隧道排水系统结晶堵塞研究

屈玉龙，孙世达

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

1 隧道排水系统结晶堵塞研究意义

铁路、高速公路是国家的重要基础设施，是国民经济的大动脉，是大众化的交通设施。中国拥有8 600多座铁路、公路隧道，总长度达到了4 379 km，位居世界第一。隧道防排水系统是及时排出隧道内积水、保障隧道安全运营的重要结构。因此，更好地了解隧道排水系统中的结晶堵塞现象对隧道施工及养护至关重要。由于之前对隧道排水结晶堵塞问题的忽略，现在越来越多的已建隧道暴露出排水系统堵塞的病害，加上对于解决隧道排水结晶堵塞问题的研究较少，导致解决实际问题时更加棘手。因此，有必要对结晶物进行研究并且提出有效的施工措施来解决这一系列的问题。

隧道穿越高山，埋深大，地质水文条件错综复杂，隧道开挖后因水源补给处水头高，孔隙水、裂隙水、岩溶水往往呈承压水特征。隧道衬砌承受地下潜水压力，潜水位升高后，增加了对隧道衬砌的压力，同时隧道初期支护长期受到地下流动水侵蚀，混凝土在地下水的作用下CaCO3被不断冲刷走，初支混凝土中的水化硅酸钙中的钙离子不断被析出，因此会降低隧道混凝土的力学强度[1]。排水系统中的沉淀物主要由隧道混凝土衬砌的退化产生，降解是由混凝土材料与地下水之间的化学反应造成的。如果隧道排水中的降水量较高，则地下水不易在其中流动[2]。因此，地下水位将上升，这可能导致出现最高水压，致使隧道二衬受承压水影响，在这种影响下会出现隧道衬砌裂损、腐蚀，以及混凝土中的钢筋锈蚀，路床翻浆冒泥和隧底脱空等病害。隧道排水系统中的堵塞物主要包括隧道排水管道内形成的沉淀结晶（CaCO3、MgCO3、BaCO3、和BaSO4）[3]，影响隧道的结构风险。排水系统的退化不仅会影响隧道结构的稳定性，还会带来额外的维护问题。目前为止，仅针对隧道排水孔防止结垢的技术研究尚不多见，因此，对隧道施工中的排水管结晶物的研究及提出减缓结晶的措施，对隧道工程安全运营有着重要意义。

2 工程概况

贵州省石阡至玉屏（大龙）高速公路土建6 标项目工程，位于铜仁市石阡县青阳乡与黔东南州岑巩县平庄镇交界，项目主线经青阳乡坪场村至岑平庄镇狮兆村，主线全长5.55 km。项目连接线工程连接主线青阳互通至岑巩县，三级路设计标准，全长17 km。其中主线有一座隧道，为大坪隧道，全长2.15 km，隧道进口位于青阳乡坪场村，出口位于平庄镇镇狮兆村。连接线有2 座隧道（大锡场隧道和桐子岭隧道），位于青阳乡，隧道二衬轮廓为半径5 m 的单心圆，大锡场隧道全长562 m，桐子岭隧道全长773 m。

本标段2017 年10 月开工建设，2018 年10 月至2019 年8 月因资金问题项目暂停施工。2018 年复工后，隧道二衬横向排水口出现不同程度的白色-黄色结晶物，进一步排查，隧道初支部位亦发现不同程度的结晶物，初步认定该结晶物为钙华，即富含碳酸氢钙的水溶液因CO2从水中脱离或水进行蒸发，使水溶液发生碳酸钙过饱和导致出现碳酸钙沉积的现象[1]。

3 结晶体形成机理与规律

结合上述工程概况进行分析，晶体沉积在隧道排水系统中很常见。造成隧道建设时初期支护排水系统发生钙华进而使隧道排水系统堵塞的原因有很多，包括温度、湿度与地下水、二氧化碳、围岩、初喷混凝土、压力、水动力等多方面耦合作用的影响。总的来说与水及二氧化碳有很大关系，溶解于水中的二氧化碳含量减少或水分的蒸发都将导致富含碳酸氢钙的溶液（岩溶水等）因碳酸盐过饱和而使碳酸钙晶体析出。在排水系统中，描述结晶污垢的一般术语是“结垢”，这通常用于难以去除的硬质顽固沉积物，一般认为这些沉积物是在排水中形成的[4]。

白色沉淀物主要在丘陵地区施工中形成，通过审查设计图和监理报告，地下水断层破碎带的地基加固主要应用灌浆和地下水截流这2 种方法，特别是在隧道与开挖箱结构连接的接头处和用于加固隧道入口的部分，应用灌浆通过淋滤效应在隧道内流动，在这些结构部位经常会形成白色沉淀物。在地下水流入量大、排水流量好的地段未发现风化现象，但在地下水流入量小的地段观察到风化现象；在地下水大量流入的区域，白色晶体没有沉积，而在地下水少量流入的区域，白色晶体在侧壁排水沟、侧排水沟、排水材料处严重累积，这种情况使排水孔的排水性能变差。因此，泄漏会产生排水洪水，并在隧道衬砌上产生残余压力[5]，这会导致隧道内出现安全问题。

结晶成长的机理有表面能理论、扩散理论、吸附层理论。目前常用的为扩散理论，隧道产生的主要结晶物由碳酸钙组成，其机理如下：①隧道内流动的非点污染源主要包括土壤中微生物代谢活动形成的污染源和汽车尾气中的污染源，主要成分为CO、CO2、SO3、NO2等。这些非点污染源会影响沉积物的吸附水，改变吸附水的电解质质量浓度，导致结晶。②由于沉积物附近的温度升高和土壤颗粒中吸附水的蒸发，土壤颗粒可能形成结晶。碳酸钙的形成过程导致水垢沉积在隧道排水孔处。③通过隧道内部泄漏的地下水在混凝土结构中淋洗出的Ca（OH）2与土壤结合并发生反应，这称为火山灰反应，也就是说，由大多数土壤颗粒组成的黏土具有负电荷漏极孔内的带电性质和Ca（OH）2组分的Ca2+离子相互结合形成晶体[6]，即：CaO+H2O →Ca（OH）2，Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O。

碳酸钙可以存在于3 种不同的多晶型中，即方解石、文石和球霰石，以增加其溶解度。根据热力学可以确定方解石为溶解度最小的多晶型，对于沉淀过程是最有利的。关于CaCO3形成方面的工作包括研究从高度过饱和溶液中的自发性沉淀，使用恒定浓度条件的晶体化动力学，调查各种多晶型的沉淀条件，某些其他杂质对前置离子的影响及水溶性有机化合物对沉淀过程的影响。通过避免结晶和颗粒沉积过程来解决碳酸钙的结晶问题一直是工业界长期关注的问题，尤其是近20 年来，碳酸钙的结晶问题一直受到人们的关注。

4 隧道排水系统结晶堵塞施工措施

贵州省石阡至玉屏（大龙)高速公路土建6 标项目工程位于岩溶地区，隧道二衬横向排水口出现不同程度的白色-黄色结晶物，进一步排查，隧道初支部位亦发现不同程度的结晶物，隧道初期支护存在碳酸钙晶体、泥沙等物质堵塞排水管道导致排水不畅的现象，从而侵蚀隧道衬砌，破坏支护结构，造成隧道变形、涌水、塌方等工程事故[5]。排水系统的退化不仅会影响隧道结构的稳定性，还会带来额外的维护问题。出现这种排水系统堵塞现象不仅会造成大量的经济损失，还会影响该隧道的使用及安全性。截至目前，解决隧道排水结晶难题的技术研究还不够。相比之下，除隧道外，防止工业设施结垢的技术研究已在很大程度上得到发展。防垢技术分为化学法和物理法2 种。从专利来看，物理方法覆盖了整个专利的90%以上，物理方法包括超声波法、水射流法、磁化装置法和量子棒法；化学法用到的清洁剂和抑制剂会造成水污染并且需要持续开展维护工作。针对该地区的施工环境和施工特点采用以下措施来解决隧道排水系统结晶堵塞的难题。

从排水系统的选材开始，借鉴其他隧道排水系统防结晶堵塞的经验，大多隧道排水管选用的普通PVC管在投入使用后会随着时间管壁的结晶物将持续增加直至排水管堵塞。考虑到这个问题，在施工隧道中需要选用有植绒的PVC 管[7]，通过在排水管内壁植入大量绒毛，绒毛在水流作用下会产生蠕动，从而达到除结晶的目的[8]。并且选用目前新提出的一种防止隧道排水管道结晶的材料，该材料由以下质量份的组分组成，即石棉粉50～60 份，沥青26～36 份，水6～18 份，该材料的制备步骤如下：①根据涂料配方制备原料；②将沥青加热至150～170 ℃，直至沥青熔化脱水，待无气泡产生后停止加热，保留沥青备用[9]；③将水加热至70 ℃以上，将石棉粉高速均匀分散在60%的热水中；④将沥青加入高速分散机中，然后将剩余的40%的热水分次加入高速分散机中，直至分散均匀；⑤最后将第③步得到的石棉粉料加入第④步得到的沥青材料中，搅拌均匀即得成品。这种新型的隧道排水管道防结晶材料并没有大量的运用在目前的隧道施工中，在该隧道工程中选用，主要考虑到符合本次施工特点和要求，并且这种材料的制作成本较低，制作简单且可以在实际过程中对防治隧道排水结晶堵塞发挥重要的作用[9]。

钙离子、碳酸盐离子和重碳酸盐离子是碳酸钙形成的充分条件[10]。由于隧道中这些离子的质量浓度非常高，因此在这些隧道排水管中有大量碳酸钙晶体。由于结晶物主要是由碳酸钙组成，根据碳酸钙在高过饱和溶液中均匀结晶的双流体模型研究，证实磁场可以改变碳酸钙的晶相且磁场可以抑制晶体的形成[11]。磁法是利用磁性装置将碳酸钙颗粒的形状由方解石改变为文石的方法。因此，水中的颗粒不会黏附在排水管或机器的内表面，而是漂浮并在其中流动，可以有效地防止隧道排水系统结晶堵塞[12]。

5 结语

随着大量的基础设施建设，隧道的修建也越来越多。与此同时如何解决好隧道排水系统结晶堵塞问题也显得尤为重要。岩溶地区隧道初期支护存在碳酸钙晶体、泥沙等物质堵塞排水管道，导致排水不畅的现象，从而侵蚀隧道衬砌，破坏支护结构，造成隧道变形、涌水、塌方等工程事故。出现这种排水系统堵塞现象不仅会造成大量的经济损失，还会影响该隧道的使用及安全性。本文主要依托贵州省石阡至玉屏（大龙）高速公路土建6 标项目工程，对隧道排水管结晶物的形成机理和组成成分进行分析和研究，针对该工程提出了3 种有效的措施，分别是通过植绒PVC 管代替普通PVC 管来增强排水系统抗结晶效果，采用新型的材料来抑制结晶物的生成达到预防的目的，以及运用磁场达到防止结晶的施工效果。通过这些措施来解决施工过程及后续使用阶段的排水管结晶问题，并且为类似的隧道排水结晶堵塞问题提供参考。