CO2对隧道盲管水体结晶的影响及控制措施研究★

董朝阳，朱耀璋，张 亮，李荣贺

(1.中国铁路兰州局集团有限公司兰州工程建设指挥部，甘肃 兰州 730000；2.中铁十四局集团第三工程有限公司，山东 济南 250300)

0 引言

近年来随着我国高铁建设事业的不断发展，我国高铁的总体水平已达到世界领先水平。在我国的西北地区，高速铁路的建设也已大规模地铺开，然而由于该地区山地、丘陵居多，导致高速铁路的发展离不开隧道的建设。我国西北地区气候总体较为干旱，然而在隧道施工过程中，大多数隧道内仍有地下水流出，有的隧道地下出水量还较大。同时，在地下水从隧道的排水盲管内向外流出时，往往会在盲管内生成结晶体，该结晶体越积越多，会对盲管的排水造成一定的影响，甚至会堵塞盲管，给隧道的安全运营造成很大的隐患。

国内外对于隧道盲管水体结晶也展开了相关的研究，取得了一些研究成果。在这一方面，田崇明等[1]通过研究分析，提出隧道排水系统结晶主要因素为地下水的类型、混凝土特性、排水结晶的物理化学条件以及管道沉积条件等。向坤等[2]针对隧道排水系统中的结晶堵塞问题，在实验室采用PVC管模拟隧道的盲管，探究了不同pH值下的结晶规律。刘再华等[3]的DBL理论则认为，水流的流速越大，CaCO3等沉淀结晶速率越快。蒋雅君等[4]研究了采用有机酸清洗剂对盲管结晶体进行清洗，研究表明采用高压清洗加循环清洗的工艺，能取得较为理想的管道结晶清洗效果。毛意军等[5]研究了公路隧道排水系统堵塞成因及防治方法。程咏春等[6]则采用数值分析的方法对隧道排水管结晶堵塞进行了模拟研究。以上研究内容虽然较多，但都未能找出导致盲管结晶最直接的原因，以及如何有效地防止地下水在盲管内的结晶。因此，结合中兰客专某隧道的盲管水体结晶情况，研究导致盲管水体结晶最直接的原因，以及如何有效地防止盲管水体的结晶。

1 工程概况

新建中卫至兰州客运专线，是连结宁夏回族自治区银川市和甘肃省兰州市高速铁路的一部分。在铁路的施工过程中，发现线路中某隧道的盲管内有结晶现象，且结晶体在盲管出口的二衬壁上也非常明显。该隧道所处区域地下水随着山体裂隙运动，地表水源较少，一般沿着山体的垂直方向渗透，绝大多数的山体矿化度为2 g/L～6 g/L。该区域地下水与大气环境降水分布关系密切，雨水小而多聚集于7月～9月，且分配极不平衡，导致了大气环境雨量补充地下水过程的间歇性。工程隧道所属地区山势较为险峻，岩体构造相对完整，未发现滑坡、坍塌等不良地质情况出现。

2 隧道盲管排水成分分析

2.1 水样采集

结合中兰客运专线隧道施工的具体情况，对盲管内水体结晶隧道的情况进行现场调研。经调研可知，结晶体主要为白色结晶体。由图1可以看出，白色结晶体在二衬表面呈伞面状分布，水流两侧的结晶体厚度较厚，约4 mm，而水流中的结晶体较薄，约2 mm。由结晶体的分布来看，该结晶体内有的成分溶于水，同时该结晶体硬度不高，脆性较大，用硬物可容易刮下。在工程隧道现场选取具有代表性的排水口进行取水，以进行相应的水样成分分析和相关的试验研究(见图2)，同时也采取了部分结晶体进行化验。

2.2 水样成分分析

将在隧道内所取得水样交由专业的水样检测单位进行水质检测，得到的水样检测报告见表1。

表1 水样分析报告

3 二氧化碳对盲管结晶的影响试验研究

3.1 室内试验

2020年10月进行二氧化碳对盲管结晶影响的准备工作，准备了两个800 mL的烧杯、一个单面开口的玻璃箱，玻璃箱的开口蒙上一层纱布，可保证玻璃箱内空气流通，同时防止空气中的灰尘落入量杯中。

10月24日上午开始相关试验。分别将480 mL的水样和480 mL的纯净水倒入两个烧杯中，纯净水用来作为对比。当晚观察发现水样中出现少量白色沉淀，水变浑浊。

10月26日上午进行观察，水样出现大量白色沉淀，从侧面观察水样十分浑浊。

10月28日下午进行观察，水样有大量白色物质析出，杯底出现大量白色沉淀。两个量杯中均有少量的水挥发。

10月30日上午进行观察。水样与10月28日观察无明显变化；纯净水无变化。

接下来几次观察中，直到11月11日，除部分水样挥发，水样再没有明显变化(水样结晶见图3)。

3.2 现场试验

室内试验证明了空气中的CO2与水接触后生成碳酸盐是盲管中水体结晶的主要原因。然而在实际的隧道盲管中，空气中的CO2在盲管内造成的水体结晶沿盲管是如何分布的，还需要在隧道现场进行进一步验证。

3.2.1 试验方案

进行现场试验时，采用将盲管外接的方式，以观测外接管内的水体结晶分布规律，从而研究分析盲管内的水体结晶分布规律。外接管采用与盲管形式相同的波纹管。外接管在与盲管连接后在隧道内沿排水沟摆放时采用自然平放的方式，这样空气可顺着外接管出水口进入，也就是保证空气中的CO2可进入外接管一定深度内。进行一段时间的试验后，通过称取外接管中结晶体的质量，研究CO2对盲管水体结晶的影响。

3.2.2 试验过程

1)2021年4月27日，在隧道内选取了具有代表性的盲管口进行相关的试验。在盲管口外接波纹管(见图4)，并使用专用胶水封闭连接口，使空气无法在盲管与外接波纹管连接处进入盲管。波纹管的长度为5 m，其波纹类型与隧道盲管的波纹类型一致。

2)将外接管的另一端平放，将放置好的外接管进行固定，以免在试验过程中外接管发生移动或变形，造成部分结晶体剥落，影响试验效果。固定好外接管以后，仔细检查外接管的完好性及与盲管连接处的密封性，保证在试验过程中空气只能在外接管的平放端进入管内。

3)试验进行过程中，定期检查外接管的状况，以保证试验的正常进行。检查过程中避免触碰外接管，特别是不使外接管发生移动，以免结晶体从外接管上剥落。

4)2021年6月24日，收取外接波纹管。收取时先将外接波纹管从与盲管连接处锯开，然后将波纹管平放到地面上，接着将波纹管均匀锯为5段，每段长度1 m。整个过程中动作要轻缓，避免结晶体从波纹管上剥落。然后将5段波纹管从1到5进行编号，1号段为与盲管连接的一端，5号段为空气进入的一端(见图5)。

5)清理波纹管表面的泥浆与杂质。称取每段波纹管的总质量，然后减去该段波纹管净重，得到各段波纹管内的结晶体质量。

3.2.3 试验结果分析

试验得到的每段波纹管内的结晶体质量见表2。

表2 波纹管内结晶体质量 g

由表2可以看出，第1段波纹管中结晶体质量为75.58 g，第2段波纹管中结晶体质量为134.97 g，是第1段结晶体质量的1.79倍；第3段波纹管中结晶体质量为215.09 g，是第1段结晶体质量的2.85倍；第4段波纹管中结晶体质量为270.47 g，是第1段结晶体质量的3.58倍；第5段波纹管中结晶体质量为370.82 g，是第1段结晶体质量的4.9倍。每段结晶体质量依次增大，说明越靠近外接波纹管出水口，地下水越容易与空气接触并与CO2发生反应，从而进一步证明了CO2是导致隧道盲管内水体结晶的关键因素。

4 控制CO2进入隧道盲管的阻气排水设备

由以上研究结果可知，地下水在盲管内的结晶主要是由于空气中的二氧化碳与地下水接触所致，若能将空气阻止在盲管以外，则地下水就不会在盲管内产生结晶，从而也就不会堵塞盲管，研究结合这一状况，研发了用于阻止隧道内的空气进入盲管的设备。

该阻气设备主要由连接部、环形管和外伸管三部分组成，其中的连接部主要用于将该阻气设备与盲管端部连接在一起，并将阻气设备牢固地固定在隧道二衬壁上。连接部由接水管、固定板和橡胶垫片三部分组成。连接部的接水管可套在盲管外侧，将盲管内排出的水引出来。而固定板主要用于将接水管与隧道二衬壁固定在一起，并由橡胶垫片起密封作用，使空气不再由固定板和二衬壁的连接部位进入盲管内。固定板和橡胶垫片上均设有螺栓孔，用于在二衬壁上安装阻气设备(如图6,图7所示)。

环形管由接水管延长后螺旋环绕一周形成，且环形管位于接水管的下部。由于盲管内的水要由环形管流出，从而在环形管内保持有蓄水，该蓄水可保证隧道内的空气不能进入盲管内，而盲管内的水则可以通过环形管排出，从而起到在盲管内封闭空气的作用。外伸管竖直向下，保证水的顺畅排出，同时防止隧道内的浮尘等进入(见图8)。

5 结论

地下水在隧道盲管内排出时产生的结晶，对隧道盲管的排水造成很大的影响。空气中的二氧化碳与地下水接触后生成的碳酸盐，是导致隧道盲管结晶的主要因素。文中研发的阻气排水设备，阻止了空气进入盲管中，使盲管内不再产生结晶，保证了盲管的排水通畅，对保证铁路隧道的安全运营具有重要意义。