屈玉龍，孫世達(dá)

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

1 隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞研究意義

鐵路、高速公路是國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，是大眾化的交通設(shè)施。中國(guó)擁有8 600多座鐵路、公路隧道，總長(zhǎng)度達(dá)到了4 379 km，位居世界第一。隧道防排水系統(tǒng)是及時(shí)排出隧道內(nèi)積水、保障隧道安全運(yùn)營(yíng)的重要結(jié)構(gòu)。因此，更好地了解隧道排水系統(tǒng)中的結(jié)晶堵塞現(xiàn)象對(duì)隧道施工及養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要。由于之前對(duì)隧道排水結(jié)晶堵塞問(wèn)題的忽略，現(xiàn)在越來(lái)越多的已建隧道暴露出排水系統(tǒng)堵塞的病害，加上對(duì)于解決隧道排水結(jié)晶堵塞問(wèn)題的研究較少，導(dǎo)致解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)更加棘手。因此，有必要對(duì)結(jié)晶物進(jìn)行研究并且提出有效的施工措施來(lái)解決這一系列的問(wèn)題。

隧道穿越高山，埋深大，地質(zhì)水文條件錯(cuò)綜復(fù)雜，隧道開(kāi)挖后因水源補(bǔ)給處水頭高，孔隙水、裂隙水、巖溶水往往呈承壓水特征。隧道襯砌承受地下潛水壓力，潛水位升高后，增加了對(duì)隧道襯砌的壓力，同時(shí)隧道初期支護(hù)長(zhǎng)期受到地下流動(dòng)水侵蝕，混凝土在地下水的作用下CaCO3被不斷沖刷走，初支混凝土中的水化硅酸鈣中的鈣離子不斷被析出，因此會(huì)降低隧道混凝土的力學(xué)強(qiáng)度[1]。排水系統(tǒng)中的沉淀物主要由隧道混凝土襯砌的退化產(chǎn)生，降解是由混凝土材料與地下水之間的化學(xué)反應(yīng)造成的。如果隧道排水中的降水量較高，則地下水不易在其中流動(dòng)[2]。因此，地下水位將上升，這可能導(dǎo)致出現(xiàn)最高水壓，致使隧道二襯受承壓水影響，在這種影響下會(huì)出現(xiàn)隧道襯砌裂損、腐蝕，以及混凝土中的鋼筋銹蝕，路床翻漿冒泥和隧底脫空等病害。隧道排水系統(tǒng)中的堵塞物主要包括隧道排水管道內(nèi)形成的沉淀結(jié)晶（CaCO3、MgCO3、BaCO3、和BaSO4）[3]，影響隧道的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。排水系統(tǒng)的退化不僅會(huì)影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會(huì)帶來(lái)額外的維護(hù)問(wèn)題。目前為止，僅針對(duì)隧道排水孔防止結(jié)垢的技術(shù)研究尚不多見(jiàn)，因此，對(duì)隧道施工中的排水管結(jié)晶物的研究及提出減緩結(jié)晶的措施，對(duì)隧道工程安全運(yùn)營(yíng)有著重要意義。

2 工程概況

貴州省石阡至玉屏（大龍）高速公路土建6 標(biāo)項(xiàng)目工程，位于銅仁市石阡縣青陽(yáng)鄉(xiāng)與黔東南州岑鞏縣平莊鎮(zhèn)交界，項(xiàng)目主線經(jīng)青陽(yáng)鄉(xiāng)坪場(chǎng)村至岑平莊鎮(zhèn)獅兆村，主線全長(zhǎng)5.55 km。項(xiàng)目連接線工程連接主線青陽(yáng)互通至岑鞏縣，三級(jí)路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，全長(zhǎng)17 km。其中主線有一座隧道，為大坪隧道，全長(zhǎng)2.15 km，隧道進(jìn)口位于青陽(yáng)鄉(xiāng)坪場(chǎng)村，出口位于平莊鎮(zhèn)鎮(zhèn)獅兆村。連接線有2 座隧道（大錫場(chǎng)隧道和桐子嶺隧道），位于青陽(yáng)鄉(xiāng)，隧道二襯輪廓為半徑5 m 的單心圓，大錫場(chǎng)隧道全長(zhǎng)562 m，桐子嶺隧道全長(zhǎng)773 m。

本標(biāo)段2017 年10 月開(kāi)工建設(shè)，2018 年10 月至2019 年8 月因資金問(wèn)題項(xiàng)目暫停施工。2018 年復(fù)工后，隧道二襯橫向排水口出現(xiàn)不同程度的白色-黃色結(jié)晶物，進(jìn)一步排查，隧道初支部位亦發(fā)現(xiàn)不同程度的結(jié)晶物，初步認(rèn)定該結(jié)晶物為鈣華，即富含碳酸氫鈣的水溶液因CO2從水中脫離或水進(jìn)行蒸發(fā)，使水溶液發(fā)生碳酸鈣過(guò)飽和導(dǎo)致出現(xiàn)碳酸鈣沉積的現(xiàn)象[1]。

3 結(jié)晶體形成機(jī)理與規(guī)律

結(jié)合上述工程概況進(jìn)行分析，晶體沉積在隧道排水系統(tǒng)中很常見(jiàn)。造成隧道建設(shè)時(shí)初期支護(hù)排水系統(tǒng)發(fā)生鈣華進(jìn)而使隧道排水系統(tǒng)堵塞的原因有很多，包括溫度、濕度與地下水、二氧化碳、圍巖、初噴混凝土、壓力、水動(dòng)力等多方面耦合作用的影響?？偟膩?lái)說(shuō)與水及二氧化碳有很大關(guān)系，溶解于水中的二氧化碳含量減少或水分的蒸發(fā)都將導(dǎo)致富含碳酸氫鈣的溶液（巖溶水等）因碳酸鹽過(guò)飽和而使碳酸鈣晶體析出。在排水系統(tǒng)中，描述結(jié)晶污垢的一般術(shù)語(yǔ)是“結(jié)垢”，這通常用于難以去除的硬質(zhì)頑固沉積物，一般認(rèn)為這些沉積物是在排水中形成的[4]。

白色沉淀物主要在丘陵地區(qū)施工中形成，通過(guò)審查設(shè)計(jì)圖和監(jiān)理報(bào)告，地下水?dāng)鄬悠扑閹У牡鼗庸讨饕獞?yīng)用灌漿和地下水截流這2 種方法，特別是在隧道與開(kāi)挖箱結(jié)構(gòu)連接的接頭處和用于加固隧道入口的部分，應(yīng)用灌漿通過(guò)淋濾效應(yīng)在隧道內(nèi)流動(dòng)，在這些結(jié)構(gòu)部位經(jīng)常會(huì)形成白色沉淀物。在地下水流入量大、排水流量好的地段未發(fā)現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象，但在地下水流入量小的地段觀察到風(fēng)化現(xiàn)象；在地下水大量流入的區(qū)域，白色晶體沒(méi)有沉積，而在地下水少量流入的區(qū)域，白色晶體在側(cè)壁排水溝、側(cè)排水溝、排水材料處嚴(yán)重累積，這種情況使排水孔的排水性能變差。因此，泄漏會(huì)產(chǎn)生排水洪水，并在隧道襯砌上產(chǎn)生殘余壓力[5]，這會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)出現(xiàn)安全問(wèn)題。

結(jié)晶成長(zhǎng)的機(jī)理有表面能理論、擴(kuò)散理論、吸附層理論。目前常用的為擴(kuò)散理論，隧道產(chǎn)生的主要結(jié)晶物由碳酸鈣組成，其機(jī)理如下：①隧道內(nèi)流動(dòng)的非點(diǎn)污染源主要包括土壤中微生物代謝活動(dòng)形成的污染源和汽車(chē)尾氣中的污染源，主要成分為CO、CO2、SO3、NO2等。這些非點(diǎn)污染源會(huì)影響沉積物的吸附水，改變吸附水的電解質(zhì)質(zhì)量濃度，導(dǎo)致結(jié)晶。②由于沉積物附近的溫度升高和土壤顆粒中吸附水的蒸發(fā)，土壤顆?？赡苄纬山Y(jié)晶。碳酸鈣的形成過(guò)程導(dǎo)致水垢沉積在隧道排水孔處。③通過(guò)隧道內(nèi)部泄漏的地下水在混凝土結(jié)構(gòu)中淋洗出的Ca（OH）2與土壤結(jié)合并發(fā)生反應(yīng)，這稱(chēng)為火山灰反應(yīng)，也就是說(shuō)，由大多數(shù)土壤顆粒組成的黏土具有負(fù)電荷漏極孔內(nèi)的帶電性質(zhì)和Ca（OH）2組分的Ca2+離子相互結(jié)合形成晶體[6]，即：CaO+H2O →Ca（OH）2，Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O。

碳酸鈣可以存在于3 種不同的多晶型中，即方解石、文石和球霰石，以增加其溶解度。根據(jù)熱力學(xué)可以確定方解石為溶解度最小的多晶型，對(duì)于沉淀過(guò)程是最有利的。關(guān)于CaCO3形成方面的工作包括研究從高度過(guò)飽和溶液中的自發(fā)性沉淀，使用恒定濃度條件的晶體化動(dòng)力學(xué)，調(diào)查各種多晶型的沉淀?xiàng)l件，某些其他雜質(zhì)對(duì)前置離子的影響及水溶性有機(jī)化合物對(duì)沉淀過(guò)程的影響。通過(guò)避免結(jié)晶和顆粒沉積過(guò)程來(lái)解決碳酸鈣的結(jié)晶問(wèn)題一直是工業(yè)界長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題，尤其是近20 年來(lái)，碳酸鈣的結(jié)晶問(wèn)題一直受到人們的關(guān)注。

4 隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞施工措施

貴州省石阡至玉屏（大龍)高速公路土建6 標(biāo)項(xiàng)目工程位于巖溶地區(qū)，隧道二襯橫向排水口出現(xiàn)不同程度的白色-黃色結(jié)晶物，進(jìn)一步排查，隧道初支部位亦發(fā)現(xiàn)不同程度的結(jié)晶物，隧道初期支護(hù)存在碳酸鈣晶體、泥沙等物質(zhì)堵塞排水管道導(dǎo)致排水不暢的現(xiàn)象，從而侵蝕隧道襯砌，破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)，造成隧道變形、涌水、塌方等工程事故[5]。排水系統(tǒng)的退化不僅會(huì)影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會(huì)帶來(lái)額外的維護(hù)問(wèn)題。出現(xiàn)這種排水系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象不僅會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)影響該隧道的使用及安全性。截至目前，解決隧道排水結(jié)晶難題的技術(shù)研究還不夠。相比之下，除隧道外，防止工業(yè)設(shè)施結(jié)垢的技術(shù)研究已在很大程度上得到發(fā)展。防垢技術(shù)分為化學(xué)法和物理法2 種。從專(zhuān)利來(lái)看，物理方法覆蓋了整個(gè)專(zhuān)利的90%以上，物理方法包括超聲波法、水射流法、磁化裝置法和量子棒法；化學(xué)法用到的清潔劑和抑制劑會(huì)造成水污染并且需要持續(xù)開(kāi)展維護(hù)工作。針對(duì)該地區(qū)的施工環(huán)境和施工特點(diǎn)采用以下措施來(lái)解決隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的難題。

從排水系統(tǒng)的選材開(kāi)始，借鑒其他隧道排水系統(tǒng)防結(jié)晶堵塞的經(jīng)驗(yàn)，大多隧道排水管選用的普通PVC管在投入使用后會(huì)隨著時(shí)間管壁的結(jié)晶物將持續(xù)增加直至排水管堵塞?？紤]到這個(gè)問(wèn)題，在施工隧道中需要選用有植絨的PVC 管[7]，通過(guò)在排水管內(nèi)壁植入大量絨毛，絨毛在水流作用下會(huì)產(chǎn)生蠕動(dòng)，從而達(dá)到除結(jié)晶的目的[8]。并且選用目前新提出的一種防止隧道排水管道結(jié)晶的材料，該材料由以下質(zhì)量份的組分組成，即石棉粉50～60 份，瀝青26～36 份，水6～18 份，該材料的制備步驟如下：①根據(jù)涂料配方制備原料；②將瀝青加熱至150～170 ℃，直至瀝青熔化脫水，待無(wú)氣泡產(chǎn)生后停止加熱，保留瀝青備用[9]；③將水加熱至70 ℃以上，將石棉粉高速均勻分散在60%的熱水中；④將瀝青加入高速分散機(jī)中，然后將剩余的40%的熱水分次加入高速分散機(jī)中，直至分散均勻；⑤最后將第③步得到的石棉粉料加入第④步得到的瀝青材料中，攪拌均勻即得成品。這種新型的隧道排水管道防結(jié)晶材料并沒(méi)有大量的運(yùn)用在目前的隧道施工中，在該隧道工程中選用，主要考慮到符合本次施工特點(diǎn)和要求，并且這種材料的制作成本較低，制作簡(jiǎn)單且可以在實(shí)際過(guò)程中對(duì)防治隧道排水結(jié)晶堵塞發(fā)揮重要的作用[9]。

鈣離子、碳酸鹽離子和重碳酸鹽離子是碳酸鈣形成的充分條件[10]。由于隧道中這些離子的質(zhì)量濃度非常高，因此在這些隧道排水管中有大量碳酸鈣晶體。由于結(jié)晶物主要是由碳酸鈣組成，根據(jù)碳酸鈣在高過(guò)飽和溶液中均勻結(jié)晶的雙流體模型研究，證實(shí)磁場(chǎng)可以改變碳酸鈣的晶相且磁場(chǎng)可以抑制晶體的形成[11]。磁法是利用磁性裝置將碳酸鈣顆粒的形狀由方解石改變?yōu)槲氖姆椒?。因此，水中的顆粒不會(huì)黏附在排水管或機(jī)器的內(nèi)表面，而是漂浮并在其中流動(dòng)，可以有效地防止隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞[12]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，隧道的修建也越來(lái)越多。與此同時(shí)如何解決好隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問(wèn)題也顯得尤為重要。巖溶地區(qū)隧道初期支護(hù)存在碳酸鈣晶體、泥沙等物質(zhì)堵塞排水管道，導(dǎo)致排水不暢的現(xiàn)象，從而侵蝕隧道襯砌，破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)，造成隧道變形、涌水、塌方等工程事故。出現(xiàn)這種排水系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象不僅會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)影響該隧道的使用及安全性。本文主要依托貴州省石阡至玉屏（大龍）高速公路土建6 標(biāo)項(xiàng)目工程，對(duì)隧道排水管結(jié)晶物的形成機(jī)理和組成成分進(jìn)行分析和研究，針對(duì)該工程提出了3 種有效的措施，分別是通過(guò)植絨PVC 管代替普通PVC 管來(lái)增強(qiáng)排水系統(tǒng)抗結(jié)晶效果，采用新型的材料來(lái)抑制結(jié)晶物的生成達(dá)到預(yù)防的目的，以及運(yùn)用磁場(chǎng)達(dá)到防止結(jié)晶的施工效果。通過(guò)這些措施來(lái)解決施工過(guò)程及后續(xù)使用階段的排水管結(jié)晶問(wèn)題，并且為類(lèi)似的隧道排水結(jié)晶堵塞問(wèn)題提供參考。