当金山隧道排水盲管结晶物形成原因分析及治理措施的探讨

2020-03-09柴天佑

甘肃科技 2020年10期

柴天佑

（敦煌铁路有限责任公司，甘肃敦煌 736200）

1 工程概况

当金山隧道是敦格铁路甘肃段控制性工程，隧道起讫里程为DK194+980-DK215+080，全长20.10km,隧道除出口段224m位于1600m的曲线上外其余均位于直线上，坡度依次为6‰，12.3‰，7‰的单面上坡，隧道IV、V级围岩长10.595Km,占隧道总长的52.6%。隧道穿过10个断层，地下水、节理裂隙十分发育，为岩溶发育提供了条件。

在当金山隧道施工中，排水盲管中形成结晶物速度非常快，水沟中沉淀物堆积明显。尤其是富水段，两个月左右部分盲管中形成的结晶物沉淀物堆积厚度达到5mm以上，已对排水形成阻塞，直接影响盲管正常排水功能。针对隧道施工中这个情况，对结晶物形成机理，探索预防和治理措施，从结晶物成分、来源、形成等多方面进行探索。

2 结晶物的主要成分及形成机理

2.1 结晶物的形成过程

通过对当金山隧道水样和白色结晶物取样送检化验结果表明，隧道排水中钙、镁离子偏高，但与所在地区水平基本保持一致，白色结晶物成份主要是碳酸盐和硫酸盐。相关文献表明，在隧道排水管内结晶物生成的过程中，CO2起到了很大作用。具体来说就是CO2溶于水生成碳酸（H2CO3）,碳酸在水中发生电离，产生H+和HCO-3,当水溶液中H+浓度在某一数值时水溶液处于平衡状态，也就是既不发生沉淀结晶、也不继续溶解，但当H+浓度低于这一数值时，则会发生碳酸钙、碳酸镁的沉淀结晶。岩溶隧道排水管内的沉淀结晶物主要是由化学反应生成的结晶物在溶解度发生变化的情况下析出产生。当隧道开挖后，地下水中CO2的气体分压下降，溶解的CO2从地下水中逸出，H+浓度降低，促使化学反应向沉淀结晶物方向进行，溶液中的钙、镁离子以碳酸盐的形式析出，附着在隧道排水管壁上，经过一段时间的积累，直接影响盲管正常功能。

同时温度对结晶物形成也有明显的作用。随着温度升高，碳酸钙溶液更容易趋于过饱和。在正常大气压下，温度为5℃时碳酸钙溶解度为86ppm;温度升高10℃，碳酸钙溶解度降低至75ppm,也就是说随着温度升高，碳酸钙溶液容易趋近于过饱和溶液，过饱和溶液是一种不稳定状态，利于结晶物的析出。

隧道施工中，由于开挖围岩曝露，造成CO2逸出和温度升高，加速了盲管内结晶物的形成。

2.2 结晶物成份中钙离子来源

结晶物盲管内结晶物主要成分为钙盐，其中钙镁离子的来源主要有以下几个方面。一是当地下水流过富含碳酸钙矿质的岩层时，携带钙酸盐物质；二是普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，氧化钙（CaO）含量占到 60%，石膏（CaSO4·2H2O）也是必要矿物组成，都含有大量的钙离子。水中的硫酸根离子与混凝土中钙离子反应生成的硫酸钙，而部分的硫酸盐也会以白色晶体形式从混凝土当中析出；三是喷射混凝土速凝剂中碳酸钙的存在同时增加了钙离子跟碳酸根离子。

2.3 结晶物成份中碳酸根离子来源

CO2是结晶物生成的主要因素，CO2溶于水生成碳酸根离子。地下水中CO2的主要有以下几个来源，一是大气中的CO2，在隧道施工中施工机械排放、人员活动带来增加了CO2含量；二是土壤中的有机物或微生物分解作用产生的CO2，通过降水、地表水对地下水的补给，进入地下裂隙水；三是岩体中碳酸盐类矿物质由于热解作用产生CO2，随着地下水流动进入地下水系统。

2.4 盲管中结晶物的形成过程

排水盲管结晶沉淀物的形成既是一个化学过程又是一个物理过程，围岩中的岩石颗粒、初支混凝土中的细骨料在水流的冲刷下进入盲管，这些泥沙与结晶沉淀物共同作用，增大排水管管壁摩擦，对水流阻碍作用更加显著，随着沉淀物增多，最终导致排水能力减弱。

同时由于在施工中不规范，排水管实际坡度于设计坡度不符，造成盲管反坡布置，对盲管保护不到位，混凝土振捣造成盲管变形受损，二衬浇筑时混凝土流入盲管未及时清理等加剧排水管堵塞情况。

同时为研究不同类型盲管、二氧化碳浓度、水流速度等因素对结晶物形成的影响，我们在隧道施工中使用了两种不同的排水盲管，同时搭建室外模型，模拟隧道盲管结晶过程。通过近2个月的观察发现，管壁光滑的盲管形成结晶物速度小于弹簧排水盲管，水流速度相对较快的盲管也不易形成沉淀物，室外模型使用的盲管中结晶现象明显低于隧道内盲管结晶速度。

以上研究和试验表明，地下水中的携带的大量钙（包括混凝土中析出的钙离子，部分运营隧道病害表明，隧道初支侵蚀问题比较严重，初支混凝土在长期侵蚀环境下，整体性遭到破坏，成松散状）和水中、空气中的CO2的相互作用、隧道内温度升高是结晶物析出的直接原因；盲管排水流速、盲管类型决定了析出物沉淀的速度。

3 阻止隧道排水盲管结晶物析出和防止沉淀的工程措施

在了解隧道盲管堵塞是如何形成机理后，防止隧道排水盲管堵塞可从阻止结晶物形成、析出和防止析出物沉淀两个方向来解决。一些专家通过多年的研究，对防止结晶采取生物、化学方法，从源头阻止结晶物析出和促进结晶物的溶解主要有以下两种。

1）采取CA阻止析出结晶物。CA(碳酸酐酶)是一种金属酶，刘再华通过研究CA对灰岩的溶解作用得出，如果排水管内的地下水偏酸性，酸性环境会抑制沉淀结晶物的生成，如果排水管内的地下水偏碱性，对CA的活性有利，会促使更多的CO2转化，从而促进排水管内的结晶沉淀物溶解，所以如果在排水管内放置能够适应排水管内环境的可以生成大量CA的细菌，将会降低排水管内结晶物的形成。

2）采取高效阻垢剂抑制结晶沉淀物的生成。HEDP（羟基乙叉二膦酸,化学用品，一种有机磷酸类阻垢缓蚀剂阻垢剂）可更容易碳酸钙的碳酸根离子发生作用形成氢键，从而抑制了碳酸钙的生成，所以在有堵塞倾向的排水管内预先放置高效阻垢剂抑制结晶物的生成具有可行性。

以生物化学的方法从源头防止结晶物的生成和析出在实际操作中具有一定的难度，并不能很好的解决这一问题。在当前隧道施工、衬砌、材料等没有新技术的情况下，如果在施工中，采取相应工程措施，提高施工工艺和施工标准，防止析出物沉淀堆积，对延缓盲管堵塞、延长维修维护周期、降低运营期维护成本还是具有积极意义。

隧道排水系统是由环向排水盲管、纵向排水盲管、侧沟组成，环向排水盲管由于水流速度较大，形成堵塞可能性较小。纵向排水盲管由于施工中措施不到位，比如没有形成排水坡度，在二衬浇筑过程中对排水盲管的挤压，盲管包裹土工布脱落，盲管内进入混凝土微粒、围岩颗粒，盲管引入水沟弯头布置不合理，形成反坡等都是造成和加剧盲管堵塞的工程原因。

针对在以上原因，在施工中可采取如下措施来抑制盲管内结晶物沉淀：

1）优化排水系统设计。一是单段纵向排水盲管采取“人”字形布置，将明显增大排水管坡度，增强排水管的排水能力，可以延缓盲管堵塞。二是尽可能采取内壁光滑的HDPE盲管，也能减少沉淀物的堆积。

2）改进施工工艺。一是在盲管敷设施工时，要控制好盲管的挂点布置和坡度，盲管两端弯头角度不小于135°进入水沟，减少水头损失，盲管伸入侧沟部分外套PVC保护管，并加装固定环来固定排水盲管的坡度和角度，防止混凝土浇筑浇筑过程中对盲管的损坏和避免浇筑完成出现反坡。

3）其他措施：一是加强隧道通风和施工车辆工况的管理，减少二氧化碳的排放量，降低隧道内二氧化碳浓度；二是提高初支喷射混凝土的密实度，严格控制水灰比，选择优质的速凝剂，减少混凝土中钙离子的流失。同时对中富水、富水段运用堵排结合的防水方式，采取注浆措施，降低排水量减少围岩中钙离子的流失。

4 隧道盲管堵塞疏通技术的探索

当金山隧道在建设过程中，排水盲管堵塞现象比较严重，如何疏通堵塞盲管，清除沉淀物、我们在工程实施中进行了一些探索。

4.1 采取化学清洗的方法

通过与兰州大学合作对盲管堵塞疏通进行研究，对络合法、洗涤法、酸法进行比较，从快速溶解结晶物、对混凝土性能影响小方面确定了采用甲酸、柠檬酸、适量的增稠润滑剂以一定比例配置溶解液。实验结果表明，对结晶物具有良好的溶解效果。后期现场组织对当金山隧道盲管堵塞进行清洗试验，采取在盲管一端注入、一端自由排出的方式，通过观察注入端和排出端盲管前后变化，冲洗后盲管壁可见部分明显光滑，证明了在实践中具有一定的效果。但由于排水盲管管壁具有渗水小孔，当加压注入溶解液时，溶液通过渗水孔流入初支与二衬中间，溶液损失较大且不易回收，存在成本相对较高、注入设备与盲管对接困难等缺点。同时为掌握溶解液对混凝土性能的长期影响，在试验室环境下制作混凝土试块，在达到100%设计强度时，在溶解液中分别浸泡试件3d，7d和28d，观察试件表面侵蚀情况和对抗压强度进行试验。试验数据表明随着时间增长，试件质量损失、强度损失相应增大，28d已造成明显强度破坏和侵蚀，溶解液对混凝土具有一定的侵蚀作用。

4.2 采用机械疏通的方法

目前在工程中采用机械疏通方式主要有以下几种，一种使用可维护盲管，即在盲管施工时在盲管内预置疏通装置，疏通装置包括钢绞线和固定在钢绞线上的毛刷，通过拉动钢绞线，达到清除管壁堆积的沉淀物。一种是高压水射流清洗。即采取加压设备将普通自来水加压，通过特殊的喷嘴去除盲管内壁的沉淀物等各种堵塞物。高压水清洗具有清洗成本低，清洗质量好，清洗速度快、无环境污染等优点，选择不同类型的喷头，可以通过弯管等到达不容易直接清理的部位。前者由于施工复杂，在实践中并不常见。

高压射流清洗与化学清洗相比，更能适应不同堵塞程度的需要，具有设备简单、操作方便、对不同盲管部位可选择不同类型的清洗喷头，不考虑溶解液的回收，取材方便，没有环境污染等优点，是一种安全清洁、快速高效的疏通方式，能较好的应用于在建或运营隧道的盲管疏通维护。