結晶堵塞隧道調研與現場試驗
——以云南某隧道為例

武東陽 肖振江

（云南臘滿高速公路有限公司,云南 西雙版納 666300）

隨著我國加快交通強國的建設，我國高速公路建設突飛猛進，但也偶爾出現隧道滲漏水等隱患，其中隧道排水系統結晶堵塞問題越來越突出。隧道建成后，噴射混凝土不斷處于地下水侵蝕狀態，混凝土中的鈣離子由于離子濃度低等因素，隨地下水流失進入排水系統，造成隧道排水系統堵塞。在長期的侵蝕過程及地下水壓作用下，混凝土內部結構遭受破壞，出現松散現象，進而降低隧道使用壽命。該問題會造成較大的經濟損失，需要修復排水系統，治理襯砌裂損及滲漏水危害，且后者費用較高。

國內關于隧道排水系統結晶堵塞問題的研究，最早主要針對巖溶隧道[1]，近年來，非巖溶隧道結晶堵塞問題也較嚴重[2-3]。于清浩[4]利用室內試驗研究海水滲流及其與初支、圍巖相互作用對排水堵塞的影響，通過觀測、化學分析等手段，一定程度上預測了排水系統的堵塞，并認為隧道排水系統堵塞是結垢和泥沙沉積的共同作用。葉飛等[5]通過調研和室內試驗驗證了影響結晶的主要因素是水泥水化產物和地下水的綜合作用。隧道排水系統結晶堵塞影響因素復雜，現行隧道規范中還沒有針對這類問題對公路隧道排水系統的設計、施工、運營、維養等方面進行詳細的說明。本文以云南某在建結晶堵塞隧道為例，采用現場調研和現場試驗的方式，對其結晶機理和預防措施進行了探究，研究結果可為類似隧道治理提供一定的借鑒。

1 現場調研

1.1 工程概況

云南省勐臘至勐滿口岸高速公路某隧道，全長3 285.11 m，為特長隧道。泥巖、砂巖、粉質黏土為主要圍巖類型，碎屑巖裂隙水為主要滲水類型。建設過程中，該隧道多次發現防排水系統被白色結晶體堵塞失效問題，尤其是橫向排水管和縱向排水管。圖1為隧道橫向排水管結晶堵塞情況，圖2為隧道縱向排水管檢查井處結晶堵塞情況。

圖1 隧道橫向排水管結晶堵塞情況

圖2 隧道縱向排水管檢查井處結晶堵塞情況

1.2 結晶體分析

利用XRD對結晶體固相分析，確定其主要成分為CaCO3，XRD檢測結果如圖3所示。

圖3 依托工程結晶體XRD分析

1.3 地下水質狀況

對其地表水和地下水進行檢測，地表水檢測結果如表1所示，地下水檢測結果如表2所示。

表1 地表水水質分析結果

表2 地下水水質分析結果

將地表水及地下水中HCO3-濃度進行換算，地表水和地下水中Ca2+質量濃度為12.6～40.3 mg/L和8.6～20.7 mg/L，Ca2+質量濃度明顯偏低，表明該地區屬于非巖溶區，可見地下水中的Ca2+并不是導致產生大量結晶體的重要原因。地表水及地下水中HCO3-質量濃度分別為67.1～335.5 mg/L、103.7～189.1 mg/L，遠高于其他離子的含量，高質量濃度的HCO3-對CaCO3結晶體的生成具有促進作用。

1.4 隧道內CO2濃度

現場采用CO2檢測儀對隧道洞內外CO2濃度進行了監測，如圖4所示，測定該隧道洞內CO2濃度1 232 ppm，洞外CO2濃度418 ppm。

2 結晶體來源分析

通過XRD分析得知結晶體主要成分為CaCO3，根據CaCO3的化學組成，可將結晶體拆分為Ca2+來源和CO32-來源兩部分進行分析。

2.1 Ca2+來源

（1）水泥。水泥作為混凝土的主要凝膠材料，主要由Ca元素、Si元素、Al元素和Fe元素等組成。化學成分主要分為CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3，約占95%，MgO、S03等其他化合物約占5%。普通硅酸鹽水泥常常富含Ca3SiO5（硅酸三鈣）、2CaO·SiO2（硅酸二鈣）、3CaO·Al2O3（鋁酸三鈣）和4CaO·Al2O3·Fe2O3（鐵鋁酸四鈣）[6]。鈣溶蝕過程中水泥水化產物Ca(OH)2最易被溶解擴散發生結晶，而水化硅酸鈣相對穩定不易溶解。水泥等含鈣凝膠材料是水化后生成大量Ca(OH)2和提高混凝土pH值的重要原因，也是為CaCO3白色結晶提供鈣的重要來源。水化產物擴散到混凝土內部孔隙中，提高了Ca2+和OH-的濃度，也為鈣溶蝕提供了離子濃度差。

（2）速凝劑。采用鋁酸鈉型速凝劑，當中富含NaAlO2，噴射混凝土早期強度起到促進作用。NaAlO2與噴射混凝土中的拌合水反應生成NaOH，再與水泥中的CaSO4發生復分解反應，生成Ca(OH)2，打破了石膏對水泥水化的緩凝效果，進一步促進了水泥的水化和早凝，反應方程式如式（1）。

水泥水化產物一直處于堿性溶液中，其中Ca(OH)2易溶于水，屬于強堿，大幅提高了混凝土中的pH值。噴射混凝土中水泥用量較高，必然會造成水化產物Ca(OH)2含量偏高，溶于地下水會促進CaCO3結晶體生成，反應方程式如式（2）。

2.2 CO32-來源

碳酸根的來源主要為地下水中的CO32-、HCO3-及隧道空氣中的CO2。

（1）地下水。該隧道地下水及拌合用水中CO32-質量濃度為0.00～0.04 mg/L，侵蝕性CO2質量濃度為0.00～30.8 mg/L，但富含HCO3-，重碳酸根的質量濃度為103.7～189.1 mg/L，地下水中HCO3-＞ SO42-＞ Cl-，且(Na++Cl-)/SO42-＞ 1，根據蘇林分類法將依托工程歸為重碳酸鹽型水。并且在隧道開挖過程中，測試隧道掌子面中流出的地下水中HCO3-的質量濃度為342.6 mg/L。可見，在隧道修建過程中滲入隧道排水系統內部的地下水中含有更高濃度的HCO3-。

由于地下水中的Ca2+的質量濃度較低，使得隧道噴射混凝土因離子濃度差導致鈣溶蝕。并且當地下水滲透噴射混凝土時，不斷與噴射混凝土水化產物Ca(OH)2發生反應生成CaCO3，見式（3），同時加速了噴射混凝土的鈣溶蝕進程。該隧道溶蝕現象較為嚴重，既有物理溶蝕，也有化學溶蝕。同時，許多新生成的CaCO3結晶體被從圍巖裂隙中滲出的地下水沖刷出混凝土孔隙，流進隧道排水系統中，最后沉積結晶在排水管中造成排水管堵塞。

（2）隧道內CO2。利用CO2檢測儀檢測隧道洞內外CO2的濃度，由于洞內施工建設，裝載機等機械排放出大量CO2，導致洞內CO2濃度明顯高于洞外，并且多處排水管中地下水的Ca(OH)2濃度遠高于圍巖裂隙中的地下水。排水管中地下水表面吸收少量的CO2，加速生成結晶體，見式（4），沉積在排水管內。

從結晶體成分角度分析，將該隧道發生結晶體堵塞排水管問題分為兩個來源，分別為Ca2+來源和CO32-來源。Ca2+來源主要來自水泥水化和速凝劑水化生成水化產物Ca(OH)2。CO32-來源主要為地下水中HCO3-及隧道空氣中的CO2，將該隧道產生結晶堵塞的主要原因進行總結（見圖4）。

圖4 依托工程產生結晶主要原因

3 現場改進措施

3.1 河砂更改為機制砂

施工現場河砂產地為關累砂場，粒徑小于或等于4.75 mm。現場通過大板試驗，將機制砂大板試件和河砂大板試件放到掌子面前滲水處進行沖刷，探究水流對河砂和機制砂產生結晶體的影響。

兩者表面均產生有結晶體，但采用機制砂的大板的表面結晶量要少于河砂的大板。根據《中華人民共和國國家標準：建設用砂》（GB/T 14684—2011），采用快速砂漿棒法鑒定隧道混凝土用細集料的堿活性反應，檢測發現河砂材料含有較高的堿性物質，而較高的堿性環境會促進結晶體的生成。由此可知，機制砂在一定程度上能夠抑制結晶體的產生，故后續現場施工將堿活性較高的河砂更換為堿活性較低的機制砂。

3.2 液體速凝劑試驗

由于現場速凝劑用量較大，推測速凝劑可能也是影響結晶體生成的因素之一，為此利用低堿液體速凝劑＋干噴工藝進行了現場試驗。通過跟蹤現場施工過程，發現使用液體速凝劑噴射混凝土，混凝土易垮塌，回彈較大。通過觀察后期排水管中結晶量發現，低堿液體速凝劑＋干噴工藝對于改善結晶現象效果并不明顯，仍有很多排水管上結晶體生成量很大。原因可能是圍巖滲水量較大，液體速凝劑促凝環境較差，很多液體速凝劑可能直接被水稀釋或“沖走”，導致促凝效果較差，相比之下粉狀速凝劑“生存能力”較強，在此環境中依然能與水泥較好地黏結，并能起到封堵過水通道的作用。

3.3 粉煤灰試驗

現場粉煤灰摻量試驗概況如表3所示。

表3 粉煤灰摻量試驗概況

通過調節粉煤灰摻量發現，試驗1（不摻加粉煤灰）結晶量最多；試驗2（20%粉煤灰代替10%水泥和10%機制砂）減少結晶的效果較差，同時該方案增加了工程成本；試驗3（20%粉煤灰代替20%水泥），減少結晶的效果最好，同時該方案降低了工程成本，但延長了噴射混凝土的凝固時間；試驗4（25%粉煤灰代替15%水泥和10%機制砂）減少結晶的效果較好，同時該方案降低了工程成本，縮短了噴射混凝土凝固時間。

4 預防建議

4.1 原材料選擇

隧道產生白色結晶體病害與襯砌密切相關，不論是地下水與混凝土的直接化學反應過程，還是地下水對混凝土的侵蝕過程，其本質都是混凝土中鈣流失的過程。在滿足襯砌強度和功能的條件下，應盡可能減少混凝土中鈣的流失量。一種方式是減少地下水與襯砌的接觸，如選用早強型水泥，減少地下水在混凝土中滲流通道；另一種方式是選擇鈣質含量低的水泥和速凝劑。

4.2 控制水灰比

一般而言，用于水泥水化的水量只需水泥質量的25%左右，而很多隧道實際施工中水灰比遠高于25%，有些甚至超過60%。有些富水隧道涌水嚴重，施作噴射混凝土前并沒有做好排水措施，無形中增大了噴射混凝土的水灰比，導致施工中生成的膠體水泥漿濃度低，雖然高水灰比能增強混凝土施工的和易性，但容易產生泌水和離析現象，并且使得混凝土強度和耐久性能降低。水灰比越小，混凝土內孔隙率就越低，混凝土的后期強度也就越高。因此，在滿足施工和易性和使用功能的前提下，應盡可能降低水灰比，提高混凝土的抗滲性能。

4.3 合理利用外摻料

粉煤灰、硅灰、抗堿劑屬于超細粉摻合料，這些超細粉摻合料微粒中含有大量的活性SiO2，而活性SiO2可以消耗大量的Ca(OH)2。粉煤灰、硅灰的摻入可以使水泥漿體中顆粒分散得更加均勻，同時擴大水泥的水化空間和水化產物的生成場所，促進水泥初期的水化反應。此外，粉煤灰、硅灰取代了部分水泥材料，也可起到降低膠凝材料中鈣質總量的作用，如噴射混凝土摻加20%的粉煤灰，混凝土強度和滲透性都有所提高。

5 結論與建議

本文以云南某在建結晶堵塞高速公路隧道為例，通過現場調研和現場試驗，初步揭示了隧道排水系統結晶堵塞病害的形成機理，并基于此提出了一些預防措施，可為類似工程提供一定的借鑒。主要結論如下。

（1）隧道排水系統堵塞物為結晶沉淀物，其主要成分為CaCO3，CaCO3結晶的來源按其化學成分分為Ca2+來源和CO32-來源。

（2）噴射混凝土、地下水及隧道內CO2濃度較高是依托工程現場產生大量結晶體的重要原因。

（3）機制砂在一定程度上能夠抑制結晶體的產生，液體速凝劑對結晶量影響不大，20%摻量粉煤灰代替20%水泥，可以有效減少鈣溶出作用。

（4）隧道噴射混凝土水化產物與隧道排水系統的結晶堵塞程度高度相關。因此，通過噴射混凝土的優化，如選擇合適的原材料，優化配合比，選擇合理的外摻料等，可以從源頭上減少結晶物質的產生。