蔣雅君，杜 坤，陶 磊，趙菊梅，肖華榮

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.成都揚(yáng)華源動(dòng)新材料科技有限公司，成都 610213)

引言

我國近年來已經(jīng)提出隧道工程排水系統(tǒng)的可維護(hù)性理念[1]，但是目前相關(guān)問題還未得到較好的解決，隧道排水系統(tǒng)在運(yùn)營期間的堵塞問題較為常見，引發(fā)了一些運(yùn)營事故[2-3]。在巖溶發(fā)育地區(qū)，隧道排水設(shè)施在運(yùn)營一段時(shí)間后發(fā)生結(jié)晶堵塞的情況更為普遍，也會(huì)造成隧道滲漏水加劇、仰拱底鼓、襯砌掉塊等病害，并威脅隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全和增加維修費(fèi)用[4-6]。

目前國內(nèi)部分學(xué)者對(duì)此問題也已經(jīng)陸續(xù)開展了一定的研究工作[7-8]，但是由于目前對(duì)巖溶地區(qū)隧道排水管堵塞的機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不完全，現(xiàn)有的各種措施往往也是短期內(nèi)有效，難以保證長期效果或無法根治，在巖溶隧道的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等環(huán)節(jié)中尚無較為成熟和系統(tǒng)的預(yù)防和處治經(jīng)驗(yàn)可循。巖溶在我國分布非常廣泛，按可溶巖地層的分布面積計(jì)算，約占全國土地面積的1/3，按碳酸鹽巖出露面積計(jì)算，接近全國土地面積的1/10[9]。我國隧道修建和運(yùn)營過程中必將會(huì)面臨越來越多的此類問題，需要對(duì)此引起關(guān)注并積極探索有效的解決措施。

因此，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的分析和部分工程實(shí)例的調(diào)研，對(duì)巖溶地區(qū)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的問題進(jìn)行探討，希望能對(duì)我國巖溶隧道工程排水系統(tǒng)的可維護(hù)性措施提供一些參考。由于目前在工程中較為常見的巖溶發(fā)育地區(qū)的巖性以灰?guī)r為主，因此，主要圍繞碳酸鹽地層的巖溶隧道相關(guān)問題展開分析。

1 巖溶發(fā)育及沉積機(jī)理

1.1 巖溶動(dòng)力系統(tǒng)及反應(yīng)過程

碳酸鹽巖的巖溶動(dòng)力系統(tǒng)概念模型(圖1)描述了氣相(CO2)-液相(H2O)-固相(CaCO3)三相體系動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制，包括如下可逆反應(yīng)(以CaCO3的溶解和沉積為例)[10]。

(1)CO2(氣)CO2(液)，即氣相CO2溶解于水或液相轉(zhuǎn)CO2換成氣相逸出。

(2)CO2(液)+H2OH2CO3，即液相CO2與水結(jié)合為碳酸或碳酸發(fā)生水解。

(3)H2CO3H++HCO3-，即碳酸分解產(chǎn)生氫離子和碳酸氫根離子，或沉積(主要是結(jié)晶)發(fā)生可逆過程。

(4)CaCO3(固)Ca2++CO32-，即碳酸鈣發(fā)生溶解，可逆過程即碳酸鈣沉積。

(5)CO32-+H+HCO3-，即溶解時(shí)反應(yīng)(3)產(chǎn)生的氫離子與反應(yīng)(4)產(chǎn)生的碳酸根離子結(jié)合成碳酸氫根離子，使得溶解反應(yīng)(4)能繼續(xù)進(jìn)行，或沉積時(shí)為可逆過程。

圖1 巖溶動(dòng)力系統(tǒng)概念模型

從上述模型及反應(yīng)過程可知：由于CO2和H2O作用后形成的H+促進(jìn)了CaCO3的電離(溶解)，因此CO2是巖溶發(fā)育最重要的因素，同樣對(duì)于CaCO3沉積來說，CO2也是最重要的因素；巖溶的作用過程也受到流速場效應(yīng)和濃度梯度效應(yīng)的影響(體現(xiàn)在圖1中的擴(kuò)散邊界層部位[10-11])，因此該動(dòng)力系統(tǒng)中的流速和溫度等變量(與擴(kuò)散邊界層厚度相關(guān))也對(duì)巖溶的反應(yīng)過程有一定影響。

應(yīng)從巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的角度去認(rèn)識(shí)碳酸鹽的溶解與沉積的問題：溶解-沉積是一個(gè)動(dòng)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)過程，當(dāng)系統(tǒng)中的變量發(fā)生變化時(shí)就會(huì)打破平衡，使反應(yīng)方向偏移。當(dāng)隧道開挖改變了巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的平衡狀態(tài)時(shí)，即可能造成含有Ca2+、Mg2+等離子的巖溶水在隧道排水系統(tǒng)中發(fā)生如式(1)所示的脫碳酸作用而形成沉積[12]：

Ca2+/Mg2++2HCO3-→CO2↑+Ca/MgCO3↓+H2O(1)

1.2 巖溶水的搬運(yùn)作用及碎屑沉積

灰?guī)r在地下水流的長期沖刷侵蝕下，部分可溶性碳酸鹽巖先發(fā)生溶解，并產(chǎn)生細(xì)小的圍巖碎片及細(xì)顆粒[8]。同時(shí)，在巖溶系統(tǒng)的發(fā)育過程中，由于水流沖蝕、重力崩塌、機(jī)械破壞等作用，也會(huì)產(chǎn)生一定的破碎巖石或泥沙，由巖溶水的搬運(yùn)作用將這些碎片和細(xì)顆粒帶入隧道排水系統(tǒng)中。此類過程主要為物理作用，但部分碳酸鹽碎屑也有可能會(huì)參與到巖溶水結(jié)晶的化學(xué)過程中。

另外，由于巖溶地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，常存在巖溶管道、巖溶洞穴、巖溶裂隙等與地表連通，有利于地表水對(duì)地下水的快速補(bǔ)充，為巖溶水提供補(bǔ)給源。在季節(jié)性降雨后，也會(huì)將土壤中的細(xì)顆粒沖刷帶入隧道排水系統(tǒng)中。圖2所示實(shí)例為西南巖溶地區(qū)某公路隧道，由于降雨引發(fā)了隧道洞內(nèi)大范圍的滲漏，同時(shí)將地層中的泥砂帶入隧道排水系統(tǒng)(調(diào)研時(shí)間為2015年7月)。

圖2 巖溶地層中泥砂隨降雨進(jìn)入隧道排水系統(tǒng)

上述細(xì)顆?；蚰嗌斑M(jìn)入隧道排水系統(tǒng)后，在排水管的轉(zhuǎn)彎、低部處由于巖溶水的搬運(yùn)作用減弱，也會(huì)發(fā)生一定程度的碎屑物質(zhì)沉積。

1.3 巖溶沉積產(chǎn)物及形態(tài)

在碳酸鹽巖地層中，巖溶水沉積產(chǎn)物多以離子與結(jié)合的礦物為主，形成方解石(CaCO3)、文石(CaCO3)、白云石(CaMg[CO3]2)等產(chǎn)物。方解石在巖溶水結(jié)晶產(chǎn)物中較為常見，顏色通常為白色或黃白色[13],如圖3所示實(shí)例[8]。例如，根據(jù)西南地區(qū)某在建高鐵的隧道工地取樣分析結(jié)果可知，其主要成分為方解石(94.5%)、文石(2.82%)、石英(1.55%)、塊磷鋁礦(1.11%)等(調(diào)研時(shí)間為2018年1月)。但需要注意的是，由于不同種類可溶性巖層(如本文尚未涉及的硫酸鹽巖、鹵化物巖)地下水的離子種類差異以及碎屑沉積作用，在隧道排水系統(tǒng)中析出的結(jié)晶產(chǎn)物成分及比例也會(huì)有差別，并有機(jī)械混入物。

圖4為西南地區(qū)某城市地鐵區(qū)間隧道施工中出現(xiàn)的巖溶水結(jié)晶情況(調(diào)研時(shí)間為2015年12月)，當(dāng)時(shí)隧道二次襯砌尚未跟進(jìn)澆筑，隧道內(nèi)的巖溶水漫過矮邊墻流入隧道內(nèi)部臨時(shí)水溝，3個(gè)月左右即在矮邊墻混凝土的頂部、裸露鋼筋表面形成了堆積緊密的結(jié)晶物。

圖3 某隧道排水管巖溶水結(jié)晶情況

圖4 某地鐵區(qū)間隧道巖溶水結(jié)晶情況

2 巖溶隧道排水管堵塞的化學(xué)影響因素

由巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)過程可知，影響碳酸鈣沉積的主要指標(biāo)為CO2分壓(PCO2)、流速、溫度、pH、HCO3-(或Ca2+)[10]。

2.1 CO2的影響

CO2在水中溶解導(dǎo)出H+對(duì)CaCO3形成侵蝕，是巖溶發(fā)育的重要條件。進(jìn)入巖溶動(dòng)力系統(tǒng)中的CO2可能來自3個(gè)主要途徑：大氣中賦存的CO2；植物、細(xì)菌或生物產(chǎn)生的CO2；深部碳酸鹽類礦物的熱解作用產(chǎn)生的CO2[8，14]。其中土壤CO2是巖溶發(fā)育的最大影響因素：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下海平面處的PCO2平均值僅約為0.038%，但是在部分巖溶地區(qū)實(shí)例中土壤層中的PCO2能達(dá)到6%及以上[11]。巖溶地區(qū)地表水流經(jīng)土壤層時(shí)將溶解大量的CO2增強(qiáng)巖溶水的侵蝕能力，攜帶更多的補(bǔ)給進(jìn)入巖溶系統(tǒng)中。

由于CO2的溶解度與PCO2成正比、與溫度成反比，當(dāng)PCO2和溫度條件發(fā)生變化的時(shí)候，也會(huì)造成CO2逸出使CaCO3的溶解-沉積反應(yīng)朝沉積方向發(fā)生(如式(1)所示)[15]。當(dāng)巖溶水進(jìn)入隧道排水系統(tǒng)時(shí)，由于隧道內(nèi)的PCO2往往小于土壤層處的PCO2，隧道洞內(nèi)的溫度也可能高于地層溫度，以上兩個(gè)條件將會(huì)使得巖溶水發(fā)生脫碳酸作用，逸出CO2而形成有利于碳酸鹽發(fā)生沉積的條件。

2.2 溫度的影響

溫度對(duì)CaCO3和CO2的溶解度有較大的影響：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，CaCO3和CO2的溶解度隨水溫上升而下降。當(dāng)隧道內(nèi)的溫度高于地下水的溫度時(shí)，就會(huì)造成CO2逸出和CaCO3溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)而形成結(jié)晶[16-17]。圖5是碳酸鈣溶液的濃度-溫度關(guān)系曲線[18]，圖中曲線I為碳酸鈣的溶解度曲線，表示溶液的飽和狀態(tài)，該曲線上、下方區(qū)域分別表示溶液的過飽和狀態(tài)和不飽和狀態(tài)。曲線II為碳酸鈣的過飽和曲線，將飽和區(qū)域分為不穩(wěn)定和亞穩(wěn)定過飽和區(qū)域，也是結(jié)晶通常發(fā)生的區(qū)域。從圖5中的abcd直線可知，隨著溫度的上升(同時(shí)也會(huì)伴隨著蒸發(fā))，碳酸鈣溶液將進(jìn)入過飽和狀態(tài)(c、d點(diǎn))并結(jié)晶。

圖5 碳酸鈣溶液的濃度-溫度關(guān)系

隧道的修建和運(yùn)營期間，由于通風(fēng)照明、車輛運(yùn)行及尾氣排放、人員活動(dòng)等因素的影響，會(huì)使得洞內(nèi)的環(huán)境溫度上升。當(dāng)巖溶水進(jìn)入隧道排水系統(tǒng)后，也會(huì)有一定程度的升溫，使得巖溶動(dòng)力系統(tǒng)向著沉積反應(yīng)方向行進(jìn)。

2.3 pH值的影響

當(dāng)水溶液的pH值較低時(shí)碳酸鹽的溶解度升高，不利于結(jié)晶的形成；反之，則有利于結(jié)晶的生成。圖6是碳酸鈣飽和溶液中pH值與CaCO3含量的關(guān)系，反映出pH值增大時(shí)(H+含量減少)，CaCO3的溶解度相應(yīng)降低，當(dāng)pH值接近或超過10時(shí)，水溶液逐漸失去對(duì)碳酸鹽的侵蝕能力[10]。

圖6 平衡狀態(tài)時(shí)CaCO3含量與pH關(guān)系曲線

在平衡狀態(tài)下，巖溶水中的pH值與CO2分壓之間呈現(xiàn)直線關(guān)系，由CO2和H2O作用后產(chǎn)生的H+控制[7]。由本文前面對(duì)CO2、溫度影響的分析可知，當(dāng)巖溶水進(jìn)入隧道排水系統(tǒng)發(fā)生CO2逸出從而減少H+含量，降低了CaCO3的溶解度，有利于形成結(jié)晶。

2.4 流速的影響

碳酸鈣溶液體系在排水管壁上結(jié)晶析出必須經(jīng)歷如下過程：首先要產(chǎn)生微小的粒子作為晶核，然后晶核再生長成微晶粒，微晶粒在溶液中由于熱運(yùn)動(dòng)不斷地相互碰撞，和管壁也不斷地進(jìn)行碰撞，使小晶體不斷變成大晶體。在碰撞過程中各晶粒的正負(fù)電荷部分碰撞彼此結(jié)合形成大晶體，若連續(xù)不斷地按一定的方向碰撞，就形成了覆蓋管壁的結(jié)晶層，如圖7所示[18]。

在結(jié)晶層的形成過程中，溶液體系中的固-液接觸界面會(huì)逐步形成一個(gè)擴(kuò)散邊界層(DBL)，如圖8所示[19]。在該擴(kuò)散邊界層內(nèi)的溶液達(dá)到或接近飽和狀態(tài)，這些密集離子層或局部飽和層如果不能轉(zhuǎn)移稀釋，則有可能持續(xù)結(jié)晶析出。因此，水流速度越快則溶質(zhì)微粒的水動(dòng)力彌散效應(yīng)(亦稱流速場效應(yīng))越明顯[10]，溶質(zhì)的局部濃度將被沖淡，排水管壁形成結(jié)晶層的速度就越慢。以上推論已經(jīng)由相關(guān)的學(xué)者通過試驗(yàn)予以證明，相關(guān)研究結(jié)果和結(jié)論見文獻(xiàn)[7-8]。

圖7 碳酸鈣結(jié)晶過程示意

圖8 具有紊流區(qū)和擴(kuò)散邊界層的CaCO3-H2O-CO2系統(tǒng)

2.5 離子的影響

巖溶水中Ca2+、Mg2+、HCO3-等離子的濃度將影響到隧道排水管中結(jié)晶的形成速度和程度，達(dá)到飽和度的離子濃度將促使式(1)朝著析出碳酸鹽結(jié)晶物的方向反應(yīng)。巖溶水中通常還有如Na+、K+、Cl-、SO42-等對(duì)碳酸鹽的溶解和沉積有間接影響的離子，對(duì)多種離子形成的“混合溶蝕效應(yīng)”也應(yīng)引起關(guān)注[7-8]。由于相關(guān)問題較為復(fù)雜，此處不展開詳述。

3 巖溶隧道排水管堵塞的工程影響因素

巖溶隧道的設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)中也可能存在一些因素，對(duì)隧道排水管堵塞造成一定影響。

3.1 混凝土的溶出物

巖溶水需要流過隧道襯砌混凝土(主要是噴混凝土初支)進(jìn)入隧道排水系統(tǒng)，因此混凝土中的一些可溶性水泥水化產(chǎn)物也將會(huì)隨局部滲水進(jìn)入巖溶水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)中。混凝土中水泥石的主要水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣和水化鐵酸鈣凝膠，氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體，其中可溶性的氫氧化鈣約占25%[20]。另外，噴混凝土往往還要添加一定比例的速凝劑，其中不少種類為堿性復(fù)合制劑，且與水泥水化反應(yīng)生成可溶性堿性產(chǎn)物(如NaOH)[21]?；炷辆植康拇祟愇镔|(zhì)進(jìn)入到隧道排水系統(tǒng)內(nèi)以后，一定程度上參與到碳酸鹽的結(jié)晶反應(yīng)過程中去。以氫氧化鈣為例，其溶出后的主要反應(yīng)過程為

Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O(2)

即便不是在巖溶地區(qū)，隧道混凝土中部分溶出物被滲水帶出并在基面形成“析白”(也稱為泛堿)的情況也較為普遍(圖9)，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)造成排水管的一定堵塞。

圖9 某在建地鐵區(qū)間隧道初支基面的析白現(xiàn)象

筆者在西南地區(qū)某城市地鐵區(qū)間隧道施工現(xiàn)場對(duì)隧道初支基面的滲水做了pH值測試對(duì)比(調(diào)研時(shí)間為2015年12月)：剛施作完幾天的初支基面滲水的pH值為12.5～13.0，而經(jīng)過3個(gè)月以上巖溶水沖刷的初支基面滲水的pH值為7.5～8.0，與隧道掌子面處涌水的pH值接近。由此可知，由于混凝土局部的堿性可溶性物有限，此現(xiàn)象具有一定的短期效應(yīng)。但是，應(yīng)對(duì)隧道混凝土襯砌的密實(shí)性和抗開裂性能也引起關(guān)注，以保證其耐久性能[22]。

3.2 排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工

目前對(duì)巖溶隧道排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)未能很好地考慮防止后期出現(xiàn)結(jié)晶堵塞的預(yù)防和處理措施，比如：巖溶隧道排水管的設(shè)計(jì)大多未能根據(jù)防止巖溶水結(jié)晶的要求進(jìn)行對(duì)應(yīng)的規(guī)格設(shè)計(jì)和管材選擇；如圖10所示的縱向、環(huán)向、橫向排水管的接頭部位，由于彎頭過多較易由于泥沙和碎屑的淤積和結(jié)晶而發(fā)生堵塞，造成大面積襯砌混凝土滲漏病害[22]。

圖10 隧道排水管的三通接頭構(gòu)造

在隧道排水系統(tǒng)的施工中也難免存在一些問題：如施工誤差造成隧道排水管布設(shè)坡度與設(shè)計(jì)不符，滲水排泄不通暢；施工中不注意保護(hù)，損壞隧道排水管；遺留某些雜物于排水管中等。

由于目前國內(nèi)大多數(shù)隧道尚未考慮排水系統(tǒng)的后期檢查、維護(hù)的構(gòu)造和設(shè)施，一旦排水管發(fā)生堵塞，清理和維護(hù)就成了一個(gè)棘手的問題。

3.3 隧道開挖的影響

隧道的開挖破壞了隧址區(qū)巖溶地下水的均衡狀態(tài)，使得巖溶動(dòng)力系統(tǒng)也進(jìn)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，直至達(dá)到新的均衡狀態(tài)。在這個(gè)調(diào)整過程中，系統(tǒng)中的一些變量也會(huì)發(fā)生改變，如地下水的流動(dòng)路徑、地下水壓力和流速、pH值、CO2分壓等，也會(huì)影響巖溶動(dòng)力系統(tǒng)中碳酸鹽的溶解—沉積反應(yīng)過程。

另外，隧道穿越溶洞、斷層破碎帶等部位以及巖溶水在圍巖節(jié)理裂隙中形成的新的滲流通道，也會(huì)造成一些細(xì)顆粒填充物、碎屑等被帶入隧道排水系統(tǒng)中發(fā)生沉積，堵塞隧道排水管。

4 結(jié)語

通過探討分析巖溶隧道中常見的排水系統(tǒng)堵塞問題的原因和影響因素的作用，得到如下的認(rèn)識(shí)。

(1)從巖溶動(dòng)力系統(tǒng)及巖溶沉積的化學(xué)反應(yīng)原理可知，巖溶隧道排水系統(tǒng)堵塞的原因主要有化學(xué)沉積和碎屑沉積兩大方面，從其形成機(jī)理上來看，巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的碳酸鹽沉積反應(yīng)難以完全避免，需要考慮運(yùn)營期間的長期維護(hù)措施。

(2)巖溶隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的化學(xué)反應(yīng)影響因素主要包括PCO2、流速、溫度、pH值、離子種類和濃度等方面，相互之間還存在復(fù)雜的作用關(guān)系，相關(guān)問題仍然有待深入開展相關(guān)研究。

(3)相對(duì)而言，從工程影響因素入手妥善解決巖溶隧道排水系統(tǒng)堵塞問題的可操作性較強(qiáng)，但是目前針對(duì)這方面的研究仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還有待做進(jìn)一步全面的考慮和改進(jìn)。

限于篇幅，本文尚未對(duì)碳酸鹽巖以外的其他可溶巖層(硫酸鹽巖、鹵化物巖)的相關(guān)問題展開分析，巖溶隧道排水設(shè)施的可維護(hù)措施也將另文開展討論。