隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞研究

屈玉龍，孫世達

（中交路橋建設有限公司，北京 101121）

1 隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞研究意義

鐵路、高速公路是國家的重要基礎設施，是國民經(jīng)濟的大動脈，是大眾化的交通設施。中國擁有8 600多座鐵路、公路隧道，總長度達到了4 379 km，位居世界第一。隧道防排水系統(tǒng)是及時排出隧道內(nèi)積水、保障隧道安全運營的重要結構。因此，更好地了解隧道排水系統(tǒng)中的結晶堵塞現(xiàn)象對隧道施工及養(yǎng)護至關重要。由于之前對隧道排水結晶堵塞問題的忽略，現(xiàn)在越來越多的已建隧道暴露出排水系統(tǒng)堵塞的病害，加上對于解決隧道排水結晶堵塞問題的研究較少，導致解決實際問題時更加棘手。因此，有必要對結晶物進行研究并且提出有效的施工措施來解決這一系列的問題。

隧道穿越高山，埋深大，地質水文條件錯綜復雜，隧道開挖后因水源補給處水頭高，孔隙水、裂隙水、巖溶水往往呈承壓水特征。隧道襯砌承受地下潛水壓力，潛水位升高后，增加了對隧道襯砌的壓力，同時隧道初期支護長期受到地下流動水侵蝕，混凝土在地下水的作用下CaCO3被不斷沖刷走，初支混凝土中的水化硅酸鈣中的鈣離子不斷被析出，因此會降低隧道混凝土的力學強度[1]。排水系統(tǒng)中的沉淀物主要由隧道混凝土襯砌的退化產(chǎn)生，降解是由混凝土材料與地下水之間的化學反應造成的。如果隧道排水中的降水量較高，則地下水不易在其中流動[2]。因此，地下水位將上升，這可能導致出現(xiàn)最高水壓，致使隧道二襯受承壓水影響，在這種影響下會出現(xiàn)隧道襯砌裂損、腐蝕，以及混凝土中的鋼筋銹蝕，路床翻漿冒泥和隧底脫空等病害。隧道排水系統(tǒng)中的堵塞物主要包括隧道排水管道內(nèi)形成的沉淀結晶（CaCO3、MgCO3、BaCO3、和BaSO4）[3]，影響隧道的結構風險。排水系統(tǒng)的退化不僅會影響隧道結構的穩(wěn)定性，還會帶來額外的維護問題。目前為止，僅針對隧道排水孔防止結垢的技術研究尚不多見，因此，對隧道施工中的排水管結晶物的研究及提出減緩結晶的措施，對隧道工程安全運營有著重要意義。

2 工程概況

貴州省石阡至玉屏（大龍）高速公路土建6 標項目工程，位于銅仁市石阡縣青陽鄉(xiāng)與黔東南州岑鞏縣平莊鎮(zhèn)交界，項目主線經(jīng)青陽鄉(xiāng)坪場村至岑平莊鎮(zhèn)獅兆村，主線全長5.55 km。項目連接線工程連接主線青陽互通至岑鞏縣，三級路設計標準，全長17 km。其中主線有一座隧道，為大坪隧道，全長2.15 km，隧道進口位于青陽鄉(xiāng)坪場村，出口位于平莊鎮(zhèn)鎮(zhèn)獅兆村。連接線有2 座隧道（大錫場隧道和桐子嶺隧道），位于青陽鄉(xiāng)，隧道二襯輪廓為半徑5 m 的單心圓，大錫場隧道全長562 m，桐子嶺隧道全長773 m。

本標段2017 年10 月開工建設，2018 年10 月至2019 年8 月因資金問題項目暫停施工。2018 年復工后，隧道二襯橫向排水口出現(xiàn)不同程度的白色-黃色結晶物，進一步排查，隧道初支部位亦發(fā)現(xiàn)不同程度的結晶物，初步認定該結晶物為鈣華，即富含碳酸氫鈣的水溶液因CO2從水中脫離或水進行蒸發(fā)，使水溶液發(fā)生碳酸鈣過飽和導致出現(xiàn)碳酸鈣沉積的現(xiàn)象[1]。

3 結晶體形成機理與規(guī)律

結合上述工程概況進行分析，晶體沉積在隧道排水系統(tǒng)中很常見。造成隧道建設時初期支護排水系統(tǒng)發(fā)生鈣華進而使隧道排水系統(tǒng)堵塞的原因有很多，包括溫度、濕度與地下水、二氧化碳、圍巖、初噴混凝土、壓力、水動力等多方面耦合作用的影響?？偟膩碚f與水及二氧化碳有很大關系，溶解于水中的二氧化碳含量減少或水分的蒸發(fā)都將導致富含碳酸氫鈣的溶液（巖溶水等）因碳酸鹽過飽和而使碳酸鈣晶體析出。在排水系統(tǒng)中，描述結晶污垢的一般術語是“結垢”，這通常用于難以去除的硬質頑固沉積物，一般認為這些沉積物是在排水中形成的[4]。

白色沉淀物主要在丘陵地區(qū)施工中形成，通過審查設計圖和監(jiān)理報告，地下水斷層破碎帶的地基加固主要應用灌漿和地下水截流這2 種方法，特別是在隧道與開挖箱結構連接的接頭處和用于加固隧道入口的部分，應用灌漿通過淋濾效應在隧道內(nèi)流動，在這些結構部位經(jīng)常會形成白色沉淀物。在地下水流入量大、排水流量好的地段未發(fā)現(xiàn)風化現(xiàn)象，但在地下水流入量小的地段觀察到風化現(xiàn)象；在地下水大量流入的區(qū)域，白色晶體沒有沉積，而在地下水少量流入的區(qū)域，白色晶體在側壁排水溝、側排水溝、排水材料處嚴重累積，這種情況使排水孔的排水性能變差。因此，泄漏會產(chǎn)生排水洪水，并在隧道襯砌上產(chǎn)生殘余壓力[5]，這會導致隧道內(nèi)出現(xiàn)安全問題。

結晶成長的機理有表面能理論、擴散理論、吸附層理論。目前常用的為擴散理論，隧道產(chǎn)生的主要結晶物由碳酸鈣組成，其機理如下：①隧道內(nèi)流動的非點污染源主要包括土壤中微生物代謝活動形成的污染源和汽車尾氣中的污染源，主要成分為CO、CO2、SO3、NO2等。這些非點污染源會影響沉積物的吸附水，改變吸附水的電解質質量濃度，導致結晶。②由于沉積物附近的溫度升高和土壤顆粒中吸附水的蒸發(fā)，土壤顆?？赡苄纬山Y晶。碳酸鈣的形成過程導致水垢沉積在隧道排水孔處。③通過隧道內(nèi)部泄漏的地下水在混凝土結構中淋洗出的Ca（OH）2與土壤結合并發(fā)生反應，這稱為火山灰反應，也就是說，由大多數(shù)土壤顆粒組成的黏土具有負電荷漏極孔內(nèi)的帶電性質和Ca（OH）2組分的Ca2+離子相互結合形成晶體[6]，即：CaO+H2O →Ca（OH）2，Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O。

碳酸鈣可以存在于3 種不同的多晶型中，即方解石、文石和球霰石，以增加其溶解度。根據(jù)熱力學可以確定方解石為溶解度最小的多晶型，對于沉淀過程是最有利的。關于CaCO3形成方面的工作包括研究從高度過飽和溶液中的自發(fā)性沉淀，使用恒定濃度條件的晶體化動力學，調(diào)查各種多晶型的沉淀條件，某些其他雜質對前置離子的影響及水溶性有機化合物對沉淀過程的影響。通過避免結晶和顆粒沉積過程來解決碳酸鈣的結晶問題一直是工業(yè)界長期關注的問題，尤其是近20 年來，碳酸鈣的結晶問題一直受到人們的關注。

4 隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞施工措施

貴州省石阡至玉屏（大龍)高速公路土建6 標項目工程位于巖溶地區(qū)，隧道二襯橫向排水口出現(xiàn)不同程度的白色-黃色結晶物，進一步排查，隧道初支部位亦發(fā)現(xiàn)不同程度的結晶物，隧道初期支護存在碳酸鈣晶體、泥沙等物質堵塞排水管道導致排水不暢的現(xiàn)象，從而侵蝕隧道襯砌，破壞支護結構，造成隧道變形、涌水、塌方等工程事故[5]。排水系統(tǒng)的退化不僅會影響隧道結構的穩(wěn)定性，還會帶來額外的維護問題。出現(xiàn)這種排水系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象不僅會造成大量的經(jīng)濟損失，還會影響該隧道的使用及安全性。截至目前，解決隧道排水結晶難題的技術研究還不夠。相比之下，除隧道外，防止工業(yè)設施結垢的技術研究已在很大程度上得到發(fā)展。防垢技術分為化學法和物理法2 種。從專利來看，物理方法覆蓋了整個專利的90%以上，物理方法包括超聲波法、水射流法、磁化裝置法和量子棒法；化學法用到的清潔劑和抑制劑會造成水污染并且需要持續(xù)開展維護工作。針對該地區(qū)的施工環(huán)境和施工特點采用以下措施來解決隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞的難題。

從排水系統(tǒng)的選材開始，借鑒其他隧道排水系統(tǒng)防結晶堵塞的經(jīng)驗，大多隧道排水管選用的普通PVC管在投入使用后會隨著時間管壁的結晶物將持續(xù)增加直至排水管堵塞?？紤]到這個問題，在施工隧道中需要選用有植絨的PVC 管[7]，通過在排水管內(nèi)壁植入大量絨毛，絨毛在水流作用下會產(chǎn)生蠕動，從而達到除結晶的目的[8]。并且選用目前新提出的一種防止隧道排水管道結晶的材料，該材料由以下質量份的組分組成，即石棉粉50～60 份，瀝青26～36 份，水6～18 份，該材料的制備步驟如下：①根據(jù)涂料配方制備原料；②將瀝青加熱至150～170 ℃，直至瀝青熔化脫水，待無氣泡產(chǎn)生后停止加熱，保留瀝青備用[9]；③將水加熱至70 ℃以上，將石棉粉高速均勻分散在60%的熱水中；④將瀝青加入高速分散機中，然后將剩余的40%的熱水分次加入高速分散機中，直至分散均勻；⑤最后將第③步得到的石棉粉料加入第④步得到的瀝青材料中，攪拌均勻即得成品。這種新型的隧道排水管道防結晶材料并沒有大量的運用在目前的隧道施工中，在該隧道工程中選用，主要考慮到符合本次施工特點和要求，并且這種材料的制作成本較低，制作簡單且可以在實際過程中對防治隧道排水結晶堵塞發(fā)揮重要的作用[9]。

鈣離子、碳酸鹽離子和重碳酸鹽離子是碳酸鈣形成的充分條件[10]。由于隧道中這些離子的質量濃度非常高，因此在這些隧道排水管中有大量碳酸鈣晶體。由于結晶物主要是由碳酸鈣組成，根據(jù)碳酸鈣在高過飽和溶液中均勻結晶的雙流體模型研究，證實磁場可以改變碳酸鈣的晶相且磁場可以抑制晶體的形成[11]。磁法是利用磁性裝置將碳酸鈣顆粒的形狀由方解石改變?yōu)槲氖姆椒?。因此，水中的顆粒不會黏附在排水管或機器的內(nèi)表面，而是漂浮并在其中流動，可以有效地防止隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞[12]。

5 結語

隨著大量的基礎設施建設，隧道的修建也越來越多。與此同時如何解決好隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞問題也顯得尤為重要。巖溶地區(qū)隧道初期支護存在碳酸鈣晶體、泥沙等物質堵塞排水管道，導致排水不暢的現(xiàn)象，從而侵蝕隧道襯砌，破壞支護結構，造成隧道變形、涌水、塌方等工程事故。出現(xiàn)這種排水系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象不僅會造成大量的經(jīng)濟損失，還會影響該隧道的使用及安全性。本文主要依托貴州省石阡至玉屏（大龍）高速公路土建6 標項目工程，對隧道排水管結晶物的形成機理和組成成分進行分析和研究，針對該工程提出了3 種有效的措施，分別是通過植絨PVC 管代替普通PVC 管來增強排水系統(tǒng)抗結晶效果，采用新型的材料來抑制結晶物的生成達到預防的目的，以及運用磁場達到防止結晶的施工效果。通過這些措施來解決施工過程及后續(xù)使用階段的排水管結晶問題，并且為類似的隧道排水結晶堵塞問題提供參考。