贵南高铁广西段岩溶隧道排水管钙化结晶问题研究

摘要 贵南高铁岩溶隧道占比大，经过多年运营过程可以预见排水管道结晶、堵塞问题将会更加突出。为解决岩溶隧道高发的排水管钙化结晶、淤堵问题，文章通过对贵南高铁广西段岩溶隧道排水管结晶堵塞问题进行专题研究，采用了结晶矿物成分试验分析、钙化结晶机理研究及控制结晶的主要因素调研分析等方法，对钙化结晶问题发生的条件、机理、影响因素进行了详细的阐述，并提出了排水盲管防结晶淤堵改进措施。

关键词 岩溶隧道；钙化；结晶

中图分类号 U453.6 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0078-03

0 引言

岩溶隧道排水管钙化结晶问题在通车运营一段时间后十分普遍突出，堵塞严重后处理不当会导致衬砌背后水压增高，对衬砌结构造成破坏，影响隧道运营安全^[1-3]。该文对贵南高铁岩溶隧道排水管钙化结晶堵塞问题开展研究分析，并提出防堵塞改进措施。以期对今后类似岩溶隧道排水管结晶问题解决具有一定的借鉴意义。

1 贵南高铁岩溶隧道概况

1.1 地形地貌

沿线地势从西北向东南倾斜，总体可分为两大地貌单元。省界至都安段地形起伏大，总体地势北高南低，高程300～1 000 m，为高原斜坡地带；都安至南宁段地势相对平坦，总体北高南低，高程750～900 m，为广西盆地地貌。线路沿线主要为溶蚀山地、峰丛、峰林、溶蚀洼地、槽谷、谷地、盆地和构造剥蚀低山丘陵区、低中山区，地势北高南低。

1.2 隧道岩溶发育规模、特点

广西段隧道长度为129.478 km，其中可溶岩段落长度112.09 km，占比86.6%。大于10 km的岩溶隧道有4座，最长隧道为九万大山四号隧道，全长15.48 km。隧道位于岩溶水季节变动带，段落长度为89.9 km，水平循环带3.5 km，其余为垂直渗流带。隧道勘察及施工揭示本线岩溶、岩溶水发育，为本线最为突出的工程地质问题之一。

2 施工中岩溶隧道排水管情况

根据九万大山四号隧道出口段及永兴一号等隧道现场查看发现，部分隧道泄水孔可见白色物质沉积。大部分沉积物为白色絮状物，手触即散，少部分白色固体结晶物，详见图1～2。

3 排水管钙化结晶问题分析

3.1 结晶物矿物成分分析

根据国家金属制品质量监督检验中心检测结果，白色固体结晶物主要成分为碳酸钙（CaCO₃），含量71.3%；其余部分为含钙矿物，含量约占28.7%。此外根据微谱技术做的永兴一号隧道泄水孔结晶物分析，固体物质也主要为碳酸镁钙和碳酸钙。

3.2 钙化结晶机理

可以从岩溶动力系统方面去理解碳酸盐的溶解、沉积问题，溶解至沉积为化学反应过程，地下水流动系统中的控制因素发生变化将会导致化学反应的产生。隧道施工开挖后，地下水径流状态改变，岩溶动力系统的平衡状态被打破，就可能造成含有钙、镁等离子的岩溶地下水，在隧道排水管中发生脱碳作用而形成结晶^[4]。

Ca²⁺/Mg²⁺+2HCO₃^?→CO₂↑+Ca/MgCO₃↓+H₂O

3.3 钙化结晶主要因素分析

3.3.1 水质成分分析

理论上碳酸盐沉积的条件为地下水中碳酸氢钙的离子浓度大于碳酸氢钙在水中的溶解度时，发生脱碳作用，形成结晶。

但根据九万大山四号隧道出口段泄水孔取水样分析结果（详见表1），水质类型主要为SO₄^2?.CL^?—Mg²⁺型水。水质类型并不符合碳酸盐沉积的条件。

永兴一号隧道地下水水质分析结论为：水质类型属HCO₃^?.SO₄^2?—Ca²⁺.Mg²⁺型水。其中Ca²⁺离子浓度一般为1.8～3.36 mmol/L，72～134 mg/L；HCO₃^?离子浓度一般为4～5.68 mmol/L，251～346 mg/L。可得到水中碳酸氢钙浓度约为0.048 g/100 mL，此浓度要远低于碳酸氢钙在水中的溶解度16.6 g/100 mL（20 ℃），因此天然地下水中的碳酸氢钙未到达饱和状态，位于溶解度曲线的下方（稳定区），不易发生结晶。但影响碳酸钙沉积（结晶）的影响因素很多，包括CO₂分压（Pco₂）、流速、温度、pH值及离子浓度等，例如泄水孔中的Pco2往往小于岩层及填筑层中的Pco₂，隧道中的温度也可能高于地层及填筑层的温度，以上两个条件将会加速地下水发生脱碳作用，逸出CO₂而形成有利于碳酸盐发生沉积的条件，流速和pH值同樣会影响结晶作用的发生。

综上所述，影响碳酸盐沉积的因素很多，但最直接的要素离子浓度与饱和溶液浓度相距甚远，因此从机理上分析认为环境水自然结晶沉积的可能性小。

3.3.2 混凝土材质的影响

混凝土是以胶凝材料，粗、细骨料，以及外加剂与水按一定比例拌制而成的混合体。作为胶凝材料的水泥，在影响排水管钙化结晶物形成的原因中属于决定性因素。水泥产品通常包含水泥熟料、石膏和混合材料等几种组分。其中水泥熟料的主要成分包括3CaO·SiO₂，2CaO·SiO₂，3CaO·Al₂O₃及4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃四种。熟料的组分当中CaO的含量大于60%，而且这四种熟料矿物都能够与水发生反应，形成相应的水化产物，水化物中的主要成分是Ca（OH）₂，为一种白色的晶体，极易溶于水，Ca（OH）₂能与CO₂相结合生成白色的CaCO₃和Ca（HCO₃^?）晶体。此外，水泥中另一重要组分为石膏，化学式为CaSO₄·H₂O，石膏在水泥产品中主要起到调节凝结、硬化时间的作用，是水泥产品中必备的矿物，石膏中的硫酸根极易与某些金属离子结合成相应的硫酸盐，而部分硫酸盐也同样会以白色晶体的形式从混凝土当中析出。

初步分析认为，该段白色沉积物的产生可能由混凝土原材料以及外加剂方面引起，化学反应形成。

3.3.3 排水盲管结晶淤堵

排水盲管缺陷主要是盲管质量差，易压扁变形，受喷射混凝土外加剂、地下水环境及盲管内壁粗糙等影响，易结晶和淤堵，且结晶后难疏通维护。引起排水盲管淤堵的主要原因如下：

（1）盲管未采用土工布包裹，或外包不密实、不规范，导致进浆阻塞盲管。

（2）排水管接头安装不符合要求，造成混凝土堵塞排水盲管。

（3）排水盲管出水口未进行有效保护，混凝土施工造成管口堵塞，导致排水不畅。

（4）大部分盲管质量差，易压扁变形。

（5）受喷射混凝土强碱性外加剂、地下水环境及盲管内壁粗糙等因素影响易结晶，且结晶后难疏通维护。

4 排水盲管防结晶淤堵改进措施研究

防止排水盲管结晶淤堵的措施，主要是采用材质可靠、不易变形且可维护型的排水盲管，同时应加强质量检验和施工工艺管控，避免盲管堵塞，确保排水盲管的畅通。其具体改进措施如下：

4.1 研发和应用可维护的系统盲管

衬砌背后应研发和推广采用可维护型排水盲管，便于盲管维护，并可实现疏通，确保隧道排水顺畅。

4.2 防结晶措施

基于铁路隧道排水系统结晶机理及影响因素分析结果，铁路隧道排水系统结晶预防技术措施如下。

4.2.1 采用全密封排水系统

为防止隧道排水系统钙化结晶，排水系统可采用全密封结构，详见图3。全密封结构可避免排水管道内空气流通，使排水系统内压力、温度、湿度等环境条件保持稳定，有效抑制CO₂的逸失或补充，从而达到抑制碳酸盐类结晶沉淀生成的目的。

4.2.2 采用双壁波纹管

隧道排水管道宜采用双壁波纹管，提高环刚度等物理力学性能要求，避免压扁，采用标准化接头，提高排水系统内壁平顺性；同时，排水盲管内壁应涂覆疏水材料涂层，以提高内壁耐沾污性，亦应提高排水管内壁光滑度。

铁路隧道排水盲管基本结构应采用HDPE双壁波纹管，可根据其功能要求分为打孔和不打孔两种形式。当需要转接、延长盲管长度以及侧边外接盲管时，可使用弯头、直接头、三通接头等不同的标准管件接头来实现。

4.2.3 条形排水板代替环向排水盲管

为有效避免环向排水盲管结晶堵塞，可将环向排水盲管改为条形排水板，提高排水能力，降低施工与疏通难度以及环向盲管对衬砌结构的影响。

4.2.4 改善排水系统内部环境条件

铁路隧道排水系统中温度与湿度明显高于外界正常环境条件，CO₂浓度亦高于隧道外部，隧道排水系统不利的环境条件加剧了排水系统中碳酸盐结晶生成，应加强隧道内通风换气、洒水除尘等作业，改善隧道内环境，降低温度、湿度、CO₂浓度等环境条件影响。

4.2.5 初期支护采用无碱速凝剂

提高初期支护喷射混凝土的密实度，采用无碱速凝剂，减少渗透通过喷射混凝土的水量与喷射混凝土中碱性物质流失，降低排水系统水体中pH值及Ca²⁺、Mg²⁺等含量。

4.3 排水系统堵塞疏通技术措施

根据前期调研情况，铁路隧道排水系统堵塞主要分为排水盲管结晶堵塞、排水盲管压扁、排水盲管接头错位、排水盲管内注满混凝土及排水沟泥沙淤积等不同工况。针对以上工况，应采用不同疏通设备、参数组合以及疏通工艺，对排水系统进行疏通治理^[5]。

4.3.1 高压水疏通系统

高压水疏通系统主要是针对铁路隧道排水盲管结晶堵塞及排水沟淤积堵塞研制的一种疏通设备，高压疏通系统主要由高压疏通机、高压管、进水管、溢流管、高压喷头及控制器等组成。其中，高压疏通机由高压清洗机、高压喷头等组成，压力500 kg，流量22 L，由汽油发动机提供动力；疏通喷头分可為两种——不锈钢旋转喷头和不锈钢非旋转喷头，直径8～14 mm，喷嘴前一后三；高压管材质为树脂高压管，直径10 mm，可承压600 kg。

高压水疏通系统适用于排水系统结晶、泥沙淤积疏通，或是管道压扁但喷头能通过的工况。

4.3.2 电动疏通系统

电动疏通系统主要是针对铁路隧道排水管压扁或被混凝土注满堵塞而设计的一款具备一定破碎功能的电动疏通设备，主要是由电动疏通机、传动轴、电动疏通钻头构成。适用于排水系统被严重压扁或是管道被混凝土注满，只能采取切割破碎的工况。

4.3.3 可视化探测系统

可视化探测系统由摄像头、玻纤硬质导线、可充电电池、显示器、内存卡以及外包装组成。其中摄像头防护等级为IP68，前端自带LED灯，可为管道内部摄像时提供照明；利用玻纤硬质导线，操作人员可以很方便地将摄像头送入管道深处；显示器方便操作人员现场观察管道内部情况，为疏通作业提供清晰的影像资料，使疏通作业更加有针对性，查验疏通效果也更加直观便捷。同时，影像数据可通过内存卡储存，便于作业后的回放以及操作总结。

5 结语

该文通过矿物结晶成分分析，钙化结晶机理研究，控制结晶生成的主要因素探讨，得知：结晶固体物质成分主要为碳酸镁钙和碳酸钙；钙化结晶机理为岩溶动力系统平衡被打破后，造成含有钙、镁等离子的岩溶地下水，在隧道排水管中发生脱碳作用；钙化结晶的主要控制因素包括水质成分、混凝土材质、排水管缺陷等。

可通过采用全密封排水系统、双壁波纹管或者定期疏通等措施，避免排水管结晶堵塞造成的排水系统失效，危及隧道结构安全。采用该文所提出的方法、建议，对今后同类地质条件的施工具有重要参考价值。

参考文献

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[5]赵鹏， 郭小雄， 马伟斌. 铁路隧道排水管道疏通设备研制及应用[J]. 铁道建筑， 2018（1）： 30-32+66.

收稿日期：2023-12-07

作者简介：王志军（1981—），男，本科，高级工程师，从事铁路、公路、城市轨道交通及市政工程项目勘察设计工作。