开挖掘进中粉砂岩隧道结晶机理分析及防治措施

郭艺辉 胡英帅 沈益国 陈奕林 吴茂明

（1.中建一局集团第五建筑有限公司，北京 100024；2.福建省建筑科学研究院有限责任公司福建省绿色建筑重点实验室，福建 福州 350002）

0 引言

在隧道开挖后常会出现结晶现象，对隧道安全造成巨大的影响，特别是结晶体堵塞排水系统后，隧道内局部水压力过大，会导致隧道变形过大甚至失稳。

隧道内渗透结晶堵塞问题已成为隧道的常见病害之一[1-4]。现在的研究主要集中在岩溶隧道方面，通常将隧道排水系统的堵塞分为化学结晶堵塞及细颗粒沉积机械堵塞，其中细颗粒沉积机械堵塞广为人知，但对于化学结晶堵塞，其机理较为复杂。众多学者[5-6]对其进行讨论和验证分析，主要认为隧道开挖打破了岩溶隧道内的钙离子、镁离子的平衡，随着二氧化碳的进入，碳酸氢根的增加，导致碳酸钙和碳酸镁离子沉淀物的形成。也有学者[7]认为开挖作业导致隧道内水体pH值（酸碱度）、温度等的变化影响了微生物的生长、变化及合成，从而形成结晶物质；也有部分学者[8-9]认为隧道开挖后其初期支护混凝土的碱性作用和水体中相关离子发生化学反应，从而产生的该类病害。然而针对非岩溶类隧道，现有的文献报道较少，特别是发现的案例也较少。

本文以福建省南平市某粉砂岩质隧道的开挖后结晶现象为研究对象，通过对其pH 值，相关离子含量对比分析，揭示该类隧道出现结晶堵塞现象的原因；并根据现场条件提出了相应的防治措施，为今后该类病害的治理提供参考。

1 粉砂岩隧道开挖后结晶现象

在隧道开挖支护阶段，初期支护出现大范围渗水现象，在渗水部位大约5～7d 的时间出现肉眼可见的白色结晶体，随着时间的增长结晶体逐渐变大，不断堵塞排水系统，从而导致隧道局部水压过大。虽然隧道从内到外设置了初期支护、环向排水管（A5cmHDPE 打孔波纹管）、复合防水层（400g/m2无纺布+1.5mmEVA 防水板）和二次衬砌（C35 防水混凝土）等，但现场发现隧道内塑料排水板接缝、隧道二次衬砌接缝处出现渗水现象并在渗水处出现白色结晶体。隧道内不同部位的结晶如图1~图3所示。

图1 开挖初支完成后出现结晶现象

图2 隧道顶部及侧壁出现渗水及结晶现象

图3 隧道排水系统被结晶体堵塞

2 水文地质及工程地质概况

根据对沿线地质调查及钻探揭露，沿线岩土体分布、厚度及岩性变化较大。上部覆盖层为杂填土淤泥质土、粉质黏土（局部表层常覆有厚约0.30米的耕植土、残积土（局部表层常覆有厚约0.30米的耕植土、下伏为二叠系翠屏山组粉砂岩（P2cp）、震旦纪龙头组片岩（Zx）及其风化层。

隧道区地貌属剥蚀低中山丘陵区，山体走向大致呈南北向，区内海拔高程一般在90～280m 之间，地形坡度在20°～70°之间，植被发育，为人工杂木林和灌木以及菜地。

沿线地表水系多为雨源型山间溪水，呈树枝状分布。隧道中上部汇水面积较小，流量较小，据现场观测流量一般0.03～0.05L/s，近隧道进出口段，地形较平缓，汇水面积较大，流量较大，一般为0.05～0.40L/s，流量受天然降水量控制。

3 开挖结晶原因分析

从现场CO2检测数据可以看出，左右洞CO2浓度随着里程的增加而不断增加，但也存在一定的波动，这与隧道里程越大，通风不畅有一定的关系，这说明隧道内CO2浓度高于室外空气中0.03%的体积含量，为结晶提供一定的条件；但通过对比可知，CO2浓度并未增加较多。左右洞CO2浓度随里程变化情况如图4所示。

图4 左右洞CO2浓度随里程变化图

通过提取隧道内水质，分析水溶液中的离子含量，结果见表1。由表1 可以看出，左右洞水溶液呈现碱性，且在堵塞区域Ca2+含量较高，最高可到7.908mg/L，pH 值最大为12.4，可以推断该结晶体的主要成分为碳酸钙（CaCO3）。进一步通过X 衍射矿物成分分析，可以得到该晶体的矿物成分主要为方解石，是一种碳酸钙矿物，验证了对该晶体成分的推测。矿物成分X 衍射分析如图5所示。

表1 水溶液中离子含量

图5 X衍射分析（矿物成分分析）

为了进一步分析该矿物成分的形成机理，对该场地内土体、水溶液中的离子成分进行了进一步的分析研究，水中的HCO3-含量最大值为2.04mmol/L，土中含量最大为558mg/kg，虽然现有《岩土工程勘察规范》GB 50021（2009版）对其腐蚀性进行了标定，但并未对其是否产生结晶体进行标注。根据现有文献可以推测该项目结晶体的形成过程：

钙离子和土体中大量游离的HCO-3结合形成了结晶体，导致隧道内渗出水体碱性增加，pH 高于普通水体，从而出现结晶现象。水溶液及土体中易溶盐含量分析见表2、表3。

表2 水溶液易溶盐含量分析

表3 土体中易溶盐含量分析

4 隧道结晶堵塞问题的防治方法

（1）新型防排水材料的应用。近年来出现了多种防排水材料，例如采用“Ω”结构的毛细防排水板，利用毛细力进行主动吸水实现主动排水，杜绝外界空气进入，减少结晶过程的化学反应。

（2）对于已有结晶堵塞隧道，采用定期探测、早发现、早治理的原则，及时采用化学（弱酸性）清洗+物理（高压水）清洗的方法进行疏通盲排水管，实现排水系统内的畅通。

（3）其它优化措施。例如优化盲排水管结构，减少弯道，综合考虑排水系统等方法，增加水体的排出速率；同时应加强对非岩溶隧道结晶问题的研究，设计时提前进行考虑，可预防此类灾害的发生。

5 结束语

本文在分析粉砂隧道（非岩溶隧道）结晶现象中，通过进行水溶液、土体易溶盐、CO2含量等参数的检测分析，最后得到粉砂岩中结晶体的形成主要为土体中游离的HCO-3与钙离子结合形成CaCO3过程，属于化学结晶所致。本案例分析的结论，可为非岩溶地区隧道结晶问题病害发生的机理及其防治提供参考。