隧道排水系统结晶堵塞病害研究

2022-07-07叶忠明胡康俊田崇明钱王苹

工程与建设 2022年3期

王珑，叶忠明，胡康俊，刘斌，田崇明，钱王苹

(1.浙江杭宣高速公路有限公司，浙江杭州 310000；2.中铁一局集团有限公司，陕西西安 710054；3.长安大学公路学院，陕西西安 710064；4.南通大学交通与土木工程学院，江苏南通 226019；5.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

0 引言

随着愈来愈多的隧道出现排水管结晶堵塞现象，排水管结晶堵塞病害显然已经成了隧道在建和运营过程中亟待解决的问题。但由于该问题影响因素众多，解决方法亦是多种多样。高压水冲洗和化学溶解是处治此类问题较为常见的手段，但这一类处置方案存在治标不治本的问题或破坏排水管系统或污染环境等问题。对于大量出现结晶堵塞问题的隧道，首要任务是找到处治该问题的有效方案，但要想完全解决或者极大地减少隧道排水管结晶堵塞问题，笔者认为应该秉承“预防为主，处治为辅，防治结合”的理念。

为了防止隧道结晶堵塞，最直接的办法就是阻止结晶体在隧道排水管上沉积，这样即使地下水中存在诱导结晶体产生的腐蚀介质，也不会在排水系统中形成沉淀以造成堵塞。结晶体在排水管内聚集沉淀主要与排水管道管材、尺寸、水流流速等有关。周卓[1]采用室内模拟试验探究了隧道排水管坡度和水流流速对结晶速率的影响，结果表明：排水管坡度越大，水流流速越大，结晶体越不易积聚。翟明[2]采用模型试验对CO2接触面、排水管管径、排水管形状进行了探究，结果表明：CO2含量越低，排水管管径越小，排水管管壁越光滑，结晶沉淀越不易析出。Zhou等[3]结合室内和现场试验，表明聚乙烯材质隧道排水管预防结晶效果最差。蒋雅君等[4]提出采用防护涂层对混凝土基面和PVC管壁面进行疏水处理可以降低碳酸钙在管壁上的附着能力。

综上，关于岩溶区隧道结晶堵塞问题，国内外学者虽取得了一定的研究成果，但大多是从单一方面进行研究，没有系统地对该问题进行分析和总结。本文将从结晶堵塞机理、结晶堵塞预防、结晶堵塞监测和结晶处治措施四方面，进行较为系统、全面的分析与总结，结论可为隧道结晶堵塞问题研究提供借鉴和参考。

1 结晶堵塞机理

1.1 岩溶隧道结晶堵塞机理研究

1.2 非岩溶隧道结晶堵塞机理研究

在我国西南、西北地区，许多隧道地下水质都属于重碳酸盐型水质。杨丽芝等[9]通过对华北平原德州一带大量的地下水样品进行测试，发现华北平原地下水多为重碳酸钠型水，地下水中重碳酸盐浓度多在500 mg/L上下。重碳酸盐类水质是导致非岩溶隧道产生结晶体的重要因素之一。

重碳酸盐类水质经过隧道初支喷射混凝土，会直接与喷射混凝土材料水化产物或未水化成分氢氧化钙发生沉淀反应，对于隧道初支喷射混凝土而言，重碳酸盐会加速侵蚀进程，碳酸钙沉淀来不及积聚在水泥石孔隙内，就被地下水带离出混凝土。同时，高碱性水溶液(大量氢氧化钙溶解提高了水溶液碱性)不断吸收隧道内的二氧化碳气体也会产生白色结晶体，最终导致隧道排水管堵塞。

2 结晶堵塞预防研究

结晶堵塞预防是从混凝土材料、管材改造和排水系统设计等人工可控角度出发，尽可能减少结晶体生成和沉积。对于易出现结晶现象的在建隧道，合理利用外掺料是降低结晶生成措施中一种简单便捷的方法；利用电场或磁场原理、管道植绒和更换管材等方法，也是当前不少学者的研究方向；改变排水系统设计方法，如改变排水管连接方式等，以期减少结晶体在排水管内的沉积，也是较为常见的方法。

2.1 合理利用外掺料

在喷射混凝土中，合理利用外掺料，如粉煤灰、硅粉、抗碱剂等，可在一定程度上减少结晶体的生成。以粉煤灰为例，魏风艳等[8]提出粉煤灰可以增强C-S-H凝胶的固碱能力，同时可以减轻碱-硅灰反应(ASR)的反应程度。粉煤灰掺量也会影响喷射混凝土力学性能，如掺量过高会影响混凝土后期强度[10]。因此，粉煤灰掺量需要根据实际隧道与地下水情况，确定最合理的配合比，如喷射混凝土掺加20%粉煤灰，既可以提高混凝土强度和渗透性，也可以对碱-硅灰反应(ASR)起到抑制作用。粉煤灰改性混凝土作用机理主要体现在粉煤灰形态效应、活性效应和微集料效应三个方面，硅粉也具有同样的改性效应。

不少学者在此方面进行了研究。奥地利学者Maria Thumann等[11]采用浸泡法，将AHWZ(一种经过处理可用于混凝土生产的水硬性添加剂)、粉煤灰、矿渣和火山灰作为外掺料替代部分水泥。Gerhard Harer[12]将AHWZ作为外掺料，在Koralm隧道进行现场试验。研究新型材料或者引入其他材料降低结晶量是当前国内外一项研究热点。

2.2 优化排水管性能

在富水隧道排水系统中，地下水流经防水板和环向盲管，进入纵向排水管。横向排水盲管连接着纵向排水管与侧排水沟，纵向排水管通常贯通隧道起止。横、纵排水管若无特殊要求，通常采用单壁或双壁波纹管，其设置应符合设计要求，施工中预留拼接，后在仰拱及填充混凝土施工前连接完成。横、纵向排水管是隧道排水系统中重要的排水措施。许多学者对横、纵向排水管展开研究，以期降低排水管内结晶堵塞情况。

2.3 优化排水系统设计

在影响结晶体堵塞排水管的众多因素中，排水系统设计不合理也是导致[1]结晶堵塞严重的重要因素之一。排水管坡度设计、管道连接角度和排水系统密闭性设计等都会直接或间接影响到堵塞情况，所以优化排水系统设计也是十分必要的。对于排水管坡度的设计，一般要求隧道排水系统中纵向排水管与隧道纵向坡度保持一致，即0.3%～3%。对于存在结晶堵塞的区段，纵向排水管坡度可以适当放大，建议设置为5%左右。结合已有的施工经验，可将纵向排水方式由贯通式改为分段式，局部采用倒置V形状的排水管，倒置V形状的底部联通排水系统的横向排水管或检查井，倒置V形状的顶部联通排水系统的环向盲管[16]。同时，优化排水系统设计是对排水系统进行局部或整体改造，从增加排水系统密闭性、减少排水系统中水溶液对CO2的吸收，或者降低水流动能消耗、增大局部水流流速等角度进行设计。研究方法不限于以上角度，更多研究也正在进行过程中，本节仅介绍几种较容易理解的预防方法。

在高碱性环境中，Ca(OH)2吸收大气中二氧化碳生成碳酸钙结晶体[6]。当pH大于11时，溶液吸收CO2能力较强，CaCO3更易趋于饱和[17]。结晶与空气中CO2关系密切，因此此时排水系统的密闭性就显得尤为重要。通过在侧沟内设置横向凸台，凸台与侧沟构成浸没隧道排水管的容水腔，可在容水腔内形成水封，从而阻止CO2进入排水系统[18]。

增大排水系统局部排水能力，或者减少地下水在排水管中动能损失，利用水流冲刷能力减缓堵塞情况，也是一种优化排水系统设计的思路。例如减少纵向排水管与横向排水管三通连接处局部阻力带来的动能消耗等[19]。

3 结晶堵塞监测研究

为了能够及时监测排水管内结晶情况，应当建立隧道排水管结晶堵塞监测系统，可为运营期间及时清理结晶堵塞物提供支撑，以避免由于“不知情堵塞”延误处治最佳时期或频繁处治造成经济浪费。结晶堵塞监测是结晶堵塞处治的前提，监测手段不能仅凭肉眼观察，更多时候需配合机械设备确定堵塞情况。当前对于结晶堵塞监测的研究较少，方法也比较简单，智能化和专项化监测手段仍需不断发展，本节仅介绍几种较为便捷的方法，以供参考。

不少隧道在施工过程中会预留排水系统的检查设施(环向排水管检查口、横向排水管检查孔和纵向排水管检查井等)，定期进行检查对解决结晶堵塞问题。隧道排水系统在建设过程中预留检查孔是相当必要的。当隧道逐步运营时，通过预留检查孔并配合可转向内窥镜对隧道排水系统进行检查，能够方便快捷地掌握排水系统的堵塞情况。如果隧道排水管堵塞，排水管中的水会通过溢水孔溢出，从而对排水管是否堵塞进行简单的判断[20]。通过这样的监测方式，可以提前处理排水系统局部堵塞问题，保障排水系统正常运营，进而避免隧道排水系统失效问题，甚至隧道衬砌结构的安全问题。