開挖掘進中粉砂巖隧道結晶機理分析及防治措施

郭藝輝 胡英帥 沈益國 陳奕林 吳茂明

（1.中建一局集團第五建筑有限公司，北京 100024；2.福建省建筑科學研究院有限責任公司福建省綠色建筑重點實驗室，福建 福州 350002）

0 引言

在隧道開挖后常會出現結晶現象，對隧道安全造成巨大的影響，特別是結晶體堵塞排水系統后，隧道內局部水壓力過大，會導致隧道變形過大甚至失穩。

隧道內滲透結晶堵塞問題已成為隧道的常見病害之一[1-4]。現在的研究主要集中在巖溶隧道方面，通常將隧道排水系統的堵塞分為化學結晶堵塞及細顆粒沉積機械堵塞，其中細顆粒沉積機械堵塞廣為人知，但對于化學結晶堵塞，其機理較為復雜。眾多學者[5-6]對其進行討論和驗證分析，主要認為隧道開挖打破了巖溶隧道內的鈣離子、鎂離子的平衡，隨著二氧化碳的進入，碳酸氫根的增加，導致碳酸鈣和碳酸鎂離子沉淀物的形成。也有學者[7]認為開挖作業導致隧道內水體pH值（酸堿度）、溫度等的變化影響了微生物的生長、變化及合成，從而形成結晶物質；也有部分學者[8-9]認為隧道開挖后其初期支護混凝土的堿性作用和水體中相關離子發生化學反應，從而產生的該類病害。然而針對非巖溶類隧道，現有的文獻報道較少，特別是發現的案例也較少。

本文以福建省南平市某粉砂巖質隧道的開挖后結晶現象為研究對象，通過對其pH 值，相關離子含量對比分析，揭示該類隧道出現結晶堵塞現象的原因；并根據現場條件提出了相應的防治措施，為今后該類病害的治理提供參考。

1 粉砂巖隧道開挖后結晶現象

在隧道開挖支護階段，初期支護出現大范圍滲水現象，在滲水部位大約5～7d 的時間出現肉眼可見的白色結晶體，隨著時間的增長結晶體逐漸變大，不斷堵塞排水系統，從而導致隧道局部水壓過大。雖然隧道從內到外設置了初期支護、環向排水管（A5cmHDPE 打孔波紋管）、復合防水層（400g/m2無紡布+1.5mmEVA 防水板）和二次襯砌（C35 防水混凝土）等，但現場發現隧道內塑料排水板接縫、隧道二次襯砌接縫處出現滲水現象并在滲水處出現白色結晶體。隧道內不同部位的結晶如圖1~圖3所示。

圖1 開挖初支完成后出現結晶現象

圖2 隧道頂部及側壁出現滲水及結晶現象

圖3 隧道排水系統被結晶體堵塞

2 水文地質及工程地質概況

根據對沿線地質調查及鉆探揭露，沿線巖土體分布、厚度及巖性變化較大。上部覆蓋層為雜填土淤泥質土、粉質黏土（局部表層常覆有厚約0.30米的耕植土、殘積土（局部表層常覆有厚約0.30米的耕植土、下伏為二疊系翠屏山組粉砂巖（P2cp）、震旦紀龍頭組片巖（Zx）及其風化層。

隧道區地貌屬剝蝕低中山丘陵區，山體走向大致呈南北向，區內海拔高程一般在90～280m 之間，地形坡度在20°～70°之間，植被發育，為人工雜木林和灌木以及菜地。

沿線地表水系多為雨源型山間溪水，呈樹枝狀分布。隧道中上部匯水面積較小，流量較小，據現場觀測流量一般0.03～0.05L/s，近隧道進出口段，地形較平緩，匯水面積較大，流量較大，一般為0.05～0.40L/s，流量受天然降水量控制。

3 開挖結晶原因分析

從現場CO2檢測數據可以看出，左右洞CO2濃度隨著里程的增加而不斷增加，但也存在一定的波動，這與隧道里程越大，通風不暢有一定的關系，這說明隧道內CO2濃度高于室外空氣中0.03%的體積含量，為結晶提供一定的條件；但通過對比可知，CO2濃度并未增加較多。左右洞CO2濃度隨里程變化情況如圖4所示。

圖4 左右洞CO2濃度隨里程變化圖

通過提取隧道內水質，分析水溶液中的離子含量，結果見表1。由表1 可以看出，左右洞水溶液呈現堿性，且在堵塞區域Ca2+含量較高，最高可到7.908mg/L，pH 值最大為12.4，可以推斷該結晶體的主要成分為碳酸鈣（CaCO3）。進一步通過X 衍射礦物成分分析，可以得到該晶體的礦物成分主要為方解石，是一種碳酸鈣礦物，驗證了對該晶體成分的推測。礦物成分X 衍射分析如圖5所示。

表1 水溶液中離子含量

圖5 X衍射分析（礦物成分分析）

為了進一步分析該礦物成分的形成機理，對該場地內土體、水溶液中的離子成分進行了進一步的分析研究，水中的HCO3-含量最大值為2.04mmol/L，土中含量最大為558mg/kg，雖然現有《巖土工程勘察規范》GB 50021（2009版）對其腐蝕性進行了標定，但并未對其是否產生結晶體進行標注。根據現有文獻可以推測該項目結晶體的形成過程：

鈣離子和土體中大量游離的HCO-3結合形成了結晶體，導致隧道內滲出水體堿性增加，pH 高于普通水體，從而出現結晶現象。水溶液及土體中易溶鹽含量分析見表2、表3。

表2 水溶液易溶鹽含量分析

表3 土體中易溶鹽含量分析

4 隧道結晶堵塞問題的防治方法

（1）新型防排水材料的應用。近年來出現了多種防排水材料，例如采用“Ω”結構的毛細防排水板，利用毛細力進行主動吸水實現主動排水，杜絕外界空氣進入，減少結晶過程的化學反應。

（2）對于已有結晶堵塞隧道，采用定期探測、早發現、早治理的原則，及時采用化學（弱酸性）清洗+物理（高壓水）清洗的方法進行疏通盲排水管，實現排水系統內的暢通。

（3）其它優化措施。例如優化盲排水管結構，減少彎道，綜合考慮排水系統等方法，增加水體的排出速率；同時應加強對非巖溶隧道結晶問題的研究，設計時提前進行考慮，可預防此類災害的發生。

5 結束語

本文在分析粉砂隧道（非巖溶隧道）結晶現象中，通過進行水溶液、土體易溶鹽、CO2含量等參數的檢測分析，最后得到粉砂巖中結晶體的形成主要為土體中游離的HCO-3與鈣離子結合形成CaCO3過程，屬于化學結晶所致。本案例分析的結論，可為非巖溶地區隧道結晶問題病害發生的機理及其防治提供參考。