CO2對(duì)隧道盲管水體結(jié)晶的影響及控制措施研究★

董朝陽(yáng)，朱耀璋，張 亮，李榮賀

(1.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州工程建設(shè)指揮部，甘肅 蘭州 730000；2.中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，山東 濟(jì)南 250300)

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)高鐵建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)高鐵的總體水平已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。在我國(guó)的西北地區(qū)，高速鐵路的建設(shè)也已大規(guī)模地鋪開(kāi)，然而由于該地區(qū)山地、丘陵居多，導(dǎo)致高速鐵路的發(fā)展離不開(kāi)隧道的建設(shè)。我國(guó)西北地區(qū)氣候總體較為干旱，然而在隧道施工過(guò)程中，大多數(shù)隧道內(nèi)仍有地下水流出，有的隧道地下出水量還較大。同時(shí)，在地下水從隧道的排水盲管內(nèi)向外流出時(shí)，往往會(huì)在盲管內(nèi)生成結(jié)晶體，該結(jié)晶體越積越多，會(huì)對(duì)盲管的排水造成一定的影響，甚至?xí)氯す埽o隧道的安全運(yùn)營(yíng)造成很大的隱患。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于隧道盲管水體結(jié)晶也展開(kāi)了相關(guān)的研究，取得了一些研究成果。在這一方面，田崇明等[1]通過(guò)研究分析，提出隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶主要因素為地下水的類(lèi)型、混凝土特性、排水結(jié)晶的物理化學(xué)條件以及管道沉積條件等。向坤等[2]針對(duì)隧道排水系統(tǒng)中的結(jié)晶堵塞問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室采用PVC管模擬隧道的盲管，探究了不同pH值下的結(jié)晶規(guī)律。劉再華等[3]的DBL理論則認(rèn)為，水流的流速越大，CaCO3等沉淀結(jié)晶速率越快。蔣雅君等[4]研究了采用有機(jī)酸清洗劑對(duì)盲管結(jié)晶體進(jìn)行清洗，研究表明采用高壓清洗加循環(huán)清洗的工藝，能取得較為理想的管道結(jié)晶清洗效果。毛意軍等[5]研究了公路隧道排水系統(tǒng)堵塞成因及防治方法。程詠春等[6]則采用數(shù)值分析的方法對(duì)隧道排水管結(jié)晶堵塞進(jìn)行了模擬研究。以上研究?jī)?nèi)容雖然較多，但都未能找出導(dǎo)致盲管結(jié)晶最直接的原因，以及如何有效地防止地下水在盲管內(nèi)的結(jié)晶。因此，結(jié)合中蘭客專(zhuān)某隧道的盲管水體結(jié)晶情況，研究導(dǎo)致盲管水體結(jié)晶最直接的原因，以及如何有效地防止盲管水體的結(jié)晶。

1 工程概況

新建中衛(wèi)至蘭州客運(yùn)專(zhuān)線，是連結(jié)寧夏回族自治區(qū)銀川市和甘肅省蘭州市高速鐵路的一部分。在鐵路的施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)線路中某隧道的盲管內(nèi)有結(jié)晶現(xiàn)象，且結(jié)晶體在盲管出口的二襯壁上也非常明顯。該隧道所處區(qū)域地下水隨著山體裂隙運(yùn)動(dòng)，地表水源較少，一般沿著山體的垂直方向滲透，絕大多數(shù)的山體礦化度為2 g/L～6 g/L。該區(qū)域地下水與大氣環(huán)境降水分布關(guān)系密切，雨水小而多聚集于7月～9月，且分配極不平衡，導(dǎo)致了大氣環(huán)境雨量補(bǔ)充地下水過(guò)程的間歇性。工程隧道所屬地區(qū)山勢(shì)較為險(xiǎn)峻，巖體構(gòu)造相對(duì)完整，未發(fā)現(xiàn)滑坡、坍塌等不良地質(zhì)情況出現(xiàn)。

2 隧道盲管排水成分分析

2.1 水樣采集

結(jié)合中蘭客運(yùn)專(zhuān)線隧道施工的具體情況，對(duì)盲管內(nèi)水體結(jié)晶隧道的情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。經(jīng)調(diào)研可知，結(jié)晶體主要為白色結(jié)晶體。由圖1可以看出，白色結(jié)晶體在二襯表面呈傘面狀分布，水流兩側(cè)的結(jié)晶體厚度較厚，約4 mm，而水流中的結(jié)晶體較薄，約2 mm。由結(jié)晶體的分布來(lái)看，該結(jié)晶體內(nèi)有的成分溶于水，同時(shí)該結(jié)晶體硬度不高，脆性較大，用硬物可容易刮下。在工程隧道現(xiàn)場(chǎng)選取具有代表性的排水口進(jìn)行取水，以進(jìn)行相應(yīng)的水樣成分分析和相關(guān)的試驗(yàn)研究(見(jiàn)圖2)，同時(shí)也采取了部分結(jié)晶體進(jìn)行化驗(yàn)。

2.2 水樣成分分析

將在隧道內(nèi)所取得水樣交由專(zhuān)業(yè)的水樣檢測(cè)單位進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，得到的水樣檢測(cè)報(bào)告見(jiàn)表1。

表1 水樣分析報(bào)告

3 二氧化碳對(duì)盲管結(jié)晶的影響試驗(yàn)研究

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

2020年10月進(jìn)行二氧化碳對(duì)盲管結(jié)晶影響的準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備了兩個(gè)800 mL的燒杯、一個(gè)單面開(kāi)口的玻璃箱，玻璃箱的開(kāi)口蒙上一層紗布，可保證玻璃箱內(nèi)空氣流通，同時(shí)防止空氣中的灰塵落入量杯中。

10月24日上午開(kāi)始相關(guān)試驗(yàn)。分別將480 mL的水樣和480 mL的純凈水倒入兩個(gè)燒杯中，純凈水用來(lái)作為對(duì)比。當(dāng)晚觀察發(fā)現(xiàn)水樣中出現(xiàn)少量白色沉淀，水變渾濁。

10月26日上午進(jìn)行觀察，水樣出現(xiàn)大量白色沉淀，從側(cè)面觀察水樣十分渾濁。

10月28日下午進(jìn)行觀察，水樣有大量白色物質(zhì)析出，杯底出現(xiàn)大量白色沉淀。兩個(gè)量杯中均有少量的水揮發(fā)。

10月30日上午進(jìn)行觀察。水樣與10月28日觀察無(wú)明顯變化；純凈水無(wú)變化。

接下來(lái)幾次觀察中，直到11月11日，除部分水樣揮發(fā)，水樣再?zèng)]有明顯變化(水樣結(jié)晶見(jiàn)圖3)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)證明了空氣中的CO2與水接觸后生成碳酸鹽是盲管中水體結(jié)晶的主要原因。然而在實(shí)際的隧道盲管中，空氣中的CO2在盲管內(nèi)造成的水體結(jié)晶沿盲管是如何分布的，還需要在隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2.1 試驗(yàn)方案

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，采用將盲管外接的方式，以觀測(cè)外接管內(nèi)的水體結(jié)晶分布規(guī)律，從而研究分析盲管內(nèi)的水體結(jié)晶分布規(guī)律。外接管采用與盲管形式相同的波紋管。外接管在與盲管連接后在隧道內(nèi)沿排水溝擺放時(shí)采用自然平放的方式，這樣空氣可順著外接管出水口進(jìn)入，也就是保證空氣中的CO2可進(jìn)入外接管一定深度內(nèi)。進(jìn)行一段時(shí)間的試驗(yàn)后，通過(guò)稱(chēng)取外接管中結(jié)晶體的質(zhì)量，研究CO2對(duì)盲管水體結(jié)晶的影響。

3.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

1)2021年4月27日，在隧道內(nèi)選取了具有代表性的盲管口進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。在盲管口外接波紋管(見(jiàn)圖4)，并使用專(zhuān)用膠水封閉連接口，使空氣無(wú)法在盲管與外接波紋管連接處進(jìn)入盲管。波紋管的長(zhǎng)度為5 m，其波紋類(lèi)型與隧道盲管的波紋類(lèi)型一致。

2)將外接管的另一端平放，將放置好的外接管進(jìn)行固定，以免在試驗(yàn)過(guò)程中外接管發(fā)生移動(dòng)或變形，造成部分結(jié)晶體剝落，影響試驗(yàn)效果。固定好外接管以后，仔細(xì)檢查外接管的完好性及與盲管連接處的密封性，保證在試驗(yàn)過(guò)程中空氣只能在外接管的平放端進(jìn)入管內(nèi)。

3)試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，定期檢查外接管的狀況，以保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。檢查過(guò)程中避免觸碰外接管，特別是不使外接管發(fā)生移動(dòng)，以免結(jié)晶體從外接管上剝落。

4)2021年6月24日，收取外接波紋管。收取時(shí)先將外接波紋管從與盲管連接處鋸開(kāi)，然后將波紋管平放到地面上，接著將波紋管均勻鋸為5段，每段長(zhǎng)度1 m。整個(gè)過(guò)程中動(dòng)作要輕緩，避免結(jié)晶體從波紋管上剝落。然后將5段波紋管從1到5進(jìn)行編號(hào)，1號(hào)段為與盲管連接的一端，5號(hào)段為空氣進(jìn)入的一端(見(jiàn)圖5)。

5)清理波紋管表面的泥漿與雜質(zhì)。稱(chēng)取每段波紋管的總質(zhì)量，然后減去該段波紋管凈重，得到各段波紋管內(nèi)的結(jié)晶體質(zhì)量。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)得到的每段波紋管內(nèi)的結(jié)晶體質(zhì)量見(jiàn)表2。

表2 波紋管內(nèi)結(jié)晶體質(zhì)量 g

由表2可以看出，第1段波紋管中結(jié)晶體質(zhì)量為75.58 g，第2段波紋管中結(jié)晶體質(zhì)量為134.97 g，是第1段結(jié)晶體質(zhì)量的1.79倍；第3段波紋管中結(jié)晶體質(zhì)量為215.09 g，是第1段結(jié)晶體質(zhì)量的2.85倍；第4段波紋管中結(jié)晶體質(zhì)量為270.47 g，是第1段結(jié)晶體質(zhì)量的3.58倍；第5段波紋管中結(jié)晶體質(zhì)量為370.82 g，是第1段結(jié)晶體質(zhì)量的4.9倍。每段結(jié)晶體質(zhì)量依次增大，說(shuō)明越靠近外接波紋管出水口，地下水越容易與空氣接觸并與CO2發(fā)生反應(yīng)，從而進(jìn)一步證明了CO2是導(dǎo)致隧道盲管內(nèi)水體結(jié)晶的關(guān)鍵因素。

4 控制CO2進(jìn)入隧道盲管的阻氣排水設(shè)備

由以上研究結(jié)果可知，地下水在盲管內(nèi)的結(jié)晶主要是由于空氣中的二氧化碳與地下水接觸所致，若能將空氣阻止在盲管以外，則地下水就不會(huì)在盲管內(nèi)產(chǎn)生結(jié)晶，從而也就不會(huì)堵塞盲管，研究結(jié)合這一狀況，研發(fā)了用于阻止隧道內(nèi)的空氣進(jìn)入盲管的設(shè)備。

該阻氣設(shè)備主要由連接部、環(huán)形管和外伸管三部分組成，其中的連接部主要用于將該阻氣設(shè)備與盲管端部連接在一起，并將阻氣設(shè)備牢固地固定在隧道二襯壁上。連接部由接水管、固定板和橡膠墊片三部分組成。連接部的接水管可套在盲管外側(cè)，將盲管內(nèi)排出的水引出來(lái)。而固定板主要用于將接水管與隧道二襯壁固定在一起，并由橡膠墊片起密封作用，使空氣不再由固定板和二襯壁的連接部位進(jìn)入盲管內(nèi)。固定板和橡膠墊片上均設(shè)有螺栓孔，用于在二襯壁上安裝阻氣設(shè)備(如圖6,圖7所示)。

環(huán)形管由接水管延長(zhǎng)后螺旋環(huán)繞一周形成，且環(huán)形管位于接水管的下部。由于盲管內(nèi)的水要由環(huán)形管流出，從而在環(huán)形管內(nèi)保持有蓄水，該蓄水可保證隧道內(nèi)的空氣不能進(jìn)入盲管內(nèi)，而盲管內(nèi)的水則可以通過(guò)環(huán)形管排出，從而起到在盲管內(nèi)封閉空氣的作用。外伸管豎直向下，保證水的順暢排出，同時(shí)防止隧道內(nèi)的浮塵等進(jìn)入(見(jiàn)圖8)。

5 結(jié)論

地下水在隧道盲管內(nèi)排出時(shí)產(chǎn)生的結(jié)晶，對(duì)隧道盲管的排水造成很大的影響。空氣中的二氧化碳與地下水接觸后生成的碳酸鹽，是導(dǎo)致隧道盲管結(jié)晶的主要因素。文中研發(fā)的阻氣排水設(shè)備，阻止了空氣進(jìn)入盲管中，使盲管內(nèi)不再產(chǎn)生結(jié)晶，保證了盲管的排水通暢，對(duì)保證鐵路隧道的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。