王 瓏， 葉忠明， 胡康俊， 劉 斌， 田崇明， 錢王蘋

(1.浙江杭宣高速公路有限公司，浙江 杭州 310000；2.中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；4.南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；5.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著愈來(lái)愈多的隧道出現(xiàn)排水管結(jié)晶堵塞現(xiàn)象，排水管結(jié)晶堵塞病害顯然已經(jīng)成了隧道在建和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。但由于該問(wèn)題影響因素眾多，解決方法亦是多種多樣。高壓水沖洗和化學(xué)溶解是處治此類問(wèn)題較為常見的手段，但這一類處置方案存在治標(biāo)不治本的問(wèn)題或破壞排水管系統(tǒng)或污染環(huán)境等問(wèn)題。對(duì)于大量出現(xiàn)結(jié)晶堵塞問(wèn)題的隧道，首要任務(wù)是找到處治該問(wèn)題的有效方案，但要想完全解決或者極大地減少隧道排水管結(jié)晶堵塞問(wèn)題，筆者認(rèn)為應(yīng)該秉承“預(yù)防為主，處治為輔，防治結(jié)合”的理念。

為了防止隧道結(jié)晶堵塞，最直接的辦法就是阻止結(jié)晶體在隧道排水管上沉積，這樣即使地下水中存在誘導(dǎo)結(jié)晶體產(chǎn)生的腐蝕介質(zhì)，也不會(huì)在排水系統(tǒng)中形成沉淀以造成堵塞。結(jié)晶體在排水管內(nèi)聚集沉淀主要與排水管道管材、尺寸、水流流速等有關(guān)。周卓[1]采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)探究了隧道排水管坡度和水流流速對(duì)結(jié)晶速率的影響，結(jié)果表明：排水管坡度越大，水流流速越大，結(jié)晶體越不易積聚。翟明[2]采用模型試驗(yàn)對(duì)CO2接觸面、排水管管徑、排水管形狀進(jìn)行了探究，結(jié)果表明：CO2含量越低，排水管管徑越小，排水管管壁越光滑，結(jié)晶沉淀越不易析出。Zhou等[3]結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，表明聚乙烯材質(zhì)隧道排水管預(yù)防結(jié)晶效果最差。蔣雅君等[4]提出采用防護(hù)涂層對(duì)混凝土基面和PVC管壁面進(jìn)行疏水處理可以降低碳酸鈣在管壁上的附著能力。

綜上，關(guān)于巖溶區(qū)隧道結(jié)晶堵塞問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖取得了一定的研究成果，但大多是從單一方面進(jìn)行研究，沒(méi)有系統(tǒng)地對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)。本文將從結(jié)晶堵塞機(jī)理、結(jié)晶堵塞預(yù)防、結(jié)晶堵塞監(jiān)測(cè)和結(jié)晶處治措施四方面，進(jìn)行較為系統(tǒng)、全面的分析與總結(jié)，結(jié)論可為隧道結(jié)晶堵塞問(wèn)題研究提供借鑒和參考。

1 結(jié)晶堵塞機(jī)理

1.1 巖溶隧道結(jié)晶堵塞機(jī)理研究

1.2 非巖溶隧道結(jié)晶堵塞機(jī)理研究

在我國(guó)西南、西北地區(qū)，許多隧道地下水質(zhì)都屬于重碳酸鹽型水質(zhì)。楊麗芝等[9]通過(guò)對(duì)華北平原德州一帶大量的地下水樣品進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)華北平原地下水多為重碳酸鈉型水，地下水中重碳酸鹽濃度多在500 mg/L上下。重碳酸鹽類水質(zhì)是導(dǎo)致非巖溶隧道產(chǎn)生結(jié)晶體的重要因素之一。

重碳酸鹽類水質(zhì)經(jīng)過(guò)隧道初支噴射混凝土，會(huì)直接與噴射混凝土材料水化產(chǎn)物或未水化成分氫氧化鈣發(fā)生沉淀反應(yīng)，對(duì)于隧道初支噴射混凝土而言，重碳酸鹽會(huì)加速侵蝕進(jìn)程，碳酸鈣沉淀來(lái)不及積聚在水泥石孔隙內(nèi)，就被地下水帶離出混凝土。同時(shí)，高堿性水溶液(大量氫氧化鈣溶解提高了水溶液堿性)不斷吸收隧道內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w也會(huì)產(chǎn)生白色結(jié)晶體，最終導(dǎo)致隧道排水管堵塞。

2 結(jié)晶堵塞預(yù)防研究

結(jié)晶堵塞預(yù)防是從混凝土材料、管材改造和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)等人工可控角度出發(fā)，盡可能減少結(jié)晶體生成和沉積。對(duì)于易出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象的在建隧道，合理利用外摻料是降低結(jié)晶生成措施中一種簡(jiǎn)單便捷的方法；利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)原理、管道植絨和更換管材等方法，也是當(dāng)前不少學(xué)者的研究方向；改變排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，如改變排水管連接方式等，以期減少結(jié)晶體在排水管內(nèi)的沉積，也是較為常見的方法。

2.1 合理利用外摻料

在噴射混凝土中，合理利用外摻料，如粉煤灰、硅粉、抗堿劑等，可在一定程度上減少結(jié)晶體的生成。以粉煤灰為例，魏風(fēng)艷等[8]提出粉煤灰可以增強(qiáng)C-S-H凝膠的固堿能力，同時(shí)可以減輕堿-硅灰反應(yīng)(ASR)的反應(yīng)程度。粉煤灰摻量也會(huì)影響噴射混凝土力學(xué)性能，如摻量過(guò)高會(huì)影響混凝土后期強(qiáng)度[10]。因此，粉煤灰摻量需要根據(jù)實(shí)際隧道與地下水情況，確定最合理的配合比，如噴射混凝土摻加20%粉煤灰，既可以提高混凝土強(qiáng)度和滲透性，也可以對(duì)堿-硅灰反應(yīng)(ASR)起到抑制作用。粉煤灰改性混凝土作用機(jī)理主要體現(xiàn)在粉煤灰形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)三個(gè)方面，硅粉也具有同樣的改性效應(yīng)。

不少學(xué)者在此方面進(jìn)行了研究。奧地利學(xué)者M(jìn)aria Thumann等[11]采用浸泡法，將AHWZ(一種經(jīng)過(guò)處理可用于混凝土生產(chǎn)的水硬性添加劑)、粉煤灰、礦渣和火山灰作為外摻料替代部分水泥。Gerhard Harer[12]將AHWZ作為外摻料，在Koralm隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。研究新型材料或者引入其他材料降低結(jié)晶量是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。

2.2 優(yōu)化排水管性能

在富水隧道排水系統(tǒng)中，地下水流經(jīng)防水板和環(huán)向盲管，進(jìn)入縱向排水管。橫向排水盲管連接著縱向排水管與側(cè)排水溝，縱向排水管通常貫通隧道起止。橫、縱排水管若無(wú)特殊要求，通常采用單壁或雙壁波紋管，其設(shè)置應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，施工中預(yù)留拼接，后在仰拱及填充混凝土施工前連接完成。橫、縱向排水管是隧道排水系統(tǒng)中重要的排水措施。許多學(xué)者對(duì)橫、縱向排水管展開研究，以期降低排水管內(nèi)結(jié)晶堵塞情況。

2.3 優(yōu)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在影響結(jié)晶體堵塞排水管的眾多因素中，排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理也是導(dǎo)致[1]結(jié)晶堵塞嚴(yán)重的重要因素之一。排水管坡度設(shè)計(jì)、管道連接角度和排水系統(tǒng)密閉性設(shè)計(jì)等都會(huì)直接或間接影響到堵塞情況，所以優(yōu)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是十分必要的。對(duì)于排水管坡度的設(shè)計(jì)，一般要求隧道排水系統(tǒng)中縱向排水管與隧道縱向坡度保持一致，即0.3%～3%。對(duì)于存在結(jié)晶堵塞的區(qū)段，縱向排水管坡度可以適當(dāng)放大，建議設(shè)置為5%左右。結(jié)合已有的施工經(jīng)驗(yàn)，可將縱向排水方式由貫通式改為分段式，局部采用倒置V形狀的排水管，倒置V形狀的底部聯(lián)通排水系統(tǒng)的橫向排水管或檢查井，倒置V形狀的頂部聯(lián)通排水系統(tǒng)的環(huán)向盲管[16]。同時(shí)，優(yōu)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行局部或整體改造，從增加排水系統(tǒng)密閉性、減少排水系統(tǒng)中水溶液對(duì)CO2的吸收，或者降低水流動(dòng)能消耗、增大局部水流流速等角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。研究方法不限于以上角度，更多研究也正在進(jìn)行過(guò)程中，本節(jié)僅介紹幾種較容易理解的預(yù)防方法。

在高堿性環(huán)境中，Ca(OH)2吸收大氣中二氧化碳生成碳酸鈣結(jié)晶體[6]。當(dāng)pH大于11時(shí)，溶液吸收CO2能力較強(qiáng)，CaCO3更易趨于飽和[17]。結(jié)晶與空氣中CO2關(guān)系密切，因此此時(shí)排水系統(tǒng)的密閉性就顯得尤為重要。通過(guò)在側(cè)溝內(nèi)設(shè)置橫向凸臺(tái)，凸臺(tái)與側(cè)溝構(gòu)成浸沒(méi)隧道排水管的容水腔，可在容水腔內(nèi)形成水封，從而阻止CO2進(jìn)入排水系統(tǒng)[18]。

增大排水系統(tǒng)局部排水能力，或者減少地下水在排水管中動(dòng)能損失，利用水流沖刷能力減緩堵塞情況，也是一種優(yōu)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路。例如減少縱向排水管與橫向排水管三通連接處局部阻力帶來(lái)的動(dòng)能消耗等[19]。

3 結(jié)晶堵塞監(jiān)測(cè)研究

為了能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)排水管內(nèi)結(jié)晶情況，應(yīng)當(dāng)建立隧道排水管結(jié)晶堵塞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可為運(yùn)營(yíng)期間及時(shí)清理結(jié)晶堵塞物提供支撐，以避免由于“不知情堵塞”延誤處治最佳時(shí)期或頻繁處治造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。結(jié)晶堵塞監(jiān)測(cè)是結(jié)晶堵塞處治的前提，監(jiān)測(cè)手段不能僅憑肉眼觀察，更多時(shí)候需配合機(jī)械設(shè)備確定堵塞情況。當(dāng)前對(duì)于結(jié)晶堵塞監(jiān)測(cè)的研究較少，方法也比較簡(jiǎn)單，智能化和專項(xiàng)化監(jiān)測(cè)手段仍需不斷發(fā)展，本節(jié)僅介紹幾種較為便捷的方法，以供參考。

不少隧道在施工過(guò)程中會(huì)預(yù)留排水系統(tǒng)的檢查設(shè)施(環(huán)向排水管檢查口、橫向排水管檢查孔和縱向排水管檢查井等)，定期進(jìn)行檢查對(duì)解決結(jié)晶堵塞問(wèn)題。隧道排水系統(tǒng)在建設(shè)過(guò)程中預(yù)留檢查孔是相當(dāng)必要的。當(dāng)隧道逐步運(yùn)營(yíng)時(shí)，通過(guò)預(yù)留檢查孔并配合可轉(zhuǎn)向內(nèi)窺鏡對(duì)隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行檢查，能夠方便快捷地掌握排水系統(tǒng)的堵塞情況。如果隧道排水管堵塞，排水管中的水會(huì)通過(guò)溢水孔溢出，從而對(duì)排水管是否堵塞進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷[20]。通過(guò)這樣的監(jiān)測(cè)方式，可以提前處理排水系統(tǒng)局部堵塞問(wèn)題，保障排水系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)，進(jìn)而避免隧道排水系統(tǒng)失效問(wèn)題，甚至隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題。

4 結(jié) 論

(2)借助典型案例對(duì)結(jié)晶堵塞預(yù)防、結(jié)晶堵塞監(jiān)測(cè)進(jìn)行了分析闡述，系統(tǒng)歸納了當(dāng)前學(xué)者們?cè)诮Y(jié)晶堵塞問(wèn)題相關(guān)研究工作中的進(jìn)展和成果，并針對(duì)性地提出了意見和建議，以期為解決隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問(wèn)題提供一定的借鑒、參考。