣、碳酸鎂等晶體；晶體聚集過多會堵塞排水管道，如此，日復一日威脅排水系統健康。由此，隧道排水管堵塞內在因素是由于微溶于水的碳酸鹽在水流的作用下，附著在管壁內側排不出去，加上周圍的泥沙、枯枝爛葉等外在因素在雨季的作用下，進一步加大堵管的風險。

在劉士洋等[9]通過植絨膜的室內實驗研究，得出規律曲線，發現實驗初期，7 d之后的5組數據的結晶量均有所增加；隨之，在14～21 d其結晶量增加減緩；28～35 d結晶量達到最小，甚至出現了負增長的現象。通過室內模型實驗可知，實驗前期主要是結晶物與管材之間的相互作用，其結晶量呈現增長趨勢，有利于結晶物的形成，對管道堵塞呈正相關關系；到了中后期是結晶物與結晶物之間的作用，一方面以排斥力為主，再加之水流沖擊下夾帶泥沙等對結晶物有一個削減的作用，故有下降的趨勢。這種削減作用主要是，排斥力的存在致使結晶增加量減少，伴隨泥沙等物體與結晶物之間的摩擦力作用，使其結晶質量有所減少，但是也不能完全將其削減，因為削減一定的量之后，結晶物表面被慢慢磨平，表面趨于光滑，因而此后結晶量會趨于平穩。

根據牛頓定律，如果在絕對光滑的前提下，運動中的物體會一直不斷地運動下去。受此啟發，若果管道內壁在絕對光滑的情況下，那么相應的結晶物會隨著水流的作用被排出管道外，但是在現實自然界中只能找到摩擦力相對較小的材料，那么在選擇管材時，可以選擇摩擦系數較小的，或者與晶體帶靜電相同的材料，應用同性相斥的原理選擇管材，達到從源頭上盡量減少結晶物附著在管壁內側的目的。

3 隧道排水管材應用現狀

方祖磊等[10]選擇了幾種不同的防腐管道對海底隧道管材的比選進行了深入的研究，由于海底隧道對管材要求的特殊性，比如耐腐蝕性要求高、管徑大、一次成型后期維修復雜、高差大等，分別對銅鎳合金管、碳鋼管、不銹鋼管(316 L不銹鋼管、雙相不銹鋼管)、鋼骨架塑料復合管進行了從耐腐蝕、使用壽命、市場價格、施工難易程度以及耐火等級等的比較，得出銅鎳合金管和雙相不銹鋼管的耐腐蝕性最好，但價格也相應高出其他管材的10倍以上，在實驗室條件下選擇此種管材用于海底隧道比較好。李林毅等[11]采用試驗相似原理，通過建立3D隧道模型，開展了隧道堵管滲流實驗研究，得出隨隧道堵塞程度加深，隧道排水量的變化規律。在實際工程實例中，排水系統采用的管材多為尼龍、波紋管道[12～14]，其造價比較便宜，但隧道的橫縱排水管堵塞也比較嚴重。特別是采用波紋管道，由于存在波浪起伏，使得當水流流過管道時，所受阻力加大，進一步加速了不溶于水的碳酸鹽晶體附著在管壁內側的可能性，加大了其與管壁的接觸面積。

基于此，筆者通過參考大量的文獻提出了幾種防治隧道結晶堵管的幾種理論機理，為隧道工程中排水管材的選擇、新材料的開發方向提供一定參考。

4 隧道排水管堵塞處理的新思想

4.1 不同管材對排水管堵塞的影響

要想從根本上解決隧道堵管問題，那么在選材階段就要進行仔細甄別。不同的材料有不同的分子結構、不同的摩擦系數、帶不同的靜電荷等。周元江[15]研究PVC管材與晶體之間分子動模擬的相互作用，得出PVC管材與不同切面碳酸鈣晶體之間的結合效果進行比較；PVC[16,17]管材的單體由聚氯乙烯構成，受碳碳雙鍵，氯原子的影響，粗糙系數為0.009，有良好的耐腐蝕、耐藥品性，缺點是易脆裂。

PPR[18～20]管由單體聚丙烯構成，受碳碳三建影響，熔點較PVC管材高，相對分子質量也較大，具有良好的韌性和抗沖擊性能[9]，20 ℃時的密度為0.9 g/cm3，摩阻系數為0.007，較上述PVC管材更小，因此用于排水系統內沿程阻力也相應較小，缺點是PPR管材在低溫時，容易脆裂，因此在低溫運輸條件下要求較為苛刻。

聚四氟乙烯管[21～23]由單體四氟乙烯構成，受碳碳雙鍵、全氟原子的影響，靜摩擦系數是塑料中最小的，為聚乙烯的1/5，具備良好的耐高溫、低溫、腐蝕性能，并且其靜摩擦系數小于動摩擦系數，抗拉強度也很好，對氧、紫外線均穩定，但其價格也較前兩者高。

在經濟條件允許的條件下，對三種管材從摩擦系數方面來說，聚四氟乙烯管所受摩擦力是最小的，即其內壁較前兩者光滑，不容易產生晶體、雜物沉淀，因此它是直接作為工程排水管材的最佳選擇材料。但在實際工程案例中，由于隧道排水要求相當嚴格，故排水管道的需求量十分巨大，不考慮工程經濟狀況是不合適的，另外由于聚四氟乙烯管存在碳碳雙鍵、氟原子，雙鍵斷裂需要巨大的能量，氟原子的原子半徑為元素周期表中鹵素元素最小的，因此其更容易成鍵。

4.2 改性管材影響排水管堵塞機理

基于上述對3種管材PVC管、PPR管和聚四氟乙烯管的結構、經濟分析可知，從理論上講選擇聚四氟乙烯管作為工程排水的主要管材是良好的，但是受工程經濟投資影響，選擇PVC管是經濟的。因此，在實際工程案例中選擇尼龍、波紋管、PVC管道為多，為進一步防治排水管堵塞可以在考慮經濟的基礎上對管材進行一些適當的改性，筆者提出以PVC管材為母本材料，對其改性提供兩個方面的理論參考，希望對工程中隧道排水管的發展提供一定的理論支撐。

首先，在選擇PVC管材作為母本材料的基礎上，可以根據電場[24]、磁場分別會產生電場力、磁場力的作用，對游離于溶液中的離子有定向作用的原理改造管材；其次，也可以根據不同材料所帶靜電不同，“同性相斥”原理選擇具有排斥晶體于管材內壁的材料，對管材內外部進行涂層改性等。

(1)PVC+電場：主要思想是在PVC管材外加電場進行管材改性，當水溶液流過管道時，根據前面的介紹，水溶液中含有鈣離子和碳酸根離子，在流入排水管道P點時，有一定的水流初速度V0，正離子如Mg+、Ca2+等往陰極移動，SO42+、CO32-等負離子將往陽極移動，如圖1所示，在流出管道之前在電場作用下，鈣離子和碳酸根離子不產生集合，那么就可以很好地防止產生碳酸鈣的沉淀，達到從源頭上防止堵管。

圖1 電場對離子作用下的管壁

(2)PVC+磁場：如圖2，在PVC管材外加上一圈如圖所示的線圈，通電后，根據電生磁原理，即可產生如圖所示的磁場方向，同樣的道理，在水流沖擊作用下，水溶液中的Mg+、Ca2+、SO42+、CO32-等離子將發生定向移動，在流出管道之前這些離子不產生集合，那么就不會附著在管壁內側造成堵管。

圖2 磁場作用下的管材

(3)根據整體材料帶靜電情況及文獻[25]資料，并查閱相關資料后表明在CaCO3晶體切開表面后，在(1，-1，0)表面處帶正電，(1,0,4)處不帶電，因此在選擇管材時可根據晶體表面帶電不同，選擇與其作用面帶靜電類型相同的材料，以期利用“同性相斥”的原理，從根本上阻礙因在溶液中已經集合成型的CaCO3晶體附著在管壁內側而引起的管內堵塞。

5 結論與展望

本文結合國內外大量文獻，對目前隧道排水系統中排水管材的應用現狀進行了總結，并對目前隧道中排水管堵塞微觀機理進行了深入的探究。為從源頭上解決管道堵塞，對比三種管材PVC管、PPR管和聚四氟乙烯的化學鍵、摩擦系數等，發現聚四氟乙烯較其他2種具有良好的防結晶功能；考慮到工程實際造價情況，提出以PVC管材為母本材料對其進行改性，以PVC+電場、PVC+磁場、PVC+涂層三種改性方法分別從電場力、磁場力以及“同性相斥”的防結晶堵塞原理進行了詳細介紹，對管材的改性從機理上提出了一定的理論依據，對未來排水管材的發展方向有一定的借鑒意義。隨著管道制造工藝的不斷進步，相信在不久的將來，性能更加優秀的非金屬隧道排水管材會應用在隧道排水系統中，將會從源頭上解決隧道堵管的難題。