铁路隧道用盲管堵塞清除技术及应用

2020-04-09马殷军

中国铁路 2020年3期

马殷军

（中国铁路兰州局集团有限公司，甘肃兰州730000）

0 引言

我国地域辽阔，地形地貌复杂，其中山区、丘陵、高原等地貌约占国土总面积69%［1］，随着我国经济发展水平不断提高，一些基础设施和通行设施的建设不可避免地要穿越这些不利地形。据统计，我国公路隧道里程达到10 000 km，铁路隧道里程接近10 000 km，水下隧道里程超过120 km［2］，但是衬砌渗水问题对隧道产生诸多不良影响，危及隧道的施工和运营安全，特别是一些地质结构复杂的超长隧道如何更好地让水及时排出，对隧道安全尤为必要。

调查表明，隧道排水管堵塞是造成隧道病害的重要原因［3-8］，主要采用以下3个解决方法：（1）物理方法。（2）化学方法。通过阻垢剂来解决离子结晶堵塞排水管道的问题，如王香爱［9］对阻垢机理进行研究；罗凡等［10］利用固相微萃取技术，研究发现不同材料对于水中污染物有增强吸附作用；Donaldson等［11］研究磁场对海水结晶的影响；于剑峰等［12］针对江汉油田盐化工总厂的卤水管道结垢的实际生产问题，研究影响碳酸钙结晶体的因素；李华举等［13］总结4种钙华沉积模式；刘再华等［14］研究发现温度对碳酸钙的生成作用明显，验证流速对碳酸钙的沉淀结晶具有明显控制作用；（3）生物方法。通过碳酸酐酶增加碳酸盐的溶解速率来解决结晶体堵塞排水管问题，刘再华［15］对碳酸酐酶催化碳酸盐岩溶解速率进行了研究。

根据上述文献资料，采用化学方式治理由微粒子结晶导致盲管排水堵塞案例较少。本次研究针对隧道排水盲管堵塞问题，通过多重溶解剂对比优选，提出采用溶解剂解决排水盲管堵塞问题，根据工程需要开发一种适用于该清除液的盲管堵塞清除设备，并在当金山隧道［16］和胡麻岭隧道部分段应用，验证其适用性。

1 盲管堵塞机理及治理方式

1.1 工程概况

当金山隧道为敦煌—格尔木铁路的控制性工程，该隧道进口位于甘肃省阿克塞县城以南、当金山山口北侧，出口位于阿尔金山南缘山前冲洪积平原区。隧道洞身位于祁连山与阿尔金山的结合部位，线路平均海拔3 000 m，设计长度20.1 km，设计时速120 km。当金山隧道的建设穿越了富含碳酸盐与钙盐的灰岩地区，离子在隧道排水管中形成以碳酸钙为主体的多种结晶体，造成排水管的堵塞，导致隧道衬砌结构发生漏水现象。

1.2 当金山隧道盲管结晶体成分

1.2.1 水样分析

对隧道内5个里程现场取样并进行水溶液检测分析，测定其中阴、阳离子的含量。当金山隧道水样分析见表1。现场水样含有多种离子，阳离子以Ca2+为主，阴离子以HCO3-为主。根据化学反应机理，初步推断盲管堵塞的结晶物为碳酸钙、碳酸镁、硫酸钡等物质。

表1 当金山隧道水样分析

1.2.2 白色结晶物各组分占比

由于清除剂是针对特定的结晶体配制，因此需要结晶物中各结晶体的具体含量。通过对当金山隧道中4个不同位置的白色结晶物进行取样，分析绘制白色结晶物的各成分含量（见图1）可知，隧道盲管内的白色结晶物以CaCO3为主。

图1 结晶体含量分布柱状图

2 试验方案设计及比选

针对当金山隧道内白色结晶体的化学成分及质量状况，采用络合法、洗涤法、酸法及综合法开展盲管堵塞清洁剂的配制与比选试验，对试验的溶解时间、反应条件、溶解效果进行分析比对，优选出最适合治理盲管堵塞的溶解剂。

2.1 络合法

络合法不会对隧道主体结构造成影响，且不会对环境和生态构成严重影响。常用的络合剂主要有乙二胺四乙酸二钠（EDTA二钠）、NH4Cl饱和溶液、亚氨基二琥珀酸钠（IDS）等针对钙离子的络合剂。

2.1.1 EDTA二钠

将10 g结晶物样品放入浓度为0.04 g/mL的EDTA二钠溶液中，观察发现反应速度缓慢，有少量气体放出，放置一段时间后白色结晶物仍有剩余，不建议使用。EDTA二钠反应原理见图2。

图2 EDTA二钠反应原理

2.1.2 NH4Cl饱和溶液

配置浓度为0.372 g/mL弱酸性NH4Cl饱和溶液，取上层清液为钙离子络合剂。在络合剂中放入10 g结晶物样品，观察发现白色结晶物未溶解，也无气体放出，说明NH4Cl酸性不够，不建议使用。NH4Cl饱和溶液配制及试验见图3。

图3 NH4Cl饱和溶液配制及试验

2.1.3 柠檬酸

将10 g结晶物样品放入浓度为0.05 g/mL柠檬酸标准溶液，观察发现有气体冒出，反应较慢，不建议使用。

通过上述试验发现，只用络合剂溶解白色结晶物，效果甚微，不适用于隧道盲管堵塞治理。

2.2 洗涤法

该方法利用起泡剂、增稠剂等配置水溶液，降低沉淀物的附着力，利用水洗的方法将固体冲至脱落。配置十二烷基磺酸钠溶液（2%～5%），加入结晶体后，晶体不溶解；配置酸性增稠剂以提高液体粘稠度及其润滑性，再次加入样品后，固体仍不溶解。

2.3 酸法

利用酸碱中和反应原理，将难溶于水的结晶体通过化学反应转化为可溶性离子。针对醋酸、甲酸、柠檬酸进行研究。

2.3.1 单种酸溶解法

采用单种酸作为溶解剂进行试验现象比对分析，试验结果见表2。根据筛选结果可知，盐酸溶解效果虽好，但腐蚀性太强，不建议使用；甲酸可作为清除剂单独使用；醋酸和柠檬酸由于其自身特性，反应较慢，不建议单独使用。此外，酸本身具有一定的腐蚀性，影响隧道的主体结构，建议与其他试剂联合使用。

2.3.2 混合酸溶解法

由表2可知，单独采用1种弱酸作为溶解剂达不到试验所需标准，因此将2种酸按一定比例混合来检验其对结晶体的溶解程度，具体试验现象见表3。

由表3可知，弱酸中加入强酸时，对结晶体的溶解速度将大幅提升，这是由于盐酸酸性强于其他2种酸，加入盐酸以后，盐酸与白色结晶物首先发生反应，此时甲酸和醋酸皆可补充氢离子，使白色结晶物继续溶解，所以加入稀盐酸溶解白色结晶物是可行的。甲酸与柠檬酸混合，在室温下反应稍慢，但是溶解性较好，但是反应时间略长；在高温下，反应速度有较快提升，效果比较理想。使用混合酸虽可达到清除隧道堵塞结晶体的作用，但酸会对隧道结构产生不利影响，需与其他试剂联合使用。

2.4 综合法

该方法原理为：（1）酸法可以将结晶体变成易溶于水的金属离子；（2）络合剂使其与金属离子络合，形成可溶性的络合物；（3）加入表面活性剂、增稠剂等提高液体及容器内表面的润滑性，降低沉淀物对管道的附着力；（4）用水压将已溶解的络合物及其松动的附着物冲出。

抑菌活性测试采用药敏纸片法和二倍稀释法[7-8]。将香蕉枯萎病菌（由中国热带农业科学院环境与植物保护研究所提供）涂布到YPD培养基（酵母浸膏10 g、葡萄糖20 g、蛋白胨20 g、琼脂20 g，自来水1 L）。吸取样品10 μL于直径为6 mm的滤纸片上，待纸片干燥后将其贴于培养基上，倒置于28 ℃培养箱中，培养时间为12～24 h，观察是否产生抑菌圈。酮康唑为阳性对照。对有活性的化合物继续以二倍稀释法测定其最小抑制浓度（MIC）。

表2 单种酸试验现象结果

表3 混合酸溶解反应现象

2.4.1 溶解剂配制方案

方案（1）。EDTA∶柠檬酸∶十二烷基磺酸钠∶水=4∶4∶1∶100（质量比）；

方案（2）。甲酸∶柠檬酸∶纤维素钠∶水=3∶10.4∶15（质量比）；

方案（3）。醋酸∶柠檬酸∶水=5∶4∶100（质量比）；

方案（4）。甲酸+柠檬酸+V98+水=20 mL+5 g+1 mL+50 mL；

方案（5）。甲酸+柠檬酸+V98+水=10 mL+5 g+1 mL+50 mL。

2.4.2 溶解反应现象

在不同溶解剂中加入1 g白色结晶物，观察其试验现象，筛选出合适的溶解剂，试验现象见表4。由表4可知，以甲酸、柠檬酸及适量增稠润滑剂1.0%～1.5%V98的溶解液，不论是室温还是加热状态下其溶解效果均良好。

表4 综合法溶解反应现象

2.5 小结

混合酸溶解法效果虽好，但对盲管本体、钢筋、水泥皆有溶解腐蚀作用，对环境也有不良影响。由于甲酸、柠檬酸及适量增稠润滑剂的溶解液不论是在室温施工，还是在加热状态都可使用，因此推荐30%甲酸、10%柠檬酸、适量增稠润滑1.0%～1.5%V98作为解决隧道排水管堵塞的溶解液。

3 溶解剂对隧道结构耐久性影响

为清除盲管结晶而配制的溶解液属于化工制剂，为确保对现场混凝土制品及钢筋无腐蚀性伤害，需对盲管结晶溶解液进行腐蚀性试验检测。

3.1 对钢筋、水泥的影响

3.1.1 钢筋性能影响

当金山隧道取钢筋样品，将样品分为2部分，一部分放在通风阴凉处，另一部分浸泡在盲管结晶溶解液中，在试验进行3、7、14、28 d时，通过微机控制电液伺服万能试验机（WAW-300B）和电子台秤（TCS-100）等仪器检测钢筋样品的最大抗拉力、极限抗拉强度及钢筋的质量变化。钢筋性能测试试验见图4。

图4 钢筋性能测定试验

将试验测得的钢筋承受最大力、极限抗拉强度、试件总质量变化判定溶解液对钢筋性能影响（见表5）。由表5可知，在溶解液长时间浸泡下，钢筋的极限抗拉强度比标准养护条件下的抗拉强度降低2.28%，最大抗拉力降低2.29%，说明溶解液对钢筋性能影响不大；钢筋总质量减小10 g，溶解液对钢筋的腐蚀作用较为微弱。

3.1.2 水泥胶砂强度影响

室内制作标准水泥胶砂试块（见图5），试验分为2个步骤：（1）试件制备完成后浸泡在水溶液和溶解液，在标养3、7、14、28 d测其抗压强度和抗折强度；（2）养护28 d后将其浸泡在水溶液和溶解液中，在标养3、7、14、28 d测其抗压强度和抗折强度。

表5 溶解液对钢筋性能影响

图5 水泥胶砂试验

在水溶液和溶解剂养护条件下，水泥胶砂抗压强度变化见图6。由图6可知，浸泡在溶解剂中的胶砂抗压强度与水溶液中水泥胶砂抗压强度相比强度变化不大，随着养护龄期的增长，水泥胶砂的抗压强度增长明显，溶解剂对抗剪强度的削弱值由4.21%降低到1.70%。

水泥胶砂抗折强度变化见图7。由图7可知，溶解剂对水泥胶砂抗折强度影响较微弱，随着养护龄期的增长，抗折强度明显增长，溶解剂对抗折强度的削弱值由5.79%减小到4.10%。

图6 水泥胶砂抗压强度变化

图7 水泥胶砂抗折强度变化

3.2 溶解剂对混凝土的影响

当金山隧道混凝土样品分为2部分：一部分按照标准养护条件养护；另一部分浸泡溶解剂中。试验分为2个步骤：第1次在试件成型后第2天开始浸泡，在浸泡3、7、14、28 d测定其抗压强度；第2次标养28 d后开始浸泡，在浸泡3、7、14、28 d测定其抗压强度。混凝土抗压强度测定试验见图8。

混凝土试块的抗压强度曲线见图9。由图9可知，2种溶液浸泡条件下，混凝土试块的抗压强度变化不大，且随着试块的标准养护龄期的增长，混凝土试块的抗压强度会增大，溶解剂对试块强度的削弱值会随着养护龄期的增长由3.05%减小到0.43%。

图8 混凝土抗压强度测定

图9 混凝土试块抗压强度曲线

4 工程应用

为了能将溶解剂注入结晶体堵塞的隧道盲管内，实现堵塞盲管的清洗作用，保证隧道结构的安全，研发一套隧道盲管堵塞疏通设备。此设备主要由控制电机、冲洗装置、回收装置及冲洗泵4部分组成。工作时将溶解剂储存于储液罐内，通过冲洗泵将储液罐中溶解剂注入隧道盲管内，在注入过程中，应控制注液量与注液速度，以便溶解剂与隧道盲管内的结晶体充分反应，达到溶解堵塞结晶目的，最后通过回收装置将使用完成后的溶解剂进行回收利用，达到保护环境的目的。

4.1 当金山隧道

2019年3月21日，在当金山隧道进行在建隧道现场盲管疏通试验。溶解液经盲管疏通机，从结晶堵塞的盲管一端输入（见图10），5 min后从盲管另一端流出，溶解液由透明状变为白色浑浊物，随后清水不断流出，疏通完成，试验成功（见图11）。

图10 现场试验设备

图11 溶解剂注入前后盲管排水情况对比

4.2 胡麻岭隧道

试点选在盲管结晶堵塞最为严重的兰渝铁路胡麻岭隧道K90+280 m处，在工务段养护人员配合下，通过对胡麻岭隧道现场观察、测量，改进设备，在施工单位和工务段的指导下，确认3处盲管出入口进行盲管堵塞疏通试验。溶解液经盲管疏通机，从结晶堵塞的盲管一端输入，6 min后从盲管另一端流出，溶解液由透明状变为白色浑浊物，随后清水不断流出，疏通完成（见图12），试验成功。