隧道防排水系統結晶堵塞分析及處治研究

常偉學，陳墨沖

（1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省公路交通建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730030；3.深圳高速工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著隧道工程的不斷建設發展，隧道滲漏水問題已成為隧道病害研究重點，隧道排水系統結晶堵塞病害為隧道防排水系統失效的主要原因，但大家對結晶堵塞機理的認識見解不一，在預防處治方面主要集中在對排水系統的優化設計，施工過程中治理方案及成果較少。本文通過對甘肅在建公路隧道工程防排水系統結晶堵塞進行分析研究，希望能夠改善公路隧道工程防排水系統結晶堵塞病害處治現狀，提高隧道工程耐久性及服役壽命。

1 工程概況

當金山隧道、阿爾金山隧道為甘肅敦當高速的控制性工程，位于海拔 3 000～3 800 m 戈壁荒漠地區。當金山隧道自西北向南東向斜穿當金山和阿爾金山山脈，隧道總長 4 418 m（4 441 m），最大埋深 460 m；阿爾金山隧道自西北向南東向斜穿當金山和阿爾金山山脈，隧道起訖樁號為總長 7 527 m（7 525 m），最大埋深 530 m，右線 YK 288+700 處設 1 座斜井通風，斜井采用 14.88 % 縱坡，總長度為 1 388 m。當金山隧道、阿爾金山隧道地質條件復雜，受區域斷裂影響較大，地形破碎、地表切割強烈，隧道線路多次穿越斷層破碎帶，圍巖節理裂隙發育、巖體風化嚴重，斷層破碎帶富水，開挖時滲涌水量大［1］，外加隧道滲水結晶明顯，給項目建設帶來了巨大的挑戰。

2 隧道防排水系統結晶堵塞特征及病害分析

2.1 結晶堵塞段水文地質條件

2.1.1 地下水類型

根據隧道通過區地層巖性及地質構造特征分析，地下水以基巖裂隙水和第四系孔隙水為主，局部具有弱承壓性。但由于其含水介質的各向異性，使地下水的補給、徑流、排泄條件十分復雜。地質調查表明，泉水均沿區域斷層 F5、F6、F7 走向分布，在線路兩側 17 km 范圍內共發現泉水 13 處，在阿爾金山山脊兩側均有分布，泉水流量一般在 2～150 m3/d，季節性變化較大，為當地牧民主要生活用水，根據泉水分布特征，判定區域斷裂 F5、F6、F7 破碎帶均儲存有地下水。現場施工過程中也顯示地下水含量豐富，如圖1 所示。

圖1 隧道掌子面部分段落出水情況

2.1.2 水化學特性

根據設計資料表明，隧址區溝谷地表水水化學類型主要為 SO4·Cl-（Na+K）·Ca 型，礦化度為1.62～1.66g/L，水中不含有侵蝕性 CO2，Cl-含量為 339.1～335.2 mg/L，含量為 550.4～498.0 mg/L；根據阿爾金山隧道鉆孔水化及附近敦格鐵路工程資料表明，地下水水化學類型為：SO4·Cl-（K+Na）·Mg 型水，礦化度為 1.11～1.69 g/L，水中不含有侵蝕性 CO2，Cl-含量為 283.5～2 272.0 mg/L，含量為 576.4～2 000 mg/L。

2.2 結晶堵塞段設計情況

2.2.1 防水系統

除仰拱外，設計隧道防水系統均為在二襯混凝土與初支混凝土間敷設一層 350 g/m 無紡土工布+1.5 mm 厚 EVA 防水板，施工縫、變形縫處采用橡膠止水帶止水；二襯兩側拱腳縱向施工縫處在二襯中間位置各設置一道鋼邊止水帶進行結構構造防水［2］。設計二襯混凝土為 C30、抗滲等級不低于 P8。

2.2.2 排水系統

隧道設計排水系統由環向排水管、縱向盲管、橫向導水管采用三通連接匯集至中心排水溝組成，設計環向排水管為φ100 半圓排水管，緊貼初支表面縱向均勻鋪設，Ⅳ 級圍巖段間隔 9 m 設置一道，V 級圍巖間隔 5 m設置一道，局部涌水量大時加密布設，施工縫處采用梯形背貼式可排水止水帶；襯砌兩側墻背縱向盲管采用φ150HDPE 雙壁半邊打孔雙壁波紋管，沿隧道縱向通長設置；橫向導水管采用φ150HDPE 不打孔雙壁波紋管，沿隧底 9 m 設置一道，采用三通與縱向盲管引水至中心排水溝排出［3］；中心排水溝根據地下水量采用高度300～700 mm 的預制 C30 鋼筋混凝土矩形管；所有排水盲管外側均纏繞無紡土工布保護，防止管道堵塞；中心排水溝每 100 m 設置檢查井一處；同時，在隧道路面兩側設置圓弧形路側邊溝，用于引排運營清洗污水、消防及路面積水。

2.3 結晶堵塞病害分布情況

防排水系統結晶堵塞病害主要在春節復工后集中出現，典型病害情況如圖2 所示。復工后項目管理人員對隧道掌子面、初期支護、二次襯砌情況進行詳細排查，發現上臺階臨時排水溝底、初支表面及仰拱預留槽內、橫向排水管內、均形成了一層白色及微黃色結晶體，以白色居多。這種結晶現象在隧道開挖過程中沒有發覺，由此可見結晶病害在短時間內未能完全顯現，不容易發覺。本次春節因疫情影響暫停施工時間長，結晶顯現明顯。隧道防排水系統結晶堵塞情況統計如表1 所示。

表1 隧道防排水系統結晶堵塞病害情況統計 處

圖2 結晶堵塞病害分布情況

由表1 可知，當金山隧道和阿爾金山隧道滲漏水部位主要集中在仰拱施工縫及二襯施工縫拱腳處。現場滲漏水部位僅 1 處位于仰拱以下，其余滲漏水部位均位于仰拱以上。經詳細分析此位置為仰拱鉆芯回填薄弱處，為此建議在富水地區隧道仰拱施工厚度檢測過程中盡可能少取仰拱芯樣，應加強施工過程監管，通過現場監理旁站并留存影像資料的方式改變事后鉆芯取樣檢測手段，避免仰拱鉆芯破壞其整體性，導致仰拱下部水滲出。

2.4 結晶堵塞病害特征分析

根據現場防排水系統堵塞情況分析，結晶堵塞主要原因是由于圍巖體出露的水存在結晶情況，對隧道防排水系統勢必會造成影響，尤其是隨著時間的推移，結晶體逐漸顯現，使包裹在縱向排水管上的土工布透水性能降低，一部分滲水難以進入縱橫向排水管，在相對密閉的空間內逐漸形成一定的水壓力，在水壓作用下出現了水位上漲及從施工縫處流出的現象，并在施工縫處亦形成了結晶。通過對已經表現出來的二襯拱腳施工縫滲水、結晶情況來看，隧道縱向排水、橫向排水功能逐漸降低，隨著時間的推移，結晶體積累致使縱橫向系統失效，致使二襯拱腳施工縫及仰拱施工縫滲水。同時，隧道中心水溝隨著時間的推移，在溝底慢慢形成結晶體淤積，造成隧道排水系統失效。

3 結晶物性質分析

3.1 水質分析

通過對隧道防排水滲漏代表部位取樣分析，發現滲漏水中HCO3-、S，Ca2+、Mg2+含量偏高，試驗結果表明隧道滲漏水呈堿性，參考已有研究成果［1］當水溶液 pH＞8.33，有利于隧道排水管內碳酸鹽、硫酸鹽沉淀結晶生成，表明隧道防排水系統堵塞主要原因為碳酸鹽、硫酸鹽結晶體沉淀造成。隧道滲漏水水質檢測結果如圖3 所示。

圖3 結晶沉積物組份分析

3.2 結晶物組分測定

采集具有代表性的結晶體 2 份，一份為白色結晶幾乎無雜質（低罐），另一份為淡黃色結晶富含雜質（高罐），如圖4 所示。通過對現場收集結晶物樣本烘干做物相分析，根據物相初步分析，大部分試樣中白色結晶物質主要為 CaCO3、CaSO4晶體，結晶物樣本物相分析結果如圖5 所示。

圖4 結晶物樣本

圖5 結晶物樣本分析結果

3.3 結晶物生成過程分析

根據隧道滲漏水部位結晶組分含量及隧道水文地質資料，探究隧道滲漏水處結晶物生成的化學機理。

碳酸鈣、硫酸鈣難溶于水，當隧道內含有較多 CO2時部分碳酸鈣會轉化為易溶于水的碳酸氫鈣，但隧道因疫情影響停工長達 2 月之久，洞內 CO2含量基本穩定，難溶于水的碳酸鈣大量沉淀使得隧道防排水系統結晶堵塞現象更為明顯。

根據隧道防排水滲漏水取樣分析結果可知，鎂鹽主要以氯化鎂的形式存在，而鎂鹽可與水泥中的氫氧化鈣發生反應，生成白色絮凝狀氫氧化鎂，如圖6 所示。白色絮凝狀物使得混凝土結構物表面酥松，白色絮凝狀氫氧化鎂附著在隧道排水管的管壁上，同時水溶液中析出的碳酸鹽、硫酸鹽聚集從而阻礙地下水正常流通，最終導致隧道防排水系統堵塞。

圖6 施工現場白色絮凝狀結晶

4 結晶堵塞段處治措施

通過對阿爾金山隧道、當金山隧道結晶成因分析，針對防排水系統結晶堵塞情況，提出隧道防排水結晶堵塞處治措施。

4.1 中心水溝處治

采用專用機械設備在隧道檢查井位置處疏通中心水溝，對滲水部位的結晶及雜物進行清理沖洗。

4.2 防排水系統處治

1）針對隧道防排水系統結晶問題［2］，在隧道二襯拱腳部位和仰拱施工縫滲水處，現場采用隧道全寬至中心水溝開鑿深 250 mm、寬 150 mm的排水槽，排水槽應與中心水溝貫通，并在槽底反扣一半的φ150mm HDPE 排水管，排水管每 100 mm 打φ6mm 小圓孔，圓孔雙排梅花狀布置，半圓管采用雙層無紡布包裹覆蓋。

2）在中心水溝縱向方向每 5 m 鉆孔一道，孔徑50 mm，中心水溝在仰拱以上時鉆孔深度至仰拱以下10 cm，中心水溝在仰拱以下時鉆孔深度至中心水溝底面以下 20 cm。在滲水處沿中心水溝縱向在仰拱填充頂面鑿槽深 250 mm、寬 150 mm 排水槽，通過鉆孔與中心水溝貫通，在槽底反扣一半的φ150mm HDPE 排水管，排水管每 100 mm 打φ6mm 小圓孔，雙排梅花狀布置，半圓管用雙層無紡布包裹覆蓋［4-7］。最后，在管上鋪設 100 mm 碎石反濾層（粒徑 30～50 mm），并在上面鋪設防水板對碎石反濾層進行隔離，最后采用上方澆筑100 mm 厚的 C30 混凝土進行封閉，通過引流法將滲水點的水引排至通暢段中心水溝或檢查井排出，現場處治示意圖如圖7 所示。

圖7 隧道防排水系統結晶堵塞現場處治示意圖

4.3 局部裂縫滲水處治

對滲水部位的結晶及雜物進行清理沖洗，采用在漏水部位均勻撒布干水泥粉的方式找到明確的出水點、滲漏水位置［8］，切縫后灌注環氧樹脂漿液或速效堵漏劑進行封閉。

5 隧道結晶堵塞預防措施

5.1 設計階段

隧道防排水系統的設計要結合地質情況“因地制宜”進行，排水管的尺寸擬定應以實際情況和水流量大小為依據來確定。從甘肅阿爾金山隧道、當金山隧道結晶堵塞可以看出，排水管尺寸不僅影響排水量還影響流速，對富含結晶物的水質區域應重點考慮流速影響，避免流速過慢結晶沉淀析出造成排水系統堵塞，并盡可能增大排水系統坡度，加快排水管內水溶液流速。

甘肅阿爾金山隧道、當金山隧道施工現場采用沿中心水溝方向每 6 m 井壁及井底布設 TMF10.5×3.5 排水盲管一道，在澆筑下一板仰拱及填充前直接采用鋼筋或釘子將 TMF10.5×3.5 排水盲管（外套透水土工布）釘在已施工段落的中心水溝井壁上后進行下一板混凝土澆筑［9-11］。確保澆筑混凝土與排水盲管形成透水環，仰拱返水采用通過 TMF 排水盲管后在中心水溝處排出的設計優化方式。

5.2 施工階段

1）在富含結晶物的水質區域建設隧道工程時應采用低堿（或無堿）速凝劑，避免速凝劑中的 Ca2+、Mg2+含量偏高，同時隧道養生水應盡可能采用飲用水，切忌不可采用隧道滲水，從源頭上避免地下水溶液中的離子濃度平衡發生變化，造成隧道排水管中結晶沉淀物的生成。

2）在施工中選擇優質的防水板、排水盲管，其布設應根據設計結合實際出水情況進行調整，在地下水發育、出水嚴重地段應進行加密。縱向排水盲管嚴格按照設計的標高、坡比鋪設施做，所有鋪設的盲管必須使用土工布包裹，防水板反包且緊靠墻腳固定，縱、橫向排水管連接處應順直、牢固，縱、橫向排水管接口位置處應預留一定坡度。

3）嚴格控制縱向預留槽深度，預留槽深應根據施工現場實際情況予以調整，縱向排水管安裝前，需對預留基槽接縫處水泥漿液、底部浮渣進行清理，并用混凝土進行硬化后再安裝縱向排水管。縱向排水預留槽施工縫處應用嵌縫劑填塞，嚴禁采用土工布、編織袋等填充物堵塞。

4）防水板鋪設應松緊適度，避免過緊被撕裂或過松形成人為蓄水點。防水板反包應由外向內進行，反包至縱向排水管孔徑 2/3 處，并對多余防水板進行剪裁，以免防水板包裹排水孔影響排水效果。對于防水板破損的部位應及時修補，形成有效的封閉隔離措施。

5）澆筑過程中應采取有效措施避免因施工不當或外界干擾造成澆筑過程不連續，并對仰拱填充面進行鑿毛處理，以便仰拱填充混凝土結合密實。

5.3 運營階段

在隧道運營期間加強對隧道排水系統進行檢查、疏通，重點檢查施工過程中發生滲漏水的段落，做到及時發現、及時治理。對中心水溝可采用清理機器人進行定期清潔，疏通地下水正常排出。

6 結語

本文通過對在建隧道防排水系統結晶堵塞病害分析，得出隧道常見滲漏水部位主要集中在仰拱施工縫及二襯施工縫拱腳處，堵塞主要成因為碳酸鹽、硫酸鹽結晶體沉淀造成；同時根據現場管理經驗建議在富水地區隧道仰拱施工厚度檢測過程中盡可能少取仰拱芯樣，應加強施工過程監管，避免仰拱鉆芯破壞其整體性，導致仰拱下部水滲出。

富水隧道防排水系統設計前可通過加大排水盲管的坡度，改變地下水的流速等措施降低結晶析出沉淀速率，同時在施工過程中應根據圍巖出水情況，采用合理的引流方式排出地下水，并嚴格把控各工序標準化、精細化作業水平，避免施工中破壞防排水系統的完整性，進而提升隧道防排水系統的耐久性及服役壽命。