结晶堵塞隧道调研与现场试验——以云南某隧道为例

武东阳 肖振江

（云南腊满高速公路有限公司,云南 西双版纳 666300）

随着我国加快交通强国的建设，我国高速公路建设突飞猛进，但也偶尔出现隧道渗漏水等隐患，其中隧道排水系统结晶堵塞问题越来越突出。隧道建成后，喷射混凝土不断处于地下水侵蚀状态，混凝土中的钙离子由于离子浓度低等因素，随地下水流失进入排水系统，造成隧道排水系统堵塞。在长期的侵蚀过程及地下水压作用下，混凝土内部结构遭受破坏，出现松散现象，进而降低隧道使用寿命。该问题会造成较大的经济损失，需要修复排水系统，治理衬砌裂损及渗漏水危害，且后者费用较高。

国内关于隧道排水系统结晶堵塞问题的研究，最早主要针对岩溶隧道[1]，近年来，非岩溶隧道结晶堵塞问题也较严重[2-3]。于清浩[4]利用室内试验研究海水渗流及其与初支、围岩相互作用对排水堵塞的影响，通过观测、化学分析等手段，一定程度上预测了排水系统的堵塞，并认为隧道排水系统堵塞是结垢和泥沙沉积的共同作用。叶飞等[5]通过调研和室内试验验证了影响结晶的主要因素是水泥水化产物和地下水的综合作用。隧道排水系统结晶堵塞影响因素复杂，现行隧道规范中还没有针对这类问题对公路隧道排水系统的设计、施工、运营、维养等方面进行详细的说明。本文以云南某在建结晶堵塞隧道为例，采用现场调研和现场试验的方式，对其结晶机理和预防措施进行了探究，研究结果可为类似隧道治理提供一定的借鉴。

1 现场调研

1.1 工程概况

云南省勐腊至勐满口岸高速公路某隧道，全长3 285.11 m，为特长隧道。泥岩、砂岩、粉质黏土为主要围岩类型，碎屑岩裂隙水为主要渗水类型。建设过程中，该隧道多次发现防排水系统被白色结晶体堵塞失效问题，尤其是横向排水管和纵向排水管。图1为隧道横向排水管结晶堵塞情况，图2为隧道纵向排水管检查井处结晶堵塞情况。

图1 隧道横向排水管结晶堵塞情况

图2 隧道纵向排水管检查井处结晶堵塞情况

1.2 结晶体分析

利用XRD对结晶体固相分析，确定其主要成分为CaCO3，XRD检测结果如图3所示。

图3 依托工程结晶体XRD分析

1.3 地下水质状况

对其地表水和地下水进行检测，地表水检测结果如表1所示，地下水检测结果如表2所示。

表1 地表水水质分析结果

表2 地下水水质分析结果

将地表水及地下水中HCO3-浓度进行换算，地表水和地下水中Ca2+质量浓度为12.6～40.3 mg/L和8.6～20.7 mg/L，Ca2+质量浓度明显偏低，表明该地区属于非岩溶区，可见地下水中的Ca2+并不是导致产生大量结晶体的重要原因。地表水及地下水中HCO3-质量浓度分别为67.1～335.5 mg/L、103.7～189.1 mg/L，远高于其他离子的含量，高质量浓度的HCO3-对CaCO3结晶体的生成具有促进作用。

1.4 隧道内CO2浓度

现场采用CO2检测仪对隧道洞内外CO2浓度进行了监测，如图4所示，测定该隧道洞内CO2浓度1 232 ppm，洞外CO2浓度418 ppm。

2 结晶体来源分析

通过XRD分析得知结晶体主要成分为CaCO3，根据CaCO3的化学组成，可将结晶体拆分为Ca2+来源和CO32-来源两部分进行分析。

2.1 Ca2+来源

（1）水泥。水泥作为混凝土的主要凝胶材料，主要由Ca元素、Si元素、Al元素和Fe元素等组成。化学成分主要分为CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3，约占95%，MgO、S03等其他化合物约占5%。普通硅酸盐水泥常常富含Ca3SiO5（硅酸三钙）、2CaO·SiO2（硅酸二钙）、3CaO·Al2O3（铝酸三钙）和4CaO·Al2O3·Fe2O3（铁铝酸四钙）[6]。钙溶蚀过程中水泥水化产物Ca(OH)2最易被溶解扩散发生结晶，而水化硅酸钙相对稳定不易溶解。水泥等含钙凝胶材料是水化后生成大量Ca(OH)2和提高混凝土pH值的重要原因，也是为CaCO3白色结晶提供钙的重要来源。水化产物扩散到混凝土内部孔隙中，提高了Ca2+和OH-的浓度，也为钙溶蚀提供了离子浓度差。

（2）速凝剂。采用铝酸钠型速凝剂，当中富含NaAlO2，喷射混凝土早期强度起到促进作用。NaAlO2与喷射混凝土中的拌合水反应生成NaOH，再与水泥中的CaSO4发生复分解反应，生成Ca(OH)2，打破了石膏对水泥水化的缓凝效果，进一步促进了水泥的水化和早凝，反应方程式如式（1）。

水泥水化产物一直处于碱性溶液中，其中Ca(OH)2易溶于水，属于强碱，大幅提高了混凝土中的pH值。喷射混凝土中水泥用量较高，必然会造成水化产物Ca(OH)2含量偏高，溶于地下水会促进CaCO3结晶体生成，反应方程式如式（2）。

2.2 CO32-来源

碳酸根的来源主要为地下水中的CO32-、HCO3-及隧道空气中的CO2。

（1）地下水。该隧道地下水及拌合用水中CO32-质量浓度为0.00～0.04 mg/L，侵蚀性CO2质量浓度为0.00～30.8 mg/L，但富含HCO3-，重碳酸根的质量浓度为103.7～189.1 mg/L，地下水中HCO3-＞ SO42-＞ Cl-，且(Na++Cl-)/SO42-＞ 1，根据苏林分类法将依托工程归为重碳酸盐型水。并且在隧道开挖过程中，测试隧道掌子面中流出的地下水中HCO3-的质量浓度为342.6 mg/L。可见，在隧道修建过程中渗入隧道排水系统内部的地下水中含有更高浓度的HCO3-。

由于地下水中的Ca2+的质量浓度较低，使得隧道喷射混凝土因离子浓度差导致钙溶蚀。并且当地下水渗透喷射混凝土时，不断与喷射混凝土水化产物Ca(OH)2发生反应生成CaCO3，见式（3），同时加速了喷射混凝土的钙溶蚀进程。该隧道溶蚀现象较为严重，既有物理溶蚀，也有化学溶蚀。同时，许多新生成的CaCO3结晶体被从围岩裂隙中渗出的地下水冲刷出混凝土孔隙，流进隧道排水系统中，最后沉积结晶在排水管中造成排水管堵塞。

（2）隧道内CO2。利用CO2检测仪检测隧道洞内外CO2的浓度，由于洞内施工建设，装载机等机械排放出大量CO2，导致洞内CO2浓度明显高于洞外，并且多处排水管中地下水的Ca(OH)2浓度远高于围岩裂隙中的地下水。排水管中地下水表面吸收少量的CO2，加速生成结晶体，见式（4），沉积在排水管内。

从结晶体成分角度分析，将该隧道发生结晶体堵塞排水管问题分为两个来源，分别为Ca2+来源和CO32-来源。Ca2+来源主要来自水泥水化和速凝剂水化生成水化产物Ca(OH)2。CO32-来源主要为地下水中HCO3-及隧道空气中的CO2，将该隧道产生结晶堵塞的主要原因进行总结（见图4）。

图4 依托工程产生结晶主要原因

3 现场改进措施

3.1 河砂更改为机制砂

施工现场河砂产地为关累砂场，粒径小于或等于4.75 mm。现场通过大板试验，将机制砂大板试件和河砂大板试件放到掌子面前渗水处进行冲刷，探究水流对河砂和机制砂产生结晶体的影响。

两者表面均产生有结晶体，但采用机制砂的大板的表面结晶量要少于河砂的大板。根据《中华人民共和国国家标准：建设用砂》（GB/T 14684—2011），采用快速砂浆棒法鉴定隧道混凝土用细集料的碱活性反应，检测发现河砂材料含有较高的碱性物质，而较高的碱性环境会促进结晶体的生成。由此可知，机制砂在一定程度上能够抑制结晶体的产生，故后续现场施工将碱活性较高的河砂更换为碱活性较低的机制砂。

3.2 液体速凝剂试验

由于现场速凝剂用量较大，推测速凝剂可能也是影响结晶体生成的因素之一，为此利用低碱液体速凝剂＋干喷工艺进行了现场试验。通过跟踪现场施工过程，发现使用液体速凝剂喷射混凝土，混凝土易垮塌，回弹较大。通过观察后期排水管中结晶量发现，低碱液体速凝剂＋干喷工艺对于改善结晶现象效果并不明显，仍有很多排水管上结晶体生成量很大。原因可能是围岩渗水量较大，液体速凝剂促凝环境较差，很多液体速凝剂可能直接被水稀释或“冲走”，导致促凝效果较差，相比之下粉状速凝剂“生存能力”较强，在此环境中依然能与水泥较好地黏结，并能起到封堵过水通道的作用。

3.3 粉煤灰试验

现场粉煤灰掺量试验概况如表3所示。

表3 粉煤灰掺量试验概况

通过调节粉煤灰掺量发现，试验1（不掺加粉煤灰）结晶量最多；试验2（20%粉煤灰代替10%水泥和10%机制砂）减少结晶的效果较差，同时该方案增加了工程成本；试验3（20%粉煤灰代替20%水泥），减少结晶的效果最好，同时该方案降低了工程成本，但延长了喷射混凝土的凝固时间；试验4（25%粉煤灰代替15%水泥和10%机制砂）减少结晶的效果较好，同时该方案降低了工程成本，缩短了喷射混凝土凝固时间。

4 预防建议

4.1 原材料选择

隧道产生白色结晶体病害与衬砌密切相关，不论是地下水与混凝土的直接化学反应过程，还是地下水对混凝土的侵蚀过程，其本质都是混凝土中钙流失的过程。在满足衬砌强度和功能的条件下，应尽可能减少混凝土中钙的流失量。一种方式是减少地下水与衬砌的接触，如选用早强型水泥，减少地下水在混凝土中渗流通道；另一种方式是选择钙质含量低的水泥和速凝剂。

4.2 控制水灰比

一般而言，用于水泥水化的水量只需水泥质量的25%左右，而很多隧道实际施工中水灰比远高于25%，有些甚至超过60%。有些富水隧道涌水严重，施作喷射混凝土前并没有做好排水措施，无形中增大了喷射混凝土的水灰比，导致施工中生成的胶体水泥浆浓度低，虽然高水灰比能增强混凝土施工的和易性，但容易产生泌水和离析现象，并且使得混凝土强度和耐久性能降低。水灰比越小，混凝土内孔隙率就越低，混凝土的后期强度也就越高。因此，在满足施工和易性和使用功能的前提下，应尽可能降低水灰比，提高混凝土的抗渗性能。

4.3 合理利用外掺料

粉煤灰、硅灰、抗碱剂属于超细粉掺合料，这些超细粉掺合料微粒中含有大量的活性SiO2，而活性SiO2可以消耗大量的Ca(OH)2。粉煤灰、硅灰的掺入可以使水泥浆体中颗粒分散得更加均匀，同时扩大水泥的水化空间和水化产物的生成场所，促进水泥初期的水化反应。此外，粉煤灰、硅灰取代了部分水泥材料，也可起到降低胶凝材料中钙质总量的作用，如喷射混凝土掺加20%的粉煤灰，混凝土强度和渗透性都有所提高。

5 结论与建议

本文以云南某在建结晶堵塞高速公路隧道为例，通过现场调研和现场试验，初步揭示了隧道排水系统结晶堵塞病害的形成机理，并基于此提出了一些预防措施，可为类似工程提供一定的借鉴。主要结论如下。

（1）隧道排水系统堵塞物为结晶沉淀物，其主要成分为CaCO3，CaCO3结晶的来源按其化学成分分为Ca2+来源和CO32-来源。

（2）喷射混凝土、地下水及隧道内CO2浓度较高是依托工程现场产生大量结晶体的重要原因。

（3）机制砂在一定程度上能够抑制结晶体的产生，液体速凝剂对结晶量影响不大，20%掺量粉煤灰代替20%水泥，可以有效减少钙溶出作用。

（4）隧道喷射混凝土水化产物与隧道排水系统的结晶堵塞程度高度相关。因此，通过喷射混凝土的优化，如选择合适的原材料，优化配合比，选择合理的外掺料等，可以从源头上减少结晶物质的产生。