铁路隧道排水管道疏通设备研制及应用

赵 鹏，郭小雄，马伟斌

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

目前我国铁路隧道排水系统是由“环向排水管-纵向排水管-横向排水管-中央排水沟”所组成的一个系统工程[1]。受水文地质条件、地形条件、气候条件、自然灾害以及设计、施工、运营管理等诸多环节中各种不利因素及隧道工程自身隐蔽性、环境条件复杂等影响，隧道的排水系统易出现排水不畅、局部管道堵塞等问题，导致整个排水系统失效。这会使隧道内出现渗漏水、衬砌开裂或设施故障等情况，缩短了隧道的维护周期和使用寿命，严重威胁到列车安全运营[2-4]。

1 铁路隧道排水管道堵塞及疏通现状

目前管道疏通设备一般分为手动型和电动型。手动型应用于短管以及不复杂管路系统的疏通清理;电动型应用较广,分类较多，动力来源有汽油机、柴油机、电动机等;采用的清理介质有水介质、空气介质等。此外，还有以钻头破坏污垢等清理管道的方式[5]。

隧道内排次管道行程长，结构多变，而且清理时还要保证不破坏管道，普通疏通机难以清理，因此需要一种能够自动、高效、便捷的疏通机去完成隧道疏通工作。市场上并没有专门对应隧道排水系统的疏通机，虽然有的动力大，但是清理方法不合适;有的清理方法合适，又可能对管道造成损害。综合多方面考虑需要设计一种可自行前进、不破坏管道，可以充分清理管道污垢的疏通设备。

通过对隧道排水系统的调研，发现隧道排水系统经过长时间排水后需要及时疏通管道，以防止堵塞造成管道一系列不安全危害。通过调研疏通设备以及隧道排水的疏通需求，本文设计自进式高压管道疏通机以完成隧道排水系统的管道疏通工作[6]。

2 排水管道堵塞成因分析

铁路隧道管道结晶堵塞的原因是多方面的，受水文地质条件、隧道结构和防排水系统的影响较大[7]。

1)水质。当地下水流经石灰岩等富含碳酸钙的岩层时，将会携带大量的钙盐物质[8]。流水进入隧道区域后，在管道内流速较缓或存有积水的部位将会产生钙质沉淀，经长期的沉淀积累，这些沉淀物将会结晶凝结成块，最终堵塞排水管道,见图1(a)。裂隙水中含有大量结晶倾向性离子，地下水进入到隧道排水管内沉淀结晶形成固体结晶物，从而堵塞排水管道，致使隧道排水系统排水能力下降，隧道边墙外侧水位上升，衬砌渗漏水现象较为严重,见图1(b)。

图1 下坝隧道排水管道结晶及衬砌渗漏水

2)混凝土原料。水泥熟料中含有大量CaO组分，能够与水发生反应，生成Ca(OH)2水化产物。Ca(OH)2是一种白色的晶体，极易溶于水，并能与CO2相结合生成白色的CaCO3晶体。其次，由于地下水含有Ca2+，在地下水与混凝土接触过程中可能发生置换作用，导致钙离子析出，沉淀为固态。在地下水丰富地段，受地下水发育情况影响，水量越大，流速越快，钙离子交换越快，钙化反应越迅速，结晶现象越明显。

3)粉尘沉淀物。隧道在施工及运营过程中会产生大量粉尘颗粒物，在管道管口聚集、沉淀。施工期间混凝土浇筑过程中堵塞管道的现象时有发生。

3 疏通介质选型及疏通过程

3.1 疏通介质选型

隧道排水系统主要用于隧道山体渗水等地下水的排放，排水管道材料多为PE，PVC，所以介质以洁净的水作为疏通介质不会对隧道排水系统造成破坏，不会对周边环境造成污染。

3.2 疏通过程

自进式管道内壁高压清洗机的高压泵可以采用汽油机或电动机驱动。利用喷头前部的旋转高压水射流将管道内壁上的积垢切割粉碎，再由喷头后部的高压水射流将污垢排出，向后喷射头产生的反作用力将喷头和高压管向前推进。当喷头达到管道的另外一端时，可以适当的减小压力，而后高压胶管在卷管器拉力的作用下被强制后移，从而进一步清洗管壁，并将剩余的杂物带到管外，以达到清洗管道的目的。

通过对隧道排水系统的调研分析，以水作为介质既可以清理污垢又可以不污染破坏排水系统和周围环境，通过高压水射流既可以清理积垢又可以自进，因此自进式管道内壁高压清洗机适用于隧道排水系统的疏通工作。

4 疏通设备结构设计及性能试验

4.1 疏通设备结构设计

基本结构：汽油机，柱塞泵，调压阀，高压水管，喷头，水箱。喷头由固定基座和旋转顶盖组成，固定基座连接水管和旋转顶盖，旋转顶盖内有向斜后方倾斜的喷嘴，当高压水从喷嘴喷出时，推动旋转顶盖转动，对管壁进行360°清洗，见图2。

图2 疏通设备结构设计示意

4.2 疏通设备性能试验

为测试疏通设备的基础运转能力，掌握高压水管在不同管径和不同连接状态设备的通行和清洗能力，开展了疏通设备的性能试验。

1)试验工况

本次试验场地为室外开放空间，水源充足，未设置实际使用环境，主要针对可能遇到的管道环境进行测试。试验所用设备为水介质管道疏通机，汽油发电机作为动力输出，柱塞泵为压力装置，高压喷头为清洗执行装置。被清洗管道的PVC排水管参照尺寸如表1所示。

表1 疏通试验用管道型号

2)试验描述

疏通设备组装完毕后，将水注入水箱后首先开展空转试验，检验设备连接状况和运行稳定性。然后开展不同管径和不同管道连接状态下设备运转、通行和清洗能力试验工作，如图3所示。

图3 喷头通过不同管道连接状态现场试验

4.3 试验结果分析

1)基础运转能力

设备启动后运行稳定。运行中通过对汽油发动机的转速进行控制，进而调节用水量，通过调整柱塞泵阀门开度来调节进水压力大小。

2)水管在不同管径和连接状态下的通行能力

喷头可顺利进入试验直径的管道，并可在管道中迅速前行。在较少人工介入下，可在水平和竖直放置的管道中前行，前行速度小于在水平放置中的前行速度。

3)存在的问题

管道进入弯头时，喷头前行阻力加大，喷头通行能力下降。入管速度和难度受弯头数量和角度的影响较大，影响清洗效果。

5 铁路隧道排水系统疏通工艺试验

通过改进上述试验发现的不足之处，为更好地完善疏通设备，检验自进式管道内壁高压清洗机实际使用效果，选取敦格线当金山隧道和贵广线斗篷山隧道工点，开展了铁路隧道排水系统管道疏通工艺试验。现以敦格线当金山隧道为例，验证设备的各项工作性能。

5.1 工点概况

敦格线当金山隧道位于甘肃阿克塞哈萨克族自治县，隧道长度22 km，自然环境降水水质含碳酸钙、钙化物结晶体较多。管道流出钙化结晶体2～4个月后呈粉化固体状，时间久会硬化。

5.2 试验内容及工况

试验内容：对当金山隧道钙质沉淀物和自然泥沙、碎石较多的排水管道进行疏通清理实验。

试验工况：通过调研发现管道内有较多的碳酸钙结晶体，分别在中心水道及两侧水道。对10个管口进行肉眼和工具探查，了解堵塞深度、污物硬度。

5.3 试验描述

被试管道通过照明，肉眼可见管内有明显钙化物结晶体和混凝土堵塞。用喷头尝试清堵，喷头进入管道3～4 m后停止，管壁自然泥沙、钙化物被冲出，喷头停于排水管道连接处和混凝土堵塞位置。

5.4 试验结果分析

图4 当金山隧道堵塞管道疏通前后对比

当金山隧道的现场疏通工艺试验表明，在正常自然泥沙、碎石、钙质沉积物的排水管道内，自进式管道内壁清洗机能够很好地完成清理任务，如图4所示。疏通前管道内含有大量结晶堵塞物，疏通后管道内的杂质基本上被清理干净，疏通效果良好。但遇到管道内有施工造成的大量混凝土堆积物或有变径不顺畅未合理连接处的管道，疏通机无法顺利自行前进清洁。

6 结论与建议

本文通过对我国铁路隧道排水系统的现状及疏通设备的调研分析，结合我国铁路隧道排水管道疏通清理空间小、天窗短、难度大、效率低等特点，基于分区、分类、分部及可维护的设计理念，研制了一种便捷高效的自进式高压管道疏通机。

经过室内疏通性能模拟试验和隧道现场工艺应用试验验证，所研制的疏通机能够较好完成隧道正常自然情况造成的堵塞疏通清理工作。被清理的管道内壁比较干净，大量的钙化物和砂石被清理出来，清理效果良好。研制的隧道排水管道疏通机具有以下特点：

1)方便快捷。体积小、重量轻，操作简单。运输方便，受天窗时间影响较小。

2)清理效果好。自进式高压喷头小、可360°旋转，清理无死角。

3)清理局限性。钙化结晶物清理效果较好，而管道内混凝土、沉积弃渣等堵塞物较难清理。

建议结合我国铁路隧道特点对隧道排水管道疏通机深化研究。充分分析不同隧道结构和防排水系统环境、施工及排水能力的适应性，研制集摄像、定位、微型探针破碎堵塞物等功能为一体的、适于多种堵塞环境的疏通设备，以提高铁路隧道整体防排水能力和隧道健康运营状态。

[1]马伟斌,郭小雄,马超锋,等.自粘式止水带结构设计及性能试验研究[J].中国铁路,2015(11):30-33.

[2]郭小雄,马伟斌,马超锋,等.自粘式止水带综合防排水效果模型试验研究[J].铁道建筑,2016,56(1):25-28.

[3]殷怀连,张民庆.铁路隧道工程结构防排水设计理念及施工措施的探讨[J].铁道标准设计，2006 (6):69-71.

[4]张文达，武雁民，倪晓颖，等.季节性冻土区铁路隧道渗漏水原因分析及整治技术[J].铁道建筑，2017,57(1):16-19.

[5]魏连峰.隧道渗漏水的原因及整治方法[J].铁道勘察，2006(6):57-59.

[6]徐卓宁.寒区铁路运营隧道渗漏水检测与整治技术[J].铁道建筑，2014,54(7):73-76.

[7]陈荣国.富水地区隧道渗漏水整治措施[J].现代隧道技术，2002,39 (3):65-68.

[8]李传富,梅志荣.高原高寒冻土隧道渗漏水防治技术的试验研究[J].现代隧道技术,2005,42 (4):44-90.